内凹式尾坎消力池的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种内凹式尾坎消力池，设计方法是在常规消力池尾坎位置，将原本铅直或者逆坡设置的尾坎迎水面以一定半径从尾坎与消力池底板接缝处开始设置成一反弧曲面，以使从坝面下泄的高速临底水流经过该反弧曲面实现流速的反转，从而给高速下泄的临底水流提供了一个反向作用力，从而替代了原本通过挖深消力池底板或者增大尾坎高度的方案，既节省了工程耗资，也有效增大了常规消力池的消能效率。
【专利说明】内凹式尾坎消力池
[0001]方法领域
[0002]本发明涉及水利水电工程中底流消能泄洪消能领域，具体涉及一种内凹式尾坎消力池。
[0003]背景方法
[0004]水利水电工程建设中，泄水建筑物的主要水力设计任务即是选择适当的消能措施以使在下游较短距离内消除高速水体相对于下游河道的余能，从而与之平顺衔接。底流消能由于其结构简单、出池水流平顺以及消能效率较高等突出优势而受到工程界的普遍认可，它的消能机理是采用急流向缓流过渡引起的水跃造成的强烈旋滚与大量掺气的方式来消能，其典型流态如图3。
[0005]但是，在下游河道水深较浅而上游来流又相对较大的情况下，为了使下泄水流能够在消力池内部形成完整水跃，常常需要将消力池底板高程开挖得足够深又或者通过加高消力池尾坎的形式来雍高消力池内水深以保证水跃的完全以及高效发生。而通过上述方法会极大地增大开挖方量、增大工程耗资，而后一种方案则会使消力池出池水深过高从而形成与下游河道较高的水位落差，出现二次跌落并对下游河道造成较强的冲刷。为较好地协调二者之间的关系，工程上常常采取两种方案相结合的方式，即适量降低底板高程的同时在一定程度上增大尾坎高度，但是该种方法没有从根本上解决降低工程耗资与减轻河道冲刷二者之间的矛盾。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于提供一种内凹式尾坎消力池，为解决上述问题，本发明提供的方案如下所述:
[0007]本发明提供的一种内凹式尾坎消力池，是在传统消力池尾坎位置，将尾坎迎水面以一定半径从尾坎与消力池底板接缝处开始设置成一反弧曲面。
[0008]所述反弧曲面可以是圆弧曲面或椭圆曲面。
[0009]反弧曲面可以使从坝面下泄的高速临底水流经过该反弧曲面实现流速的反转，从而给高速下泄的临底水流提供了一个反向作用力，其可以有效缩短消力池长度与深度。
[0010]内凹尾坎由于反弧曲面的缘故，可以实现高速下泄的水流急速转向并向上游位置溯流的目的。前一时段的水体经过内凹式尾坎的空间转向作用逐渐向上游位置移动，同时与后一时段的临底区域流体形成空间相向分层排列，通过两层水体之间逆向流动的相向作用形成强烈剪切作用。剪切消能可以极大地增强水体紊动强度，极大地增大能量的耗散，从而很大程度上提高了消力池的消能效率。
[0011]从泄水建筑物下泄的高速水流在内凹尾坎内产生十分激烈的逆时针旋滚，并在其表面形成流速较高的回流，可以与上游表层来流形成相向对冲，从而加剧水体的紊动，增强消能效率；同时通过表面强烈旋滚的强卷吸作用大量掺入空气，增大水体空间体积，增大能量耗散。
[0012]反弧曲面的弧度Θ越大回溯水体与高速底流相向角度越小，其提供的反向力沿纵向的分量就越大，第二共轭水深就越浅，消能率越高，从而需要的下游水深就越浅；但是过大的弧度Θ会出现较大的悬臂结构，于结构的稳定不利；反之，如果下游水深相对较大时，为实现跃后水流与下游水深的平顺衔接，弧度Θ可适当减小。一般来说反弧曲面的弧度Θ可取110°至140°之间。
[0013]内凹式尾坎的高度H为反弧曲面的高度加铅直段的厚度h，即H = (l-cos0)R+h,h为反弧曲面上部端点至尾坎最高位置距离，内凹式尾坎的高度H的主要控制因素为反弧曲面半径R值的选取，半径R的选取可通过在使用具有直面迎水坡尾坎情况下，利用常规水力计算方法得出一个尾坎高度z，然后进行一定的折算，得到R = (0.3?0.4) z ;同时为保证尾坎内部水流能够实现顺利的向上游回溯的目的，其反弧曲面的高度应至少大于两倍临底高速水流厚度h。，即(Ι-cos Θ ) R>2hc0
[0014]铅直段的主要作用为调整水流流态避免如果仅单独设置反弧区段而可能出现的水体脱壁现象，同时在一定程度上增加尾坎压重，其值不宜过大，大小为0.5至1.0m。
[0015]本发明的有益效果在于，通过利用内凹式尾坎消力池，给高速下泄的临底水流提供了一个反向作用力，从而极大地缩短了消力池开挖深度以及尾坎高度。既有效增大了能量耗散效率，又较大幅度地减小了消力池建造规模，节省了工程投资。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1所示为传统尾坎消力池结构意图；
[0017]图2所示为本发明实施内凹式尾坎消力池结构示意图。
[0018]图3所示为传统消力池典型流态示意图；
[0019]图4所示为本发明实施例内凹式尾坎消力池典型流态示意图。
[0020]图5所示为本发明实施例内凹式尾坎各参变量示意图。
【具体实施方式】
[0021]下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的方法特征或者方法特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的方法效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
[0022]下面结合图1，图2对本发明内凹式尾坎的结构示意图做进一步说明:
[0023]一种内凹式尾坎消力池，是在如图1所示的传统消力池尾坎5的位置，将尾坎I迎水面以一定半径从尾坎I与消力池底2接缝处开始设置成一反弧曲面3，反弧曲面3上端为铅直段4,如图2所示；
[0024]所述反弧曲面3可以是圆弧曲面或椭圆曲面。
[0025]下面结合图3和图4对本发明内凹式尾坎的消能原理做进一步说明:
[0026]反弧曲面3可以使从坝面下泄的高速临底水流经过该曲面实现流速的反转，从而给高速下泄的临底水流提供了一个反向作用力，其流态图如图4所示，根据动量定理可知，其可以有效缩短消力池长度与深度。
[0027]如图3和4所示参变量，根据动量定理可计算得出水跃方程-^-r + A^hr =气,+ A 2h Λ 或者=/(Ilc)H ，式中h。"为水跃跃前断面水深，
,g^ 2 " P%P%
即收缩断面水深；h。"为第二共轭水深；F为回溯水体提供反向作用力)，而无反向力时水跃方程为JOi1) =j(h2)并且有无反向力时流量以及跃前水深均相同，故而j(h。" ) =JOO
PP
=J (h2),于是 J(I1e) = J(I1c)--= Ah )-—，从而 J(h"。)< J(h2),而根据水跃函数曲
PgPg
线的特性可知道，水跃函数随着跃后水深的减小而减小，即h"。< h2，也就是说由于回溯水流施加的反向作用力可以使得跃后水深减小，并且一定程度上降低了尾坎I的高度，使得出池水流能够与下游河道即使是较浅的水深也能实现良好的衔接；
[0028]内凹尾坎I由于反弧曲面3的缘故，可以实现高速下泄的水流急速转向并向上游位置溯流的目的。前一时段的水体经过内凹式尾坎I的空间转向作用逐渐向上游位置移动，同时与后一时段的临底区域流体形成空间相向分层排列，通过两层水体之间逆向流动的相向作用形成强烈剪切作用。一般地，水跃的消能率相对较低，理想情况下约为60?70%，有时甚至更小，而根据一般挑流消能机理我们可以知道，剪切消能可以极大地增强水体紊动强度，极大地增大能量的耗散，从而很大程度上提高了消力池的消能效率；
[0029]从泄水建筑物下泄的高速水流在内凹尾坎I内产生十分激烈的逆时针旋滚，并在其表面形成流速较高的回流，可以与上游表层来流形成相向对冲，从而加剧水体的紊动，增强消能效率；同时通过表面强烈旋滚的强卷吸作用大量掺入空气，增大水体空间体积，增大能量耗散。
[0030]下面结合图5说明内凹式尾坎各参变量的选取:
[0031]反弧曲面3弧度Θ选取原则:反弧曲面3的弧度Θ越大回溯水体与高速底流相向角度越小，其提供的反向力沿纵向的分量就越大，第二共轭水深就越浅，消能率越高，从而需要的下游水深就越浅；但是过大的弧度Θ会出现较大的悬臂结构，于结构的稳定不利；反之，如果下游水深相对较大时，为实现跃后水流与下游水深的平顺衔接，弧度Θ可适当减小。一般来说，反弧曲面的弧度Θ为110°至140°。原则上，下游水深较小时，0可取较大值，下游水深较大时，Θ可取较小值；
[0032]内凹式尾坎I的高度H为反弧曲面3的高度加铅直段4的厚度h，即H = (Ι-cos Θ )R+h，h为反弧曲面3上部端点至尾坎I最高位置距离，内凹式尾坎I的高度H的主要控制因素为反弧曲面3半径R值的选取，半径R的选取可通过在使用具有直面迎水坡尾坎情况下，利用常规水力计算方法得出一个尾坎高度z，然后进行一定的折算，得到R = (0.3?0.4)z ;同时为保证尾坎I内部水流能够实现顺利的向上游回溯的目的，其反弧曲面3的高度应至少大于两倍临底高速水流厚度h。，即(Ι-cos Θ )R>2h。；
[0033]铅直段4的厚度h的主要作用为调整水流流态避免如果仅单独设置反弧区段而可能出现的水体脱壁现象，同时在一定程度上增加尾坎I压重，其值不宜过大，大小为0.5至
1.0m0
[0034]本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
【权利要求】
1.一种内凹式尾坎消力池，包括底板和尾坎，其特征在于，将尾坎迎水面以一定半径从尾坎与消力池底板接缝处开始设置成一反弧曲面。
2.如权利要求1所述的内凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面为圆弧曲面。
3.如权利要求1所述的内凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面为椭圆曲面。
4.如权利要求2或3所述的内凹式尾坎消力池，其特征在于，所述的反弧曲面的弧度为110。至 140。。
5.如权利要求4所述的内凹式尾坎消力池，其特征在于，所述的反弧曲面的半径等于直面迎水坡尾坎高度的0.3至0.4倍。
6.如权利要求5所述的内凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面的高度至少高于两倍临底高速水流厚度。
7.如权利要求1所述的内凹式尾坎消力池，其特征在于，所述反弧曲面上端的铅直段的厚度为0.5至1.0m0
【文档编号】E02B8/06GK104264640SQ201410528167
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】邓军, 刘 文, 田忠, 张法星, 许唯临, 刘善均, 张建民, 王韦, 曲景学, 周茂林 申请人:四川大学