一种“九龙出口”在水工、水力工程出口连接段的应用

摘要

本发明是一种“九龙出口”在水工、水力工程出口连接段的应用，其特征在于：在以中心喷泉为中心的160?范围内，根据地形确定半径为R的圆周上设置9个出水口，出水口箱涵采用变截面封闭矩形，保证9个出水口出流基本一致。本发明应用使得各个出口流水量一致，上滩水面平静，不仅充分利用水能、保证了各出水口出流流态一致，实现了出口连接段良好的出流效果，而且保证了平静水面的景观效果，具有良好的社会效益和经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及出水口水力衔接工程的技术领域，尤其是一种“九龙出口”在水工、水力工程出口连接段的应用。

背景技术

生态水力和景观水力学是当前国际上研究的新兴热点学科，是水动力学与生态景观理论之间相互作用的一门新兴的交叉学科。从目前的研究现状来看，景观水力学的研究对象一般是复杂现实环境下大尺度的水利景观，其水力特性的计算要求不同于传统泄洪、过流等水力学，一方面缺乏相应的规程规范和标准参考，另一方面由于景观工程范围大、形式多样、边界条件复杂多变，进行二维简化计算往往不具有适用性和科学性，无法把握大尺度下景观水力特性。

从数值模拟的角度考虑，景观水力学仍属于流体力学范畴，其基本力学规律必然遵循牛顿经典力学的理论，因此质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等流体运动的基本运动规律仍然适用。基于此，计算流体动力学的数值模拟技术就存在其在景观水力学仿真中应用的根本前提。通过求解描述流体运动的连续方程、运动方程和能量方程等微分方程，得到计算区域内的所有物理量的时、空分布规律，并可以通过高性能计算机的图像动态显示流动场景，达到掌握水力学运动特性以及优化大尺度景观建筑物体型的目的。

在实际工程中，由于引水箱涵出口单宽流量大，流速大，直接接入上池后可能会导致上池水面大幅度、不均匀波动，因此需设计合理、美观的出水口水力衔接工程，为上潭提供平静水面的景观效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种“九龙出口”在水工、水力工程出口连接段的应用，不仅充分利用水能、保证了各出水口出流流态一致，实现了出口连接段良好的出流效果。

出水口水力衔接工程是保证水景效果的重要条件，本发明的技术方案是分别在工程出口连接段处设计九个出水口，具体为：

在以中心喷泉为中心的160?范围内，根据地形确定半径为R的圆周上设置9个出水口，出水口箱涵采用变截面封闭矩形，保证9个出水口出流基本一致。

所述的出水口箱涵变截面的确定方法是：出水口箱涵中的水对各个出水口进行均匀分流，令每个出水口的流量、流速均相等，即每个出水口的过水面积相等，根据过水面积分别对出水口断面尺寸、过水箱涵断面尺寸进行计算确定出水口箱涵截面，若各出水口的流速分布基本一致，则该设计满足要求。

设计时由于陡坎渐变使截面减小会在台阶前形成一小块水流流速较小的区域，造成水流流态不是很理想，水流不均匀，因此进行优化设计，将陡坎优化设计成缓坎，即：将靠近箱涵附近的出水口底板抬高15cm，中间部位的出水口底板抬高5～10cm左右，距箱涵出水口最远的出水口底板维持原高程。

采用FLUENT软件对三维模型再次进行水力学计算，按照以上方法进行试算，直到各出水口水流流速、水流流量基本一致，并且在截面突变部位不会出现明显的水流流速突变情况为止，最终确定九个出水口的断面尺寸、出水箱涵各断面的尺寸以及底板高程。

所述的9个出水口箱涵截面宽1.7m，高2m。出水口箱涵净空占总高的15％。各出水口水流流速最大相差0.399m³/s。

传统的出口连接段设计，是指直接用引水箱涵、进口连接段箱涵将上游水源的水引入上池，由于引水箱涵出口单宽流量大，流速也较大，直接接入上池后可能会导致上池水面大幅度、不均匀波动，难以体现上池静态水景观效果，且出流较为生硬。本发明与传统的出口连接段设计相比，采用九龙出口设计方案，不仅充分利用水能、保证了各出水口出流流态一致，实现了出口连接段良好的出流效果，而且保证了平静水面的景观效果，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的“九龙出口”剖面位置示意俯视图。图中a表示出水口箱涵，b表示进口连接段箱涵，c表示引水箱涵；0表示中心喷泉（池子中心），1、2、3、4、5、6、7、8、9分别表示出水口1、出水口2、出水口3、出水口4、出水口5、出水口6、出水口7、出水口8、出水口9；10-10、11-11、12-12、13-13、14-14、15-15、16-16、17-17、18-18分别表示出水口箱涵典型位置截面。

图2是本发明的“九龙出口”中断面1-1 的剖面示意图。

图3是本发明的“九龙出口”中断面2-2 的剖面示意图。

图4是本发明的“九龙出口”中断面3-3、4-4、5-5 的剖面示意图。

图5是本发明的“九龙出口”中断面6-6 的剖面示意图。

图6是本发明的“九龙出口”中断面8-8的剖面示意图。

图7是本发明的“九龙出口”中断面10-10 的剖面示意图。

图8是本发明的“九龙出口”中断面12-12 的剖面示意图。

图9是本发明的“九龙出口”中断面14-14、16-16 的剖面示意图。

图10是本发明的“九龙出口”各出水口及剖面三维展示示意图。

具体实施方式

如图1所示，在以中心喷泉为中心的160?范围内，根据地形确定半径为R的圆周上设置9个出水口，出水口箱涵采用变截面封闭矩形，保证9个出水口出流基本一致，各出水口水流流速最大相差0.399m³/s。

所述的出水口箱涵变截面的确定方法是：出水口箱涵中的水对各个出水口进行均匀分流，假定每个出水口流速均为1m/s，出水口箱涵中总流量为23m³/s，出水口箱涵中的水对各个出水口进行均匀分流，令每个出水口的流量均相等，根据过水面积分别对出水口断面尺寸、过水箱涵断面尺寸进行初步设计；根据过水面积分别对出水口断面尺寸、过水箱涵断面尺寸进行计算确定出水口箱涵截面，若各出水口的流速分布基本一致，则该设计满足要求。

设计时由于陡坎渐变使截面减小会在台阶前形成一小块水流流速较小的区域，造成水流流态不是很理想，水流不均匀，因此进行优化设计，将陡坎优化设计成缓坎，例如将靠近箱涵附近的出水口底板抬高15cm，中间部位的出水口底板抬高5～10cm左右，距箱涵出水口最远的出水口底板维持原高程。

采用FLUENT软件对三维模型再次进行水力学计算，按照以上方法进行试算，直到各出水口水流流速、水流流量基本一致，并且在截面突变部位不会出现明显的水流流速突变情况为止，最终确定九个出水口的断面尺寸、出水箱涵各断面的尺寸以及底板高程。

实施例1：

对牛栏江—滇池补水工程出口连接段进行初步设计，出水口箱涵采用变截面封闭矩形，9个出水口截面宽1.7m，高2m，采用FLUENT软件对三维模型进行水力学计算，各出水口水流流速分布一致，但由于陡坎设计使得坎前局部区域的水流流速较低，需对该体型进行优化设计。

将陡坎改为缓坡，同时将靠近箱涵附近的出水口底板抬高15cm，半远的抬高10cm和5cm，最远的两个维持原高程。

考虑引水箱涵70°转弯对出水口出流的影响，各出水口的流量之间最大相差0.399m³/s，各出水口的流量分配较均匀，引水箱涵70°转弯造成了一定的水头损失，但对九龙出口的流态几乎不会造成大的影响。

考虑引水箱涵70°转弯处6.7‰底坡的影响，箱涵净空0.598m，占总高的15％，净空满足要求。总体来看引水箱涵转弯段内的水面线呈壅水曲线。