一种变形式消力池前端消能结构及其消能方法

摘要

本发明涉及一种变形式消力池前端消能结构及其消能方法，本发明主要组成部分有：第一，WES溢流堰，包括WES溢流堰的曲线段、WES溢流堰的直线段以及WES溢流堰的反弧段；第二，消力池部分，包括消力池前端和消力池后端等部分。主要针对消力池前端所受压强较大进行创新，通过将消力池前端分成大小相同的块体，并且在分成的每一个消力池底板块体上都安装副液压顶升装置，并且通过副液压控制阀对每个消力池底板块体与WES反弧段之间的相对高度进行调整，为了工程实际管理的便捷，还安装有主液压控制阀，可以对整个装置进行调整。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变形式消力池前端消能结构及其消能方法，属于水利水电工程中水工建筑物泄洪消能领域。

背景技术

在坝工设计中，泄洪和消能是泄水建筑物承担的两大任务，即安全宣泄多余洪水的同时严格控制下泄水流对坝体及下游基坑的冲刷，防止坝体破坏和坝基失稳。尤其对于高水头、大流量泄洪工程，存在着底板临底流速和脉动压力较大，抗冲保护难度大，且所需消力池尺寸大，造价高等问题，因此对这种消能形式的研究和工程应用一直存在局限性。

针对传统消能工的基础上，引入了阶梯溢流坝进行消能，结合宽尾墩和消力池，形成一体化的消能设施，这种消能形式兼有宽尾墩消能和阶梯溢流坝消能的优点，它既利用阶梯式溢流面进一步增进了宽尾墩的消能率，又利用宽尾墩后的无水区从水舌底部向阶梯坝面通气来避免空化和空蚀破坏，从而使阶梯式溢流坝向高水头大单宽流量方向发展。

虽然对于宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能形式的消能机理的研究已经相对比较充分，但在高水头、大单宽流量条件下，阶梯面上水深加大，底部缺乏掺气条件，仅仅依靠阶梯的摩阻作用不能将巨大的能量消除，坝面会出现严重的空蚀破坏。为了减小或消除阶梯面负压，需要为水舌底部创造掺气条件，增大掺气空腔和掺气浓度，从而增强减免空化空蚀的力度。为此，实际工程应用中常在宽尾墩下的WES反弧段与消力池连接处往往设置前置掺气坎，以增加掺气效果，改变水流特性和消能特性。

常见的消力池消能形式分为两种：一种是WES反弧段与消力池相切，然后在消力池内产生不同高差的池底来增加水流的旋滚，另一种是WES反弧段尾部与消力池首部之间存在一定高差，直接利用这一高差形成掺气跌坎的形式。但这两种方法的过渡衔接方式仅仅是依靠工程设计经验选定，这种连接方式对坝面的水流流态、掺气特性、压强分布、空化空蚀及消能机理等的影响和这几者之间的合适高差并没有一个最优的结果。

从技术角度看，由于底流消力池是通过大尺度水跃进行消能，水流紊动强烈，能量耗散主要集中在消力池前半区，该区域内消力池底板所受荷载往往比较集中，临底流速高，初步估算，当上下游水位差高于60m时，消力池最大临底流速即可达到30m/s以上。在高水头大流量条件下，采用底流消力池方案，由于临底流速与脉动压强等水力学指标较高，容易造成消力池底板板块的失稳破坏。其主要破坏模式为：（1）高速水流可直接诱发底板的空化空蚀破坏；（2）高速含沙水流对消力池的磨蚀发展到一定程度后出现空化空蚀破坏；（3）脉动荷载造成板块间止水的破坏后，因高速水流动水压力的传递引起板块失稳破坏；（4）强烈的脉动荷载在瞬间直接造成板块失稳破坏。上述四种破坏模式在国内外已建工程中均出现过，实地调研与分析研究均表明，尽管上述工程的破坏原因各不相同，但都与消力池临底水力学指标过高有直接关系。可见，在高水头大流量条件下采用底流消能方式，尚存在较大的技术风险。

发明内容

针对目前高水头大型水工建筑物泄流消能设计当中消力池前端底板的各类压强过大与消力池消能效率不高等问题，本发明提供了一种变形式消力池底板消能装置及其消能方法。

本发明采用的技术方案是：一种变形式消力池前端消能结构，包括WES曲线段、WES阶梯直线段、WES反弧段、消力池前端、消力池后端、压力传感器、控制器、副液压顶升装置、主液压顶升装置，WES曲线段与WES直线段相连， WES直线段与WES反弧段连接， WES反弧段的尾部与消力池前端连接，消力池前端与消力池后端连接，所述消力池前端被均匀分割成若干个块体，并且每个块体下都安装有副液压顶升装置，副液压顶升装置包括副液压缸、副顶升柱，副液压缸内设有副顶升柱，主液压顶升装置包括主液压泵、主液压缸，主液压缸内设有主液压泵，主液压缸通过液压主管道与若干条液压副管道连通，每条液压副管道与若干个副液压缸连通，液压主管道上设有主液压控制阀，每个副液压缸前端的液压副管道上设有副液压控制阀，压力传感器安装在块体下方且与控制器连接，控制器分别与主液压控制阀、副液压控制阀、主液压泵连接。

优选地，所有块体成排成列分布，每一排中部的块体6的下方设有压力传感器。

更优选地，所有块体成7排5列分布。

优选地，每一个块体的下方均设有压力传感器。

优选地，所述的压力传感器通过遥感设备与控制器连接。

一种所述的一种变形式消力池前端消能结构的消能方法，具体步骤如下：

Step1：根据实际情况在控制器中设定块体所承受的压力范围值；

Step2：控制器控制主液压控制阀、副液压控制阀打开至最大开度，压力传感器实时检测块体的实际压力值并将检测到的值发送给控制器，控制器根据接收到的信号控制主液压泵的上升或下降；

Step3：控制器根据压力传感器实时检测块体的实际压力值控制主液压控制阀、副液压控制阀的开度，使副顶升柱上升或下降，进而使块体上升或下降。

本发明的工作原理是：主液压缸通过管路与一个以上的副液压缸连通，所述主液压泵、副顶升柱为动力部分，所述主液压缸和副液压缸为执行部分，所述主液压缸中的体积减小将使得副液压缸的体积增大以致使得副顶升柱的上升，主液压缸中的体积增大将使得副液压缸的体积减小以致使得副顶升柱的下降，所述副液压控制阀为控制部分，主要控制副顶升柱的伸缩长度，所述副顶升柱为顶升部分，对消力池前端的升降进行调整，所述管路为辅助部分，用来连接主副液压缸、接头和控制仪表盘等。

对于泄流时通过不同流量的过堰水流时，通过调整每一个副液压顶升装置，进而达到改变消力池前端块体的相对高度的，从而调整溢流堰WES反弧段与消力池首部之间的相对高度、消力池前端每个块体之间的相对高度，以及消力池前端与消力池后端的相对高度，以求达到消能降压的目的。

对于泄流时通过不同流量的过堰水流，通过调整副液压顶升装置、主液压顶升装置、主液压控制阀、副液压控制阀使消力池前端与WES反弧段存在一个相对高度H。这里以WES反弧段尾部的上缘为基准，高度为零且记作H₀；若通过调整使得副液压顶升装置高于WES反弧段尾部上缘，此时，对于高出的长度则记作正值+H；相反，若低于则将此长度记作负值-H；将这两类数值分别称作相对正高度+H以及相对负高度-H，统称为相对高度H。对于不同流量时，通过位于消力池前端的块体下的压力传感器所反映的时均压强以及脉动压强等数值的反馈，对每一个消力池前端块体下的副液压顶升装置通过控制器进行调整，使每一块体所承受各类压强在工程范围内。通过对相对高度的调整，能够加强水流在消力池内的旋滚、碰撞以及掺混等，并在一定程度上减小下泄水流的动能。控制器调整主液压顶升装置的主液压泵，使主液压泵上升，从而使主液压缸内的体积V增大，并且通过控制主液压阀去调整通过主管道的液体流量Q，并相应的改变副管道的液体流量q，进而使得副液压缸内的体积v能够按照需要进行减小，最终可使得副顶升柱的下降长度也满足要求，并且通过调整副液压阀对副顶升柱变化的长度进行微调，进而使得消力池前端块体改变的相对高度H，能够达到实际工程泄洪时的最优消能率以及消力池底板最小冲击压强。

对于每一个块体相对高度H的变化没有一个固定的值，而是通过安装在每个消力池底板块体下的压力传感器对所承受的压强进行反馈后，控制器先对主液压泵、主液压缸、主液压阀等的调整来对整个消力池前端的块体进行调整，再对各副液压缸、副顶升柱以及副液压阀进行调整，进而达到对其相对高度H的改变，并使其能够满足实际工程需求。

现简述其中部分操作：第一，若使消力池前端整体块体的相对高度不发生变化，与WES反弧段的高度相同，能够使得水流可以更加平稳的过渡到消力池内，以便保护两岸的护坡不至被破坏，而且还能在一定程度上降低消力池首部底板的动水压强，利于消力池首部底板的稳定；第二，若使消力池前端第一排块体整体都下降，下降高度一致且最大，以后的每一排都下降，下降高度虽一致但渐渐减小，可在WES反弧段与消力池首部之间形成一定高差的跌坎，并且可形成消力池前端整体形成一个消力池底坡i＞0的这种形式，这样可增加底流消能过程中的掺气浓度，且加强水流在连接处的旋滚，达到消能的目的；第三，若使消力池前端第一排块体整体的相对高度都不改变，而往后的每一排块体整体都下降，下降的相对高度同一排块体相等，而不同排的块体越往后则下降的高度都逐渐增大，可使消力池前端整体形成一个消力池底坡i＜0的这种形式，这样可以让下泄水流在消力池前端进行不断的下跌，并且在消力池前端与后端之间的位置处能够进行更加充分的碰撞、掺混与旋滚，更加有利于对消力池内的水流进行消能，第四，若使消力池前端的1、3、5、7排块体的相对高度不变，而使消力池前端的2、4、6排的相对高度都进行负值操作，可使得在消力池内的水流旋滚、碰撞和掺混的更加充分，进而可以在一定程度上降低消力池内水流的动能，达到提高消力池内的消能率；第五，若使消力池前端的1、3、5列块体的相对高度不变，而使消力池前端的2、4列的相对高度都进行负值操作，可使得在消力池内的水流旋滚、碰撞和掺混的程度加深，进而能够在一定水平上减小消力池内水流的动能，达到提高水利消力池内的消能效率；第六，若使消力池前端的2、4、6排块体当中的某几个块体的相对高度进行正值操作，并使得这当中作正值操作的块体分布呈现间隔分布，达到每一个作正值操作的块体周围都是相对高度为零的块体，这也可使得水流在消力池内的旋滚、碰撞和掺混的程度加深，且在此基础上进行降低消力池水流的动力势能，达到消能的要求。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过对WES反弧段与消力池前端以及消力池后端等几个方面之间不同程度的优化，使各级流量下的消能率以及消力池前端底板上所承受的各类压强都有很大程度的改善。

（2）本发明增大WES反弧段与消力池前端的掺气浓度，通过水流在消力池内的旋滚，增加水流在消力池前端与消力池后端等位置处的缓冲作用，消能效果较为明显。

（3）本发明消力池前端每一排块体因泄流时所承受不同压力时，可通过调整每一排块体的相对高度，对所承受的各类压强进行削减，且改变了消力池内的水流流态，对消力池前端底板的各类压强有较为显著的降低，且消力池的消能效率有较高的提升。

（4）本发明改善了泄流时产生的雾化现象，并且使得出池水流更加稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构的立面结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的立体结构示意图；

图3是本发明另一种实施方式的立体结构示意图；

图4是本发明另一种实施方式的立体结构示意图；

图5是本发明另一种实施方式的立体结构示意图；

图6是本发明另一种实施方式的立体结构示意图；

图7是本发明副液压顶升装置具体示意图；

图8是本发明消力池前端整体示意图；

图9是本发明液压顶升装置整体示意图。

图中各标号为：1—WES曲线段、2—WES直线段、3—WES反弧段、4—消力池前端、5—消力池后端、6—块体、7-1—主液压泵、7-2—主液压缸、7-3—主液压控制阀、7-4—液压主管道、7-5—副液压缸、7-6—副顶升柱、7-7—副液压控制阀、7-8—液压副管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1、7、8、9所示，一种变形式消力池前端消能结构，包括WES曲线段1、WES阶梯直线段2、WES反弧段3、消力池前端4、消力池后端5、压力传感器、控制器、副液压顶升装置、主液压顶升装置，WES曲线段1与WES直线段2相连， WES直线段2与WES反弧段3连接，WES反弧段3的尾部与消力池前端4连接，消力池前端4与消力池后端5连接，所述消力池前端4被均匀分割成若干个块体6，并且每个块体6下都安装有副液压顶升装置，副液压顶升装置包括副液压缸7-5、副顶升柱7-6，副液压缸7-5内设有副顶升柱7-6，主液压顶升装置包括主液压泵7-1、主液压缸7-2，主液压缸7-2内设有主液压泵7-1，主液压缸7-2通过液压主管道7-4与若干条液压副管道7-8连通，每条液压副管道7-8与若干个副液压缸7-5连通，液压主管道7-4上设有主液压控制阀7-3，每个副液压缸7-5前端的液压副管道7-8上设有副液压控制阀7-7，压力传感器安装在块体6下方且与控制器连接，控制器分别与主液压控制阀7-3、副液压控制阀7-7、主液压泵7-1连接。

进一步地，所述块体6成排成列分布，每一排中部的块体6的下方设有压力传感器，如图1所示，本实施例中定义图中同一水平方向的块体6为列，同一竖直方向的块体6为一排，图1中，所有块体6成7排5列分布。同一排块体6受到的压力相近，因此为降低成本，可以在每一排中部的块体6的下方设有压力传感器即可。

进一步地，每一个块体6的下方均设有压力传感器。为了检测更加准确，可以在每一个块体6的下方均设有压力传感器，效果最佳。

进一步地，所述的压力传感器通过遥感设备与控制器连接，数据传递更精确、迅速。

一种所述的一种变形式消力池前端消能结构的消能方法，具体步骤如下：

Step1：根据实际情况在控制器中设定块体6所承受的压力范围值；

Step2：控制器控制主液压控制阀7-3、副液压控制阀7-7打开至最大开度，压力传感器实时检测块体6的实际压力值并将检测到的值发送给控制器，控制器根据接收到的信号控制主液压泵7-1的上升或下降；

Step3：控制器根据压力传感器实时检测块体6的实际压力值控制主液压控制阀7-3、副液压控制阀7-7的开度，使副顶升柱7-6上升或下降，进而使块体6上升或下降。

如图1所示，本实施例主要使消力池前端整体块体的相对高度H不发生变化，与WES反弧段3的高度相同，能够使得水流可以更加平稳的过渡到消力池内，以便保护两岸的护坡不至被破坏，而且还能在一定程度上降低消力池首部底板的动水压强，利于消力池首部底板的稳定。

实施例2：如图2所示，本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述消力池前端4第一排块体6整体都下降，下降高度一致且最大，以后的每一排都下降，下降高度虽一致但渐渐减小，可在WES反弧段3与消力池前端4之间形成一定高差的跌坎，并且可形成消力池前端4整体形成一个消力池底坡i＞0的这种形式，这样可增加底流消能过程中的掺气浓度，且加强水流在连接处的旋滚，达到消能的目的。

实施例3：如图3所示，本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述消力池前端4第一排块体6整体的相对高度H都不改变，而往后的每一排块体6整体都下降，下降的相对高度H同一排块体相等，而不同排的块体6越往后则下降的高度都逐渐增大，可使消力池前端4整体形成一个消力池底坡i＜0的这种形式，这样可以让下泄水流在消力池前端4进行不断的下跌，并且在消力池前端4与消力池后端5之间的位置处能够进行更加充分的碰撞、掺混与旋滚，更加有利于对消力池内的水流进行消能。

实施例4：如图4所示，本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述消力池前端4的一、三、五、七排块体的相对高度H不变，而使消力池前端4的二、四、六排的相对高度H都进行负值操作，可使得在消力池内的水流旋滚、碰撞和掺混的更加充分，进而可以在一定程度上降低消力池内水流的动能，达到提高消力池内的消能率。

实施例5：如图5所示，本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述消力池前端4的一、三、五列块体的相对高度H不变，而使消力池前端4的二、四列的相对高度H都进行负值操作，可使得在消力池内的水流旋滚、碰撞和掺混的程度加深，进而能够在一定水平上减小消力池内水流的动能，达到提高水利消力池内的消能效率。

实施例6：如图6所示，本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述消力池前端4的二、四、六排块体6当中的某几个块体的相对高度H进行正值操作，并使得这当中作正值操作的块体分布呈现间隔分布，达到每一个作正值操作的块体周围都是相对高度H为零的块体，这也可使得水流在消力池内的旋滚、碰撞和掺混的程度加深，且在此基础上进行降低消力池水流的动力势能，达到消能的要求。

本发明通过对消力池前端的优化，第一，各级流量的消能率都有较大程度的提高，尽管水面会有略微波动，但不影响实际工程的运营；第二，可以提高WES反弧段与消力池前端的掺气水平，并且可以加强水流在消力池内的旋滚次数，使得水流在消力池前端能够得到充分的缓冲，消能效果比较明显；第三，通过消力池前端之间产生的高差变化，改变了消力池内的水流整体流态，对底板脉动荷载、时均荷载以及最大冲击荷载都有一定程度的削减；第四，不同流量情况下对消力池底部造成的冲击压强也消力池前端相对高度的调整，会有不同深度的水垫塘，对于保护消力池底部稳定以及坝基稳定等方面有利；最后，改善了泄流时产生的雾化现象，并且使得出池水流整体的波动水平降低。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，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。