异形宽尾墩挑流消能法

摘要

异形宽尾墩挑流消能法属于水利工程中泄水建筑物泄水消能方法。是将原有的平尾式闸墩挑流消能和宽尾式闸墩挑流消能二种方式结合形成的,即宽尾尾翼底缘距溢流堰表面的距离S≠O,使异形宽尾墩宽尾尾翼底缘与溢流堰表面之间的那层水流和平尾式闸墩时的水流基本相同,而宽尾尾翼底缘高程以上的水流受宽尾墩的制约形成冲击波。本方法消能时既能使冲坑远离坝趾,又使冲坑小且浅,是一种较理想的挑流消能方法。

说明书

异形宽尾墩挑流消能法属于水利工程中泄水建筑物泄水消能方法。

水利枢纽为了排泄多余的洪水，都有泄水建筑物。泄水建筑物下泄的水流流速一般较高，如果不采取工程措施消除下泄水流的动能，将会冲刷下游河床，危及泄水建筑物的安全。

挑流消能是用得比较多的一种消能方式。

传统的挑流消能方式示于图2。它的闸墩(8)是平直的，它是用挑流鼻坎(7)，将水流先抛射到空中，掺入大量空气，形成逐渐扩散的水舌，在距坝趾较远处落入河槽，并在主流前后形成两个大旋滚，当潜入水股的冲刷能力大于河床抗冲能力时则形成冲刷坑。挑流消能就是利用上述特点，将水流尽量挑离建筑物，使水舌在空中和下游水垫中消能，形成的冲坑必须不危及建筑物的安全。但是在很多具体的水文和地质条件下，传统的挑流消能常常不能满足要求。

七十年代，我国科技人员曾研究出宽尾墩挑流消能方法，即把常规的平直闸墩的下游加上两个尾翼(2)(见图3)形成宽尾墩(1)。

宽尾墩包括三个参数，L、1和0(或b)。宽尾墩的起扩点都在急流位置，当水流流过宽尾墩时，由于墩尾加宽、闸室沿程收缩，急流转折，形成驻波，闸室内的水面壅得比较高。一般，宽尾墩左、右两侧形成的驻波的交点都在收缩段下游，因此在宽尾墩末端形成两边高，中间低的“凹”字形过流断面，与空气的接触面增加，水流在坝面上的掺气量比平尾墩挑流时多，从而可以减少入水射流的能量。另外，当水面在闸室中壅高时，水面流线与坝面流线之间形成一定的夹角，即在坝面法向上各质点的流速具有不同的倾角，越接近水面倾角越大，因此各层水以不同的角度挑射，在纵向拉大了水舌的宽度进一步降低了单宽水面的入水能量，从而可以减少冲刷量和冲刷坑的深度。但是这种宽尾墩挑流正因挑射水流的能量在起挑前就已减少，所以挑射距离缩短，冲坑离坝较近。因此自潘家口修建了三孔试验坝后，没有别的工程采用宽尾墩挑流。

本发明的目的是采用一种新型闸墩挑流消能，使泄水建筑物在排泄洪水时既具有平尾墩挑流时冲坑离坝趾较远，又具有宽尾墩挑流时冲坑小且浅的优点。

本发明的内容是异形宽尾墩挑流消能法，特征在于宽尾墩(1)的宽尾尾翼底缘距溢流堰表面的距离S≠0，形成异形宽尾墩，使异形宽尾墩的宽尾尾翼底缘与溢流堰表面之间的那层水流和平尾墩时的水流基本相同，而宽尾尾翼底缘高程以上的水流受宽尾墩的制约形成冲击波。

本发明的构思是，抬高宽尾尾翼，使S≠0。实验表明，当S≠0时，在溢流面与宽尾墩底缘之间的那层水流和平尾墩时的水流基本相同，它的挑距和平尾墩挑流时相仿，但这股水流只占总流量的一小部分，因此它的入水总动量比平尾墩挑流时的入水总动量小得多，这股水流单独形成的冲坑也小得多。但是这股水流又可以成为上部水股的载体。在异形宽尾墩中，宽尾墩底缘高程以上的水流，也受到了宽尾墩的制约，形成冲击波。在异形宽尾墩的末端虽然形成了开口“凸”字形过流通道，但在墩尾下游的水流断面仍为“凹”字形。但由于受下部水舌的顶托，两侧水股比非异形宽尾墩时更高。与宽尾墩挑流相比，异形宽尾墩挑流时受宽尾制约的水流少，所以在出反弧末端之前的附加消能比宽尾墩少；在反弧段后，异形宽尾墩底下的流股具有较大的流速以大体与鼻坎相同的挑角挑射，在它上面的经宽尾墩制约后的大部分水体形成左、右两股基本对称的靠近闸墩中心线的、挑角大于鼻坎挑角的比宽尾墩更高的高抛射水流。这样，对每一闸孔都是上、下三股水流相互制约、相互作用、一起前进，进一步削减能量并把射流的入水总能量分布在更大的范围内，因此这种异形宽尾墩挑流消能方法形成的冲坑比宽尾墩的长一些但更浅。关键是调节好S值。

附图说明

图1为异形宽尾墩示意图

图2为平尾墩示意图

图3为宽尾墩示意图

图4为上游水位133.88米时三种典型闸墩冲坑断面比较图。

下面是本发明的一个实施例，结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，图中(5)为异形宽尾墩，(6)为异形宽尾墩的宽尾尾翼，(3)为溢流堰，(7)为挑流鼻坎。在上游水位为133.88米时，两闸墩净间距为12.0米，宽尾尾翼(6)底缘距溢流堰(3)表面的距离S＝2.5米。溢流堰(3)长50.56米，溢流堰表面形状如图。

         C₁点 $>{}_{}^{}$>

         C₂点 $>>>>X>2>>>4.691>2>\; >+>>>>(>2.701>->Y>)>>2>>>2.701>2>\; >=>1>$>反弧段为α₁＝48.66°，α₂＝38°，曲率半径是18.50米，异形宽尾墩(5)宽3米，墩长32.39米，从溢流堰最高点对应的异形宽尾墩的点距宽尾尾翼起扩点(10)的距离L＝22.7米，宽尾尾翼长l＝5.0米，宽尾尾翼宽b＝2.4米。

图2中(8)为平尾墩。

图3中(1)为宽尾墩，(2)为宽尾墩的宽尾尾翼，这时S＝0。

由图4可见三种典型闸墩冲刷坑断面形状，曲线(11)为异形宽尾墩冲刷坑断面，最大冲坑深度为13.7米，相应的冲坑断面面积为1050平方米。曲线(12)为宽尾墩冲坑断面，最大冲坑深度为18米，相应的冲坑断面积为1200平方米。曲线(13)为平尾墩冲坑断面，最大冲坑深度为26米，相应的冲坑断面面积为2400平方米。

本发明的效果是显而易见的，它既保持了平尾墩挑流消能时冲坑远离坝趾的优点，又具有宽尾墩挑流消能时冲坑小且浅的特点，是一种较理想新式的挑流消能方法。