一种趾坎跌坎消力池式底流消能工和设计方法与流程

本发明涉及一种趾坎跌坎消力池式底流消能工和设计方法，是一种水工设施和设计方法，是一种水库高坝的泄流消能设施和设计方法。

背景技术：

底流消能是高坝泄洪消能的主要方式之一。进入21世纪，在生态环境友好理念下，我国多座高坝为减轻泄洪雾化对岸坡植被的影响，或由于地质环境问题，选择了底流消能方式。为解决高坝采用传统底流消能中消力池临底水力学指标过高，引起消力池破坏的技术难题，近几年我国的水工设计和科研人员在总结国内外底流消能研究成果的基础上，陆续开发出一些适应高水头大单宽流量的新型底流消能工，如结合向家坝水电站工程提出的连续跌坎底流消能工和高低坎消能工，结合官地水电站提出的宽尾墩－跌坎底流消能工等。

跌坎型底流消能工将进入消力池内的高速水流引离临底区域，能够有效降低临底流速和底板上脉动压力，保证了消力池安全运行，因此跌坎底流消能工是近年来高坝泄洪消能的研究热点。不同学者开发出了不同的跌坎体型，并通过实验和数值模拟的方式开展了大量研究工作。

跌坎底流是一种适合高水头大单宽流量的新型底流消能工，具有代表性的两种体型是连续跌坎体型和高低坎体型。这两种体型在研究和工程应用中都存在一些个性和共性的问题，亟待解决。如：高低坎体型是针对双层泄洪孔枢纽布置形式而开发出的特殊体型，利用立体强剪切和空间三元漩滚消能，具有水面平稳、消能充分的突出特点，但该体型较难应用于坝身或岸边溢洪道仅布置有单层泄洪孔的高坝。连续跌坎体型适用范围较广，但在结合向家坝等工程泄洪消能研究中发现，不同条件下消力池内水流会发生流态转捩现象，一是跌坎高度一定情况下，随着下游水位升高，消力池内流态由混合流流态转变为淹没底流流态；二是当跌坎高度由低向高变化时，在下游特定水位情况下，消力池内流态由底流变成面流。流态转捩现象说明连续跌坎底流消能工的关键是选择合适跌坎高度，但现有的研究并没有确定跌坎高度的计算理论和方法。宽尾墩-连续跌坎体型虽然能确保流态稳定，但由于宽尾墩沿纵向拉伸泄洪水流，使得部分水流挑射进入消力池，增大泄洪雾化，有违跌坎底流消力池减弱雾化的初衷，同时该体型也不适用具有较长泄水道的岸边溢洪道设计。

各跌坎底流消能工体型存在的共性问题一是由于设计有突扩体型，在消力池内存在有压型漩涡，这种漩涡有别于水利工程中常见的具有自由表面型漩涡，该种漩涡具有强度大、流域封闭、漩涡中心奇点压力低（甚至出现负压），易导致消力池边墙和底板发生磨蚀和空蚀破坏，工程危害性较大。二是为保证消力池内不出现回流或摆动水流，在闸门调度上存在较多限制，对水电站后期泄洪管理要求较高。三是消力池规模巨大，如向家坝水电站的消力池长度达到220m，接近坝高的1.4倍，直接导致投资大。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种趾坎跌坎消力池式底流消能工和设计方法。所述的消能工和设计方法趾坎和跌坎相辅相成，既充分吸收了高低坎和连续跌坎的体型优点，又避免了各自缺点。

本发明的目的是这样实现的：一种趾坎跌坎消力池式底流消能工，包括：在来流坡面的底端设置的趾坎，所述的趾坎的下方接跌坎，所述趾坎和跌坎的下游设置消力池，所述消力池的下游设置尾坎。

进一步的，所述的趾坎的齿形为：与水流方向垂直的截面中为矩形或正方形，与水流方向平行的立面中为斜边为圆弧线的直角三角形，所述的圆弧线的曲率与来流坡面的曲率相同。

一种上述趾坎跌坎消力池式底流消能工的设计方法，所述方法的步骤如下：

已知上游水位h1，下游水位h2，消力池地板高程h3，跌坎顶高程为h4，消力池宽度w；

确定跌坎高度d2，根据经验公式：

d2=－0.86fr＋14.18

其中：fr为水流进入消力池的弗氏数，由下式计算得到：

，

其中：，

，

q设计为设计洪水下的单宽流量，v设计为设计洪水下水流入池流速，g为重力加速度；

确定趾坎尺寸：

已知：常遇洪水下，未设置趾坎情况下，泄洪单宽流量为q常遇，

1）假设w1、w2、d1之间关系为：

，w1=d1，

并假定趾坎的齿数为n个，以及趾坎之间过流，齿顶不过流，λ在1.0~1.5之间选取；

2）计算趾坎的齿间单宽流量q：

w=n×w1＋(n－1)×w2，

；

3）确定d1：

以常遇洪水下趾坎间的单宽流量确定趾坎高度d1，其应略大于趾坎间水流的深度，因此可得到：

，

，

式中v1常遇为常遇洪水时坎上流速；

4）将d1=w1，λ带入下式：

w=n×w1＋(n－1)×w2，

如果等式成立，则表明步骤1）假设的n和λ是合适的；

如果等式不成立，则重新假设n或λ，重复步骤1）～步骤4），直到等式满足为止。

本发明产生的有益效果是：本发明利用趾坎控制水跃，加强紊动扩散，提高消能率，缩短消力池长度，适应尾水位变化，使水流在消力池宽度上分布平均。同时采用趾坎形成收缩水流通道，可保证坎面不出现负压，达到收缩消能工的作用。利用跌坎形成一定深度的水垫，一可以避免出现临底漩涡或大幅降低趾坎后立轴漩涡强度，二是避免高速水流在趾坎后对消力池地板形成空蚀破坏，并可有效降低消力池临底流速。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述趾坎跌坎消力池式底流消能工的立面结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述趾坎跌坎消力池式底流消能工的平面结构示意图；

图3是本发明的实施例二所述的趾坎在于水流方向垂直的截面中的齿形截面示意图；

图4是本发明的实施例二所述的趾坎在于水流方向平行的立面中的齿形截面示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种趾坎跌坎消力池式底流消能工，如图1、2所示。本实施例包括：在来流坡面1的底端设置的趾坎2，所述的趾坎的下方接跌坎3，所述趾坎和跌坎的下游设置消力池4，所述消力池的下游设置尾坎5。

本实施例的主要思路是：

1）消力池首跌坎上设置若干分散趾坎，使得水流流经趾坎时，在平面形成收缩和扩散水流，在立面上束高水流，增加水流进入消力池的剪切面积，使得水流紊动加强，提高消能效率；同时趾坎的设置，使得在不同尾水位情况下，消能水跃的跃首位置相对确定；再者趾坎存在，进入消力池内的水流沿消力池横向分布比较均匀，消力池内水流流态稳定。最终达到缩短消力池长度的目的。

2）同时趾坎沿水流方向趾坎宽度不断增加，使得趾坎间形成收缩型水流通道。收缩水流对趾坎避免形成一定的冲击压力，避免坎面由于高速水流的的壁面脱离形成负压，减少空化空蚀的风险。

3）水流流经趾坎后，扩散水流在消力池内可形成立轴漩涡，而漩涡中心是压强最小的地方，其大小与漩涡强度直接相关。但由于趾坎后跌坎的存在，形成一定深度的水垫，此水垫的存在可大幅度降低立轴漩涡的强度，甚至可以避免出现临底漩涡，从而使得消力池地板处漩涡中心处的压强避免形成不利负压，从而不产生空化空蚀的破坏；同时跌坎的存在可有效降低消力池的临底流速。

趾坎的形状可以有多种形式，如：平面投影为矩形，或者迎水面圆形和背水面为半圆形，中间用矩形连接。与水流垂直的截面形状也可以有多种形式，如：正方形、矩形等。

消力池底板为平底，边墙直立，长度为水跃长度的1.2～1.4倍左右；消力池尾坎为梯形，与下游河道自然衔接。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于趾坎齿形的细化。本实施例所述的趾坎的齿形为：与水流方向垂直的截面中为矩形或正方形，如图3所示，与水流方向平行的立面中为斜边是圆弧线的直角三角形，如图4所示，所述的圆弧线的曲率与来流坡面的曲率相同。

本实施例所述的趾坎形状简单，易于建造，有利用降低建造成本。这种趾坎还可以用在已有建造完成的工程改造上，因其建造过程没有土方工程，可直接在原有跌坎上增加趾坎即可，建造成本很低。此种趾坎同样具有能控制水跃跃首位置、提高消能率、缩短消力池长度的优点。

实施例三：

一种上述实施例所述趾坎跌坎消力池式底流消能工的设计方法。

本发明要点在于确定趾坎的关键尺寸，分别为趾坎高度d1、趾坎宽度w1、趾坎间距离w2，以及跌坎高度d2。

假设已知上游水位h1，下游水位h2，消力池地板高程h3，跌坎顶高程为h4，泄洪单宽流量q，消力池宽度w。

1、首先确定跌坎高度d2

根据经验公式，跌坎高度d2可由下式计算：

d2=－0.86fr＋14.18

其中：fr为水流进入消力池的弗氏数，由下式计算得到：

。

，

，

此式中的q设计为设计洪水下的单宽流量，v设计为设计洪水下水流入池流速，g为重力加速度。

2、趾坎尺寸确定

利用常遇洪水的泄洪指标来确定趾坎尺寸。

已知：j常遇洪水下，未设置趾坎情况下，泄洪单宽流量为q常遇，

k假设w1、w2、d1之间关系为：

，w1=d1，

l趾坎之间过流，趾坎上不过流。

则确定跌坎尺寸的步骤如下：

首先假定趾坎数量为n个，。

计算趾坎间单宽流量q：

w=n×w1＋(n－1)×w2，

。

3）确定d1

以常遇洪水下趾坎间的单宽流量确定趾坎高度d1，其应略大于趾坎间水流的深度，因此可得到：

，

，

式中v1常遇为常遇洪水时坎上流速。

4）将d1=w1，λ带入下式：

w=n×w1＋(n－1)×w2，

如果等式成立，则表明步骤1）假设的n和λ是合适的。

如果等式不成立，则返回步骤1），重新更改变量n或λ，重复步骤1）～步骤4），直到等式满足为止。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如趾坎的形状、消力池的形状、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。