支洞设置全断面挑坎消能结构的尾水系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及水利水电工程引水发电系统领域，具体而言，涉及一种支洞设置全断面挑坎消能结构的尾水系统。


背景技术：

[0002]
水电站尾水隧洞是将水电站地下厂房发电尾水泄往下游河床提供通道的水工隧洞。通过水轮机的尾水余能不多，故尾水隧洞不存在一般水工隧洞中可能有的高压或高速水流问题，但其断面形态和布置形式应与水轮机尾水管良好协调，使水流顺畅平稳，防止尾水受阻壅高或波动导致的机组运行不稳定和功率波动问题。对于长尾水隧洞的电站，为了节省开挖量，往往采用多机一洞的布置形式，一个水力单元的机组尾水出口经过尾水调压井后汇总成一条尾水洞流入下游河道，尾水调压井的作用是在机组增减负荷或者发生事故时减少流道的水锤作用，保护水工建筑物的安全。
[0003]
近年来，部分引水式电站采用上游侧调压井，而取消了尾水调压井的设计，在尾闸室下游一段距离进行尾水支洞的合并，同时转弯后进入同一个加宽的尾水隧洞。对于这种类型的尾水系统布置具有一些优点：通过优化尾水调压井，增加弯道后控制尾水洞流向，大大减少了开挖量；同时由于在合并处的大转弯，缩小了电站影响区域，减小了对下游城镇的影响。但是在电站投产后，逐渐发现采用这种尾水系统也存在一些不足之处，由于在尾水支洞汇合处的水力作用，同时由于没有尾水调压井的缓冲作用，尾水各支洞的水位会出现超低频振荡问题，同一个水力单元的机组间在运行中会出现相互影响，机组负荷因此出现波动，特别是在下游水位较低的枯水期，给机组本身和电网都带来了影响。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的在于提供一种支洞设置全断面挑坎消能结构的尾水系统，以解决上述的技术问题。
[0005]
本实用新型提供一种支洞设置全断面挑坎消能结构的尾水系统，包括尾水支洞、交汇岔口段和尾水洞，所述尾水支洞为两个及以上，其通过相同转弯半径汇合在一起并与交汇岔口段连通，该交汇岔口段的出口转弯后与所述尾水洞连通，每个所述尾水支洞的中部设置有由左边墙挑坎、右边墙挑坎和底板挑坎组成的全断面挑坎消能结构段，该底板挑坎设置在所述尾水支洞的底板上并沿所述尾水支洞的宽度方向延伸，所述左边墙挑坎和所述右边墙挑坎对应设置在所述尾水支洞的两个边墙上，并沿所述尾水支洞的边墙竖直高度方向延伸，三个挑坎起挑方向与水流方向一致。
[0006]
可选地，所述底板挑坎的纵向截面形状为第一直角三角形，该第一直角三角形的一直角边沿水平方向延伸并与底板贴合，该第一直角三角形的另一直角边沿竖直方向延伸，该第一直角三角形的斜边所在面为过流面。
[0007]
可选地，所述左边墙挑坎和所述右边墙挑坎的水平截面形状为第二直角三角形，该第二直角三角形的长直角边部分与边墙贴合，该第二直角的斜边所在的面为过流面，与
所述底板挑坎的过流面相贴交。
[0008]
可选地，定义该第一直角三角形靠近所述尾水支洞上游的角度为α，该第一直角三角形的垂直高度为h1，定义该第二直角三角形靠近所述尾水支洞上游的角度为β，该第二直角三角形的垂直高度为h2，则满足以下关系： 10
°
≤α≤60
°
，10
°
≤β≤60
°
，0.3m≤h1≤2m，0.3m≤h2≤2m。
[0009]
可选地，所述尾水支洞包括水平段和无压斜底坡段，所述无压斜底坡段位于所述水平段的上游，从所述尾水支洞的上游指向下游方向，所述无压斜底坡段逐渐升高。
[0010]
可选地，所述左边墙挑坎、所述右边墙挑坎和所述底板挑坎设置在所述水平段。
[0011]
可选地，所述左边墙挑坎、所述右边墙挑坎和所述底板挑坎为混凝土结构或者钢结构。
[0012]
可选地，所述左边墙挑坎、所述右边墙挑坎和所述底板挑坎的过流断面收缩比δ范围为0.5～0.9。
[0013]
可选地，所述全断面挑坎消能结构段与交汇岔口段起点的距离大于2 倍尾水支洞宽度。
[0014]
可选地，所述交汇岔口段出口端中心线与所述尾水支洞中心线的夹角为120
°
～150
°
。
[0015]
本实用新型实施例的有益效果是：一方面，当水流通过底板挑坎、左边墙挑坎和右边墙挑坎时，在左边墙挑坎的过流面和右边墙挑坎的过流面的作用下，水流将随过流面逐渐向尾水支洞的中部聚拢、收缩，当水流到达过流面末端时产生突扩，向尾水支洞的两侧散开；另一方面，当水流通过底板挑坎时，水流受到底板挑坎的作用产生跌落，由于全断面挑坎消能结构段的突扩和挑流消能作用，使得尾水支洞水流到达交汇岔口段时的能量减弱，支洞水流间的水力作用和水流对岔口边墙冲击反向波减弱，并且，下游所产生的反向冲击波向上游传播在到达全断面挑坎消能结构段的末端竖直面时会受到挑坎的影响而进一步削减冲击波对上游的影响，进而抑制闸前水流产生较大的压力脉动。此外，当单个尾水支洞运行时，全断面挑坎消能结构段能够抑制交汇岔口段引起的水流反向冲击波，并且，当两个或多个尾水支洞同时运行时，支洞流量调整时，同样能够起到抑制与相邻尾水支洞水流冲击作用和转弯处边墙的反作用同时产生的反向冲击波影响，也就是说，全断面挑坎消能结构段能在不同的工况下起到抑制反向冲击波作用，由此，可以降低对全断面挑坎消能结构段上游处(尾闸室)水流的影响，抑制闸前水流产生较大的压力脉动，避免机组功率的波动，有利于提高机组和电网的可靠性。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0017]
图1为本实用新型示例性实施例提供的尾水系统的平面布置图；
[0018]
图2为图1的纵剖面图；
[0019]
图3为本实用新型的全断面消能挑坎结构的俯视图；
[0020]
图4为图3中的
ⅰ-ⅰ
剖视图；
[0021]
图5为图4中的
ⅱ-ⅱ
剖视图。
[0022]
图标：1-尾水支洞有压段；2-尾水支洞闸室；3-无压斜底坡段；4-无压水平底坡前段；5-全断面挑坎消能结构段；6-无压水平底坡后段；7-交汇岔口段；8-边墙；9-左边墙挑坎；10-右边墙挑坎；11-顶拱；12-底板挑坎；13-底板；14-尾水洞。
[0023]
s-尾水支洞中轴线间距离，r
1-1号尾水支洞转弯半径，r
2-2号尾水支洞转弯半径，r
3-岔口半径，l
1-无压水平底坡前段长度，l
0-无压水平底坡总长度，b
1-尾水支洞宽度，b
2-尾水洞宽度，b
3-全断面挑坎收缩后宽度，h0-ꢀ
尾水支洞拱顶高度，h-边墙高度，l-全断面挑坎消能工长度，h
1-底板挑坎高度，h
2-侧边墙挑坎高度，α-底板挑坎挑角，β-侧边墙挑坎挑角，-尾水支洞与尾水洞中心线夹角，i
1-底板挑坎坡度，i
2-侧边墙挑坎坡度。
具体实施方式
[0024]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0025]
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0026]
参照图1-图5，本实用新型实施例提供一种支洞设置全断面挑坎消能结构的尾水系统，其中，图1示例性地示出尾水支洞为两个时的状态，尾水系统包括尾水支洞、交汇岔口段7和尾水洞14，尾水支洞为两个及以上，两个及以上尾水支洞相互平行，其通过相同转弯半径汇合在一起并与交汇岔口段7连通，该交汇岔口段7的出口转弯后与尾水洞14连通，该交汇岔口段7呈弯曲状，相对于直线型的尾水支洞，可以节省开挖量，每个尾水支洞的中部设置有左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12，该底板挑坎12设置在尾水支洞的底板13上并沿尾水支洞的宽度方向延伸，左边墙挑坎9、右边墙挑坎10对应设置在两个边墙8上，并沿尾水支洞的边墙8 竖直高度方向延伸。左边墙挑坎9和右边墙挑坎10过流面分别具有与底板挑坎12过流面相交，三个挑坎起挑方向与水流方向一致，左边墙挑坎9、右边墙挑坎10与底板挑坎12的坡度可以不同，各挑坎的起点和终点桩号相同，各挑坎末端面垂直于底板13或边墙8，并且，左边墙挑坎9的高度和右边墙挑坎10的高度分别大于底板挑坎12的高度，左边墙挑坎9和右边墙挑坎10分别具有与底板挑坎12贴合的过流面，即，底板挑坎12的两个端面分别与左边墙挑坎9和右边墙挑坎10相互贴合，由尾水支洞的上游至下游方向，两个过流面逐渐靠拢。全断面挑坎消能结构段5的位置一般在尾水支洞的中部，且距离交汇岔口段起点的距离一般大于2倍支洞宽度。
[0027]
基于此，一方面，当水流通过底板挑坎12、左边墙挑坎9和右边墙挑坎10时，在左边墙挑坎9的过流面和右边墙挑坎10的过流面的作用下，水流将随过流面逐渐向尾水支洞的中部聚拢、收缩，当水流到达过流面末端时产生突扩，向尾水支洞的两侧散开；另一方面，当水流通过底板挑坎 12时，水流受到底板挑坎12的作用产生跌落，由于全断面挑坎消能结构
段 5的突扩和挑流消能作用，使得尾水支洞水流到达交汇岔口段7时的能量减弱，支洞水流间的水力作用和水流对交汇岔口段7边墙冲击反向波减弱，并且，下游所产生的反向冲击波向上游传播在到达全断面挑坎消能结构段5 的出口竖直面时会受到挑坎的影响而进一步削减冲击波对上游的影响，进而抑制闸前水流产生较大的压力脉动。此外，当单个尾水支洞运行时，全断面挑坎消能结构5能够抑制交汇岔口段7引起的水流反向冲击波，并且，当两个或多个尾水支洞同时运行时，支洞流量调整时，同样能够起到抑制与相邻尾水支洞水流冲击作用和转弯处边墙的反作用同时产生的反向冲击波影响，也就是说，全断面挑坎消能结构段5能在不同的工况下起到抑制反向冲击波作用，由此，可以降低对全断面挑坎消能结构段5上游处(尾闸室)水流的影响，抑制闸前水流产生较大的压力脉动，避免机组功率的波动，有利于提高机组和电网的可靠性。
[0028]
进一步地，底板挑坎12的纵向截面形状为第一直角三角形，该第一直角三角形的一直角边沿水平方向延伸并与底板13贴合，该第一直角三角形的另一直角边沿竖直方向延伸，该第一直角三角形的斜边所在面为过流面，过流面是指水流升高时所经过的面，其中，这里的纵向截面是指沿水流方向延伸且垂直于尾水支洞底板13的平面，将第一直角三角形的长边设置在尾水支洞的底板13上，可以在保证底板挑坎12的消能作用情况下，可以使得水流能够更加平稳地向下游流动，同时也有利于降低底板挑坎12与水流接触面积过大所带来的对底板挑坎12的冲击作用。定义该第一直角三角形靠近尾水支洞上游的角度为α，该第一直角三角形的垂直高度为h1，则α和h1满足以下关系：10
°
≤α≤60
°
，0.3m≤h1≤2m，即，底板挑坎12的上游坡面的角度在60
°
以下，以使得水流可以顺势通过底板挑坎12，避免对底板挑坎12造成较大的冲击。
[0029]
参照图1、图2和图5，作为一种具体实施例，某水电站的单机容量为 200mw，单台机组额定引用流量333m3/s，额定水头67m，尾水系统采用一洞双机结构，尾水支洞的宽度b1为11m，顶拱11高度h为30m，两个尾水支洞间距s为31.5m，1号尾水支洞在交汇岔口段7处的半径r1为80m，2号尾水支洞在交汇岔口段7处的半径r2为80m，交汇岔口段7的半径r3为24m，尾水支洞与尾水洞14中心线的夹角为122
°
。底板挑坎12的高度h1以及左边墙挑坎9和右边墙挑坎10的在纵向平面的高度h2可以设置为1.5m，三者的底边长度l可以设置为4.22m。
[0030]
参照图3和图4，左边墙挑坎9和右边墙挑坎10的水平截面形状为第二直角三角形，该第二直角三角形的斜面的部分与底板挑坎12相贴合，该第二直角三角形的长直角边部分与边墙8贴合，该第二直角三角形的斜边所在的面为过流面，与底板挑坎12的过流面相贴交，这里的水平截面是指平行于尾水支洞的底板13的平面，定义该第二直角三角形靠近尾水支洞上游的角度为β，该第二直角三角形的垂直高度为h2，则满足以下关系：10
°
≤β≤60
°
，0.3m≤h2≤2m，参照图3，垂直高度h2是指沿尾水支洞的宽度方向延伸的。即，左边墙挑坎9和右边墙挑坎10的上游坡面的角度在60
°
以下，以使得水流可以顺势向尾水支洞的中部靠拢，避免因过流面的角度过大造成对左边墙挑坎9和右边墙挑坎10的过渡。
[0031]
参照图1、图2和图3，尾水支洞包括水平段和无压斜底坡段3，无压斜底坡段3位于水平段的上游，从尾水支洞的上游指向下游方向，无压斜底坡段3逐渐升高。具体地，水平段包括无压水平底坡前段4、全断面挑坎消能结构段5、无压水平底坡后段6，全断面挑坎消能结构段5位于无压水平底坡前段4和无压水平底坡后段6之间，全断面挑坎消能结构段5也就是底板挑坎12、左边墙挑坎9和右边墙挑坎10所在的区域，无压斜底坡段 3有利于在底板挑
坎12、左边墙挑坎9和右边墙挑坎10的上游对水流进行消能，而将底板挑坎12、左边墙挑坎9和右边墙挑坎10设置在水平段，可以增大与交汇处另一支路水流和交汇墙面反击水流的反向冲击波的接触面积，使得底板挑坎12、左边墙挑坎9和右边墙挑坎10能够更好地抑制反向冲击波，从而抑制尾水系统的低频振荡，保证机组功率的稳定。
[0032]
参照图1和图2，此外，尾水系统还包括尾水支洞有压段1和尾水支洞闸室2，尾水支洞闸室2位于尾水支洞有压段1和无压斜底坡段3之间。需要说明的是，每个尾水支洞的尾水支洞有压段1即与一个发动机组的尾水管连通。
[0033]
具体地，全断面挑坎消能结构段5与无压斜底坡段3之间的距离l0可以设置为30m。
[0034]
作为一种可选的实施例，左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12 为混凝土结构或者钢结构，当左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12 为混凝土结构时，为使得左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12稳定地安装在尾水支洞的底板13上，可以采用钢筋插设于尾水支洞的底板13 内，再通过浇筑混凝土而成，而当左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12为钢结构时，可以通过将钢结构与预埋件焊接或者螺栓连接的方式进行固定，上述两种结构的制造成本低，安装也较为方便。另外，当左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12为钢结构时，左边墙挑坎9、右边墙挑坎10和底板挑坎12的过流断面收缩比δ(b3/b1)范围为0.5～0.9，以达到足够的消能和抑制反向波的作用。
[0035]
进一步地，全断面挑坎消能结构段5与交汇岔口段7起点的距离大于2 倍尾水支洞宽度。
[0036]
进一步地，交汇岔口段7出口端中心线与尾水支洞中心线夹角一般为 120
°
～150
°
。
[0037]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。