适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道的制作方法

本发明属于水利水电工程泄水设施领域，特别涉及一种适用于高弗劳德数(即Fr≥4.70)下的转弯溢洪道。

背景技术：

溢洪道作为一种泄水设施普遍存在于水利枢纽工程中，岸边式溢洪道是较主要的布置形式。在工程实践中，常因地质、地形、工程投资和枢纽整体布置等条件的限制，溢洪道在平面布置上不得不偏转一个角度，布置成曲线型弯道的形式。溢洪道在面临下泄流量较大且流速较高的水流时，弗劳德数Fr较高，当Fr≥4.70时，溢洪道内的水流经过弯道段会受到边墙的偏转影响产生冲击波，在弯道和弯道下游流道内形成折冲水流、菱形冲击波等不利流态。如不采取工程措施，弯道段的冲击水流可能撞冲出泄槽并淘刷两侧岸体，从而影响溢洪道的运行安全。因此，根据弯道急流冲击波的水力特性研究弯道急流冲击波的控制方法及相应的结构，对于新建和改、扩建弯曲溢洪道的安全运行至关重要。

现有弯道控制方法及在溢洪道中相应的结构设计主要包括：渠底超高法、复合曲线法、导向翼法等。这些方法在不同的实际工程中均发挥了自身特性，取得了调节流态的效果，但各自存在一些问题。渠底超高法是将溢洪道泄槽底板设置成具有一定横向坡度的斜底板，从而对水流施加向心的侧力，使水流自由转向，但该方法适用的流量范围较小，超过其横向坡度对应的流量范围后则无法得到平衡，且高流速条件下弯道后的衔接段易出现负压，发生空蚀破坏的风险性较高，并且弯道段后仍会出现折冲水流，横向断面上流速分布不均且流速并未降低，给出口消能工布置带来困难。复合曲线法适用的流量范围也较小，且在高弗劳德数条件下难以运用。导向翼法通常运用于低弗劳德数和大转弯半径条件下，在高流速和高弗劳德数条件下，干扰建筑物结构本身，易发生空蚀破坏，难以成功运用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道，以避免高弗劳德数下溢洪道的弧形转弯段产生急流冲击波，使水流在弯道及其下游平稳泄流，保障溢洪道的安全运行。

本发明所述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道，从上游至下游依次由进水段、控制段、泄槽、消能段衔接组成，所述泄槽从上游至下游依次为上游直线段、上游直线衔接段、弧形转弯段、下游直线衔接段和下游直线段，所述上游直线衔接段、弧形转弯段和下游直线衔接段的底板均为沿水流方向设置有多级阶梯的底板；弧形转弯段底板的每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜，且每级阶梯倾斜的坡度相同；上游直线衔接段底板的每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜，且阶梯倾斜的坡度从上游第一级阶梯至下游最后一级阶梯均匀增大至与弧形转弯段底板的阶梯坡度相同；下游直线衔接段底板的每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜，且阶梯倾斜的坡度从上游第一级阶梯至下游最后一级阶梯均匀减小至与下游直线段的平直底板衔接。

上述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道，所述弧形转弯段底板的阶梯梯面的坡度为0.20～0.45，所述上游直线衔接段底板的阶梯梯面的坡度由0.04～0.10均匀增大至与弧形转弯段底板的阶梯梯面坡度相同，所述下游直线衔接段底板的阶梯梯面的坡度由弧形转弯段底板的阶梯梯面坡度均匀减小至0～0.10与下游直线段的平直底板衔接。所述弧形转弯段底板的阶梯梯面的坡度优选0.30，所述上游直线衔接段底板的阶梯梯面的坡度优选由0.05均匀增大至0.30，所述下游直线衔接段底板的阶梯梯面的坡度优选由0.30均匀减小至0。

上述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道，所述上游直线段的下游端设置有掺气减蚀设施。所述掺气设施由挑坎和紧邻挑坎末端并位于挑坎两侧的两个通气孔组成。

本发明所述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道，其上游直线衔接段、弧形转弯段、下游直线衔接段的阶梯尺寸可依据溢洪道单宽流量来设计，应保证在设计流量下可形成稳定流态，且具有较高的消能率。所述上游直线衔接段、下游直线衔接段的长度可根据临界水深、阶梯高度和弯道横向坡降等因素设计。

本发明所述转弯溢洪道运行时，在弧形转弯段倾斜阶梯底板的作用下，水流的重力分量增加了侧向力，因而可抵消高流速下离心力的影响，保证水流的平衡；阶梯相当于水流中的突体，水流通过时产生漩滚、水流内部紊动剪切、水流与阶梯台阶之间的碰撞和水气之间的动量交换消散能量，使弧形弯道内水流速度明显降低且较为恒定；上下游直线衔接段阶梯的设置，缩短了水流横向流速分布的调整距离，减小和避免了溢洪道内非对称水流对下游消能设施的影响；在上游直线段的下游端设置的掺气减蚀设施，避免了溢洪道前几级阶梯因掺气不充分而发生空蚀破坏。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述转弯溢洪道，由于弧形转弯段的底板为沿水流方向设置有多级阶梯的底板，且每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜，因而在阶梯水流的强紊动和局部超高的侧向力共同作用下，水流横断面流速和水深均能保持均匀分布，避免了弧形转弯段产生急流冲击波，使水流在高弗劳德数下也能在弯道内平稳过渡，保证溢洪道安全运行。

2、本发明所述转弯溢洪道设置有上游直线衔接段和下游直线衔接段，并且上游直线衔接段和下游直线衔接段的底板设置有朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜的阶梯，因而可使水流流态平稳过渡，避免了弧形转弯段后折冲水流的出现及发生空蚀破坏，并能显著缩短弧形转弯段后水流流态调整的距离。

3、本发明所述转弯溢洪道，阶梯上的滑移水流经过一定距离后，在阶梯的消能作用下水流基本达到均匀流，沿程流速不再增加，此时水流流速明显降低，水流平稳流过弧形转弯段，有利于减小弧形转弯段对阶梯坡度的要求，有利于消力池规模的减小，从而减小施工难度并降低工程造价。

4、由于本发明所述转弯溢洪道在上游直线段的下游端设置有掺气减蚀设施，因而避免了上游直线衔接段前几级阶梯发生空蚀，增加了阶梯溢洪道的应用单宽流量。

5、本发明所述转弯溢洪道结构简单，易于施工。

附图说明

图1是本发明所述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道的结构示意图；

图2是图1的俯视图(转弯溢洪道的平面布置图)；

图3是本发明所述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道中泄槽的平面布置图；

图4是图1中弧形转弯段处的A-A的剖面图；

图5是图1中上游直线衔接段处的B-B剖面图；

图6是图1中下游直线衔接段处的C-C剖面图；

图7是本发明所述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道中掺气设施的结构示意图；

图8是实施例中的转弯溢洪道在消能防冲流量下弧形转弯段的流速分布矢量图；

图9是实施例中的转弯溢洪道在设计流量下弧形转弯段的流速分布矢量图；

图10是实施例中的转弯溢洪道在校核流量下弧形转弯段的流速分布矢量图；

图11是实施例中的转弯溢洪道在消能防冲、设计和校核流量下弧形转弯段的横断面水面线分布图。

图中，1—上游直线段，2—上游直线衔接段，3—弧形转弯段，4—下游直线衔接段，5—下游直线段，6—进水段，7—控制段，8—消能段，9—掺气减蚀设施，9-1—掺气挑坎，9-2—通气孔，α—弧形转弯段底板与水平面的夹角，β—上游直线衔接段底板与与水平面的夹角，γ—下游直线衔接段底板与与水平面的夹角。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明所述适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道做进一步说明。

实施例

本实施例中，以城乡供水、农业灌溉为主，兼顾防洪等综合效益的中型水利工程设计和制作试验模型，所述中型水利工程为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，水库总库容1113万m³。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、取水建筑物和上坝公路工程组成。水库正常蓄水位为517.00m，设计洪水位517.00m，校核洪水位518.31m，最大坝高72.10m，坝顶宽度8.00m，坝轴线长142.95m。溢洪道紧靠大坝右坝端，采用底流消能形式，溢洪道轴线全长333.76m，从上游至下游依次由进水段、控制段、泄槽、消能段衔接组成，其中，控制段采用有闸控制正堰，堰顶高程511m，设两孔6m×6.5m平板闸，闸墩顶部尾部设交通桥，泄槽全长212.74m，宽度为10m，底板纵向坡度为1:3.5，泄槽所含弧形转弯段的转弯半径为150m，转弯角度为33.85°。消力池底板高程444.00m，消力池后接泄洪渠，将洪水排泄至下游河道。溢洪道消能防冲洪水标准为30年一遇洪水，相应下泄流量为272m³/s；设计洪水标准为50年一遇洪水，下泄流量为304.0m³/s，相应上游库水位为517.00m；校核洪水标准为1000年一遇洪水，下泄流量为448.0m³/s，校核洪水位为518.36m。

本实施例所述转弯溢洪道试验模型，结构如图1、图2所示，从上游至下游依次由进水段6、控制段7、泄槽、消能段8衔接组成；所述泄槽如图3所示，从上游至下游依次为上游直线段1、上游直线衔接段2、弧形转弯段3、下游直线衔接段4和下游直线段5；所述上游直线衔接段、弧形转弯段和下游直线衔接段的底板均为沿水流方向设置有多级阶梯的底板，弧形转弯段3的底板设有17级阶梯，上游直线衔接段2的底板设有5级阶梯，下游直线衔接段4的底板设有6级阶梯，阶梯高度按照局部超高方案测得的断面水深，兼顾施工难度进行设计；弧形转弯段3底板的每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜(见图3、图4)，每级阶梯高度均为1.5m，每级阶梯梯面的坡度均为0.30；上游直线衔接段2底板的每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜(见图3、图5)，5级阶梯梯面的坡度由0.05逐级均匀增至0.30；下游直线衔接段4底板的每级阶梯的梯面为斜面，朝着弧形转弯段的圆心一侧倾斜(见图3、图6)，6级阶梯梯面的坡度由0.30逐级均匀减小至0与下游直线段5的平直底板衔接。上游直线衔接段2、弧形转弯段3和下游直线衔接段4底板的各级阶梯在溢洪道中线位置处的长度均为5.25m。

为避免上游直线衔接段2底板的前几级阶梯因掺气不充分而发生空蚀破坏，在上游直线段1下游端设置有掺气减蚀设施9，所述掺气设施由挑坎9-1和紧邻挑坎末端并位于挑坎两侧的两个通气孔9-2组成(见图7)，挑坎9-1末端距上游直线段1起始处50m处，挑坎的高度为0.5m、坡度为0.1，通气孔9-2的横截面尺寸为1m×1m。

进行试验时，分别以消能防冲洪水标准(下泄流量为272m³/s)、设计洪水标准(下泄流量为304.0m³/s)、校核洪水标准(下泄流量为448.0m³/s)的水流下泄流量通过转弯溢洪道试验模型。

试验结果：弧形转弯段的流速分布见图8、图9、图10，从图8-10可以看出，水流横断面流速分布均匀，且经过一定距离后沿程流速不再增加，在消能防冲流量下，弧形转弯段流速值稳定在15～19m/s；在设计流量下，弧形转弯段流速值稳定在16～21m/s，在校核流量下，弧形转弯段流速值稳定在17～23m/s。弧形转弯段的横断面水面线分布见图11，从图11可以看出，在不同流量下阶梯横向断面水深分布均匀，水面线与泄槽底板近于平行，未发生折冲水流现象。下游直线衔接段未出现负压，水流平稳，下游直线衔接段末端阶梯处于消力池水跃紊动区内，加剧跃首段紊动，消能效果良好。

对比例1

本对比例的工程概况和设计流量与实施例相同。

本对比例中的转弯溢洪道模型为传统平底板溢洪道模型，即整个泄槽的底板为平底板，弧形转弯段底板的横截面坡度为0。

进行试验时，分别以消能防冲洪水标准(下泄流量为272m³/s)、设计洪水标准(下泄流量为304.0m³/s)、校核洪水标准(下泄流量为448.0m³/s)的水流下泄流量通过平底板转弯溢洪道试验模型。

试验结果：弧形转弯段起始横截面处的水流速度在消能防冲流量、设计流量和校核流量时分别为23.47m/s、24.13m/s、25.69m/s，弧形转弯段产生弯道急流，造成溢洪道泄槽中形成折冲水流等较差流态，弧形转弯段内横断面水深比降大，甚至弯道内侧出现明显无水区；弧形转弯段后水流在消能防冲流量时的流速为27.07m/s，设计流量时为31.64m/s，校核流量时为35.21m/s，流速过大，水流折冲严重，导致消力池内发生较高程度的远驱式水跃，消能不充分。

对比例2

本对比例的工程概况和设计流量与实施例相同。

本对比例中的转弯溢洪道模型按现有渠底超高法设计，弧形转弯段的底板的横向坡度为0.35，弧形转弯段上游通过上游衔接段与上游直线段衔接，弧形转弯段下游通过下游衔接段与下游直线段衔接，所述上游衔接段底板的横向坡度从上游至下游由0光滑渐变至0.35与弧形转弯段上游衔接，下游衔接段底板的横向坡度从上游至下游由0.35光滑渐变至0与下游直线段的平直底板衔接。

进行试验时，分别以消能防冲洪水标准(下泄流量为272m³/s)、设计洪水标准(下泄流量为304.0m³/s)、校核洪水标准(下泄流量为448.0m³/s)的水流下泄流量通过渠底超高法转弯溢洪道试验模型。

试验结果：消能防冲和设计流量下弯道内基本未发生折冲水流现象，但当流量增大至校核流量时，弧形转弯段横断面流速、水深分布不匀，大流量下未能达到预期的平衡状态。弧形转弯段后衔接处出现负压，以设计流量为例，此处最大负压为-2.5m(×9.8KPa)，此时的水流流速为31.64m/s，对应此处的水流空化数为0.19，极易发生空蚀破坏。弧形转弯段后水流流速值与对比例1中相近，仍有折冲水流的出现，消力池仍未有效消能。