一种差动反坡式消能掺气结构的制作方法

本发明涉及一种差动反坡式消能掺气结构，属于水利水电工程中使用的消能设施技术领域。

背景技术：

在水利工程建设中，泄水建筑物主要有两大方面的作用就是消能和泄洪，宣泄多余的水流，耗散水流动能，减轻对下游河床的冲刷，增强坝体的稳定性。随着高坝建设发展的需要,以及对消能机理认识的逐步深入,许多新型的消能形式不断出现。目前常见的消能形式主要有底流消能、挑流消能、面流消能等，底流消能主要靠前半区的水跃进行耗散能量，这部分能量比较集中，消力池底板承受荷载集中，造成临底流速和脉动压强等水力学指标偏高，导致消力池底板发生失稳破坏；挑流消能由于挑射水流在空中受大气的拖曳和卷吸作用发生破碎，并在下游水体碰撞时产生激溅，雾化降雨难以避免。因此需要一种在高水头大流量条件下，既能提高消能率，又能掺气减蚀保护下游建筑物，减小下泄水流水面波动的消能结构。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种差动反坡式消能掺气结构，适用于高水头大流量条件下进行消能掺气减蚀，减小水力学指标，有效提高消能率。

本发明技术方案是：一种差动反坡式消能掺气结构，包括差动式挑坎1、反坡式消力池2、直线过渡段3、梯形凸起圆形消能工4；所述差动式挑坎1与阶梯溢流坝面末端台阶水平面相连，反坡式消力池2位于直线过渡段3之后，差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接，反坡式消力池2布置梯形凸起圆形消能工4。

进一步地，所述差动式挑坎1包括高坎1-1和低坎1-2；高坎1-1的平面图为前窄后宽，低坎1-2为前宽后窄，高坎1-1侧面为斜面。

进一步地，所述差动式挑坎1中高坎1-1的挑流仰角θ1＝25°，低坎1-1的挑流仰角为水平，θ2＝0°。

进一步地，所述反坡式消力池2前半部为顺坡，后半部为逆坡，反坡式消力池顺坡坡度i2＝1/3～1/2，反坡式消力池逆坡坡度i3＝-1/6～-1/4，相对应的逆坡池长lb与第二共轭水深h2的关系为：lb/h2＝4.75、lb/h2＝4.67或lb/h2＝4.9。

进一步地，所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4，布置形式为顺梯形排列凸起圆形，即沿水流方向梯形短边在上游侧，梯形长边在下游侧，梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r，凸起高度为h，r/h＝0.5～0.7。

进一步地，所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4，布置形式为逆梯形排列凸起圆形，即沿水流方向梯形长边在上游侧，梯形短边在下游侧，梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r，凸起高度为h，r/h＝0.5～0.7。

进一步地，所述高坎1-1与低坎1-2的高差a等于收缩断面急流水深h3，a/h3＝1；高坎1-1末端宽度为b1，b1/h3＝2.5～2.7，低坎1-2末端宽度为b2，b2/b1＝3/4；高坎1-1在平面图上的扩张角为25°；齿的侧坡竖横比为1∶0.5。

本发明的有益效果是：

1、水流通过差动式挑坎，差动挑坎的高坎和低坎可把水流“撕开”，在垂直方向能有较大扩散，使水舌入水面积增大，有利于减弱水流对河床的冲刷，高坎的挑角使得射出水流与空气充分接触，能够在水舌底部创造掺气条件，增大掺气浓度。水流经由挑坎下落至反坡式消力池内，与反坡产生的水跃主流相碰撞，紊动强烈，出池水流的波动性减小，尾水波动对岸坡的冲刷减轻。

2、差动式挑坎与反坡式消力池的结合，使水流掺气浓度增加，水流流态趋于平稳，减小对下游岸坡及建筑物的不利影响，消能效果显著。

3、将最易发生空化现象的齿的侧面由直立面改为斜面，同时又保持槽内的水流沿程收缩。使齿槽公用的斜壁上的压力有所增加，从而改善齿槽式挑坎的抗空化性能。

4、反坡段布置梯形凸起圆形消能工优化水流流态，降低“水翅”高度，施工方便，节约成本，水流在凸起圆形消能工之间相互碰撞消耗大量能量，减小了出泄水流的水面波动，减小水流对下游建筑物的冲刷破坏。

5、该组合消能方式对下游冲刷较小，有效保护水利工程中泄水建筑物在高水头、大流量条件下坝体的安全。

附图说明

图1是本发明所述a型消能掺气结构的平面示意图，用于中高水头水电站的底流消能；

图2是图1中差动式挑坎的平面图；

图3是图1中差动式挑坎的俯视图；

图4是图1中ⅱ-ⅱ的剖面图；

图5是图1中ⅱ-ⅱ挑角示意图；

图6是图1的ⅰ-ⅰ剖面图；

图7是本发明所述b型消能掺气结构的平面示意图，用于中高水头水电站的底流消能；

图8是本发明所述c型消能掺气结构的平面示意图，用于中高水头水电站的底流消能。

图9是本发明所述反坡式消力池逆坡段流态示意图。

图1中各标号：1-差动式挑坎、2-反坡式消力池、3-直线过渡段、1-1-高坎、1-2-低坎、b1-高坎末端宽度、b2-低坎末端宽度、a-高坎与低坎的高差、θ1-高坎的挑流仰角、θ2-低坎的挑流仰角、4-梯形凸起圆形消能工、i1-挑流仰角、i2-反坡式消力池顺坡坡度、i3-反坡式消力池逆坡坡度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1，如图1-图6，图9所示，本发明包括差动式挑坎1，反坡式消力池2，直线过渡段3，梯形凸起圆形消能工4；差动式挑坎1位于末级阶梯尾部，反坡式消力池2位于直线过渡段之后，差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接，反坡式消力池2反坡段设置梯形凸起圆形消能工4；差动式挑坎1的挑流仰角高坎(齿)1-1为θ1＝25°，低坎(槽)1-2成水平，θ2＝0°；高坎与低坎的高差a等于收缩断面急流水深h3，a/h3＝1；高坎末端宽度为b1，b1/h3＝2.5，低坎末端宽度为b2，b2/b1＝3/4；；高坎在平面图上的扩张角为25°；齿的侧坡竖横比为1∶0.5；反坡式消力池后半部反坡式消力池逆坡坡度为i3＝-1/6，相对应的逆坡池长lb一般为lb/h2＝4.75，反坡段梯形凸起圆形排列设置为顺梯形。

本实施案例中的a型差动反坡式消能掺气结构的消能率约为60％～75％，减小了消力池出泄水流水面波动，消力池内为淹没水跃，水流紊动强烈。

实施例2，如图2-图7，图9所示，本发明包括差动式挑坎1，反坡式消力池2；直线过渡段3；差动式挑坎1位于末级阶梯尾部，反坡式消力池2位于直线过渡段之后，差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接；差动式挑坎1的挑流仰角高坎(齿)1-1为θ1＝25°，低坎(槽)1-2成水平，θ2＝0°；高坎与低坎的高差a等于收缩断面急流水深h3，a/h3＝1；高坎末端宽度为b1，b1/h3＝2.6，低坎末端宽度为b2，b2/b1＝3/4；；高坎在平面图上的扩张角为25°；齿的侧坡竖横比为1∶0.5；反坡式消力池后半部反坡式消力池逆坡坡度为i3＝-1/5，相对应的池长lb一般为lb/h2＝4.67，反坡段梯形凸起圆形排列设置为顺梯形。

本实施案例中的b型差动反坡式消能掺气结构的消能率约为60％～75％，减小了消力池出泄水流水面波动，消力池内为淹没水跃，水流紊动强烈。

实施例3，如图2-图6，图8-图9所示，本发明包括差动式挑坎1，反坡式消力池2；直线过渡段3；差动式挑坎1位于末级阶梯尾部，反坡式消力池2位于直线过渡段之后，差动式挑坎1与反坡式消力池2通过直线过渡段3连接；差动式挑坎1的挑流仰角高坎(齿)1-1为θ1＝25°，低坎(槽)1-2成水平，θ2＝0°；高坎与低坎的高差a等于收缩断面急流水深h3，a/h3＝1；高坎末端宽度为b1，b1/h3＝2.7，低坎末端宽度为b2，b2/b1＝3/4；；高坎在平面图上的扩张角为25°；齿的侧坡竖横比为1∶0.5；反坡式消力池后半部反坡式消力池逆坡坡度为i3＝-1/4，相对应的池长lb一般为lb/h2＝4.9，反坡段梯形凸起圆形排列设置为逆梯形。

本实施案例中的c型差动反坡式消能掺气结构的消能率约为60％～70％，减小了消力池出泄水流水面波动，消力池内为淹没水跃，水流紊动强烈。

本发明的工作原理是：

所述差动式挑坎1包括高坎1-1和低坎1-2；其高坎1-1和低坎1-2可以在垂直方向扩散水流，消耗大部分动能，高坎的平面图为前窄后宽，低坎为前宽后窄，高坎侧面为斜面，这样的体型保持槽内水流沿程收缩，使齿槽公用的斜壁上的压力有所增加，从而改善其抗空化性能；

所述反坡式消力池2前半部为顺坡，后半部为逆坡，根据流量的大小，能发生水跃与挑流；当流量小于设计流量时，前半部发生水跃；当流量过大时，水跃消失，后半部水流以急流状态挑射而出；反坡式消力池顺坡坡度i2＝1/3～1/2，反坡式消力池逆坡坡度i3＝-1/6～-1/4。

水流经过差动式挑坎1，消耗大部分动能，经由曲线挑射到空中，下落到反坡式消力池2，此组合消能方式可以提高消能率，减少消力池内泥沙淤积问题。

反坡式消力池2逆坡设置梯形凸起圆形消能工4，布置形式主要有以下两种情况：

a型结构：所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4，布置形式为顺梯形排列凸起圆形，即沿水流方向梯形短边在上游侧，梯形长边在下游侧，梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r，凸起高度为h，r/h＝0.5～0.7。

b型结构：所述反坡式消力池2反坡段布置梯形凸起圆形消能工4，布置形式为逆梯形排列凸起圆形，即沿水流方向梯形长边在上游侧，梯形短边在下游侧，梯形凸起圆形消能工4圆形半径为r，凸起高度为h，r/h＝0.5～0.7。

本发明通过将差动式挑坎与反坡式消力池相结合，将挑流消能与底流消能两种消能方式相结合，泄水建筑物泄放的高速水流经过挑坎导引，将水流抛射到空中，水流在空中掺入大量空气，且与空气发生摩擦，达到消能掺气的效果；由于曲线作用，形成逐渐扩散的水舌下落到下游消力池，消散水流大部分动能；下游消力池前半部为顺坡，后半部为逆坡，当流量不超过设计流量时，反坡内出现水跃，当流量过大时，水跃消失，水流以急流状态挑射而出，有水跃与挑流双重作用；差动式挑坎在垂直方向对水流有较大的扩散，能够有效减弱水流对河床的冲刷。所述梯形凸起圆形消能工能够降低“水翅”高度，优化水流流态，凸起圆形设置在一定程度上减弱空化空蚀危害，延长消能工使用寿命。

实施例4，本实施例与实施例1、实施例2或实施例3均相同，不同之处在于：反坡式消力池顺坡坡度i2＝1/3，高坎1-1的平面图为前窄后宽，低坎1-2为前宽后窄，高坎1-1侧面为斜面。

实施例5，本实施例与实施例1、实施例2或实施例3均相同，不同之处在于：反坡式消力池顺坡坡度i2＝1/2，高坎1-1的平面图为前窄后宽，低坎1-2为前宽后窄，高坎1-1侧面为斜面。

实施例6，本实施例与实施例1、实施例2或实施例3均相同，不同之处在于：反坡式消力池顺坡坡度i2＝2/5，高坎1-1的平面图为前窄后宽，低坎1-2为前宽后窄，高坎1-1侧面为斜面。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。