差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统及消能方法

摘要

本发明公开了一种差动式高低坎挑流消能工‑高跌坎型消力池系统及消能方法，涉及高坝泄洪消能技术领域。该系统包括差动式高低坎挑流消能工、高跌坎型消力池和智能控制单元。差动式高低挑坎挑流消能工实现对下泄水流的纵向分离、横向扩展和空中碰撞消能；高跌坎型消力池承接以斜向冲击射流形式进入的水舌，射流主流在高跌坎型消力池产生淹没射流和淹没水跃的混合流态，能量大幅耗散；智能控制单元通过分析水位传感器的信号对高跌坎型消力池的工作状态进行控制。本发明通过挑流碰撞消能、紊动剪切和紊动扩散以及淹没水跃，显著提高消能效果，减轻高速下泄水流对下游河床的冲刷；同时，消力池长度缩短，消力池底部无需设置护坦，降低工程造价。

说明书

技术领域

本发明涉及高坝泄洪消能领域，特别是涉及一种差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统。

背景技术

随着水能开发利用率的提高，我国已建成或在建一大批具有世界领先水平的大型水利枢纽工程。高坝水库建成后能够在防洪、发电、航运和灌溉等诸多领域产生显著的经济效益，但高坝也对泄洪消能设计提出了更高的要求，特别是我国西南地区的一些高拱坝，如二滩、小湾和溪洛渡等，由于坝址位于狭窄河谷，需要通过坝身宣泄大量洪水，泄流集中，泄洪流量大，泄洪过程中的消能与防冲问题更加突出。

挑流消能是一种常用的消能工形式，挑流消能工具有结构简单、施工方便、节省工程费用和对尾水变幅适应性强等优点，缺点是下游局部冲刷问题严重，尾水波动及雾化范围大，需设置相应的工程防护措施。

跌坎型消力池是一种具有良好应用前景的新兴消能工，通过在消力池入口处向下开挖一定深度形成跌坎，由于跌坎的存在，射流水舌入池后以淹没射流方式达到底板，通过与消力池内水体的紊动剪切进行消能，水舌下部形成一个顺时针方向的旋滚，水舌前方形成淹没式水跃，主流与底板之间存在一定厚度的“水垫”，从而降低水舌到达消力池底板的时均压强和临底流速；但跌坎型消力池仍无法避免射流水舌对底板的冲击破坏，同时无法充分消杀射流水舌的能量，因而现有的跌坎型消力池长度长，且底部仍需设置护坦，施工工程量和造价巨大。同时为保证下游河道不受水流冲刷破坏，消力池的尾坎处也需设置海漫等消能防冲设施，同样会增加施工工程量和造价。因此，仍有待于对跌坎型消力池的结构进行优化，降低水流对消力池底板的冲击破坏程度，提高消能效果，降低工程量和工程造价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统，能够显著提高消能效果，减轻高速下泄水流对下游河床的冲刷。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统，主要包括差动式高低坎挑流消能工、高跌坎型消力池、智能控制单元；

所述差动式高低坎挑流消能工位于泄流孔下方的泄槽表面，主要包括差动式高挑坎、差动式低挑坎；差动式高挑坎位于泄槽中下部，其上表面、左右侧面均设有气孔，差动式低挑坎位于泄槽尾部，其上表面设有气孔，差动式高挑坎与差动式低挑坎沿泄槽表面以齿-槽相间方式布置；

所述高跌坎型消力池位于泄槽的后部，主要包括由前至后分布的跌坎、二道坝、副坝、尾坎，跌坎与泄槽尾部相连，尾坎与下游河道相连；二道坝顶部安装有第一闸门，副坝顶部安装有第二闸门，跌坎与二道坝之间的高跌坎型消力池左侧边壁上安装有第一水位传感器，二道坝与副坝之间的高跌坎型消力池左侧边壁上安装有第二水位传感器；

所述智能控制单元主要包括依次相连的智能信号调理器、A/D信号转换器、PLC控制器、D/A信号转换器，第一水位传感器、第二水位传感器均与智能信号调理器的输入端相连，D/A信号转换器的输出端与第一闸门、第二闸门相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述差动式高挑坎与差动式低挑坎包括多个齿和槽，齿和槽横向连续布置，所述齿为具有挑角的挑流鼻坎，齿在泄槽表面的投影为梯形，所述槽为齿左右两侧的泄槽表面区域，在泄槽表面沿着水流方向，所述差动式高挑坎的齿和槽与差动式低挑坎的齿和槽分别相互交错布置。

在本发明一个较佳实施例中，所述的差动式高挑坎和差动式低挑坎的上表面均设有沿着水流方向的气孔，差动式高挑坎左右侧面中部设有垂直于泄槽表面的气孔。所述气孔能有效减轻高速下泄水流对差动式高挑坎和差动式低挑坎的空蚀破坏。

在本发明一个较佳实施例中，所述差动式高挑坎距离泄槽顶部的距离与距离泄槽尾部的距离之比为3：2。

在本发明一个较佳实施例中，所述二道坝位于高跌坎型消力池中部，所述副坝位于二道坝与尾坎之间，副坝到二道坝的距离与副坝到尾坎的距离之比为3：1。

在本发明一个较佳实施例中，所述二道坝的高度高于副坝高度，所述第二闸门完全开启后的高度高于二道坝高度，所述副坝的高度高于尾坎的高度，所述第一闸门完全开启后的高度低于跌坎的高度。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一水位传感器安装在跌坎与二道坝之间的中央位置，第一水位传感器的安装高度高于二道坝的高度，所述第二水位传感器安装在二道坝与副坝之间的中央位置，第二水位传感器的安装高度高于副坝的高度。

进一步的，所述第一水位传感器和第二水位传感器设置有不同的水压力阈值。

在本发明一个较佳实施例中，所述尾坎为斜坡结构，有助于实现出池水流流速的均匀分布。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种所述差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统的消能方法，方法如下：

所述差动式高低坎挑流消能工实现对下泄水流的纵向分离、横向扩展和空中碰撞消能；

所述高跌坎型消力池承接以斜向冲击射流形式进入的水舌，射流主流在高跌坎型消力池产生淹没射流和淹没水跃的混合流态，能量大幅耗散；

所述智能控制单元通过分析水位传感器的信号对高跌坎型消力池的工作状态进行控制。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中的差动式高挑坎和差动式低挑坎沿泄槽表面均按照齿-槽相间方式布置，差动式高挑坎和差动式低挑坎的齿-槽布置相互交错，齿的形状为宽度沿程增加的梯形，下泄水流流经差动式高挑坎和差动式低挑坎处时均发生纵向分离和横向扩展，在空中经过扩散、掺气过程，消耗部分能量，并且经差动式高挑坎挑射的水流在下落过程中与经差动式低挑坎挑射的水流在空中发生碰撞消能；

(2)本发明中的高跌坎型消力池的跌坎高度远高于传统消力池，在二道坝的挡水作用下高跌坎型消力池上游侧区域水位雍高，具备充足的水垫厚度，以淹没冲击射流进入高跌坎型消力池的水舌在直接冲击高跌坎型消力池底板之前就逐渐向下游偏折，流线弯曲转向，能量大幅度耗散，最终形成水平向流动，避免了传统挑流消能过程在消能工下游形成的冲刷坑，有利于保障水库大坝及消能结构的整体稳定性，进一步提高消能效果，同时，消力池长度缩短，消力池底部无需设置护坦，减小施工工程量，降低工程造价；

(3)本发明中的高跌坎型消力池设置有二道坝和副坝，能够在不同的下泄流量条件下保证淹没式水跃的消能效率，使得下泄水流能够充分消能，高跌坎型消力池下游侧水体与下游河道内水体平顺衔接，保证下游河道不受水流冲刷破坏，同时，高跌坎型消力池的尾坎处也不用设置海漫等消能防冲设施，减小施工工程量，降低工程造价；

(4)本发明中的智能控制单元通过分析水位传感器的信号，根据不同的泄流工况，调整高跌坎型消力池的工作状态，在满足泄水要求的基础上提高消能效果。

附图说明

图1是本发明差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统一较佳实施例的结构示意图；

图2是所述差动式高低坎挑流消能工的俯视图；

图3是所述差动式高挑坎的齿的立体结构示意图；

图4是所述高跌坎型消力池的俯视图；

图5是所述智能控制单元的结构框图；

附图中各部件的标记如下：1、泄流孔，2、泄槽，3、差动式高低坎挑流消能工，31、差动式高挑坎，32、差动式低挑坎，33、气孔，34、齿，35、槽，4、高跌坎型消力池，41、跌坎，42、尾坎，43、二道坝，44、第一闸门，45、副坝，46、第二闸门，47、第一水位传感器，48、第二水位传感器，5、智能控制单元，51、智能信号调理器，52、A/D信号转换器，53、PLC控制器，54、D/A信号转换器，6、下游河道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统，主要包括差动式高低坎挑流消能工3、高跌坎型消力池4、智能控制单元5。

所述差动式高低坎挑流消能工3位于泄流孔1下方的泄槽2表面，主要包括差动式高挑坎31、差动式低挑坎32。结合图2和图3，所述差动式高挑坎32位于泄槽2中下部，其距离泄槽2顶部的距离与距离泄槽2尾部的距离之比为3：2，其上表面设有沿着水流方向的气孔33、左右侧面均设有垂直于泄槽2表面的气孔33。差动式高挑坎32距离泄槽2底部更近，能够保证挑射碰撞水舌的入池距离不会距离跌坎太远。所述差动式低挑坎32位于泄槽2尾部，其上表面设有沿着水流方向的气孔33。所述气孔33能有效减轻高速下泄水流对差动式高挑坎31和差动式低挑坎32的空蚀破坏。差动式高挑坎31与差动式低挑坎32沿泄槽2表面以齿-槽相间方式布置，所述差动式高挑坎31与差动式低挑坎32包括多个齿34和槽35，齿34和槽35横向连续布置，所述齿34为具有特定挑角的挑流鼻坎，挑角角度与下泄水流流量、期望的挑距有关，根据工程规范要求，差动式高挑坎31和差动式低挑坎32的齿34的挑角均设置在5°—20°之间。齿34在泄槽2表面的投影为梯形，齿34的高度沿水流下泄方向逐渐增加，所述槽35为齿34左右两侧的泄槽2表面区域。在泄槽2表面沿着水流方向，所述差动式高挑坎31的齿34和槽35与差动式低挑坎32的齿34和槽35分别相互交错布置。

所述高跌坎型消力池4位于泄槽2的后部，主要包括由前至后分布的跌坎41、二道坝43、副坝45、尾坎42，跌坎41与泄槽2尾部相连，尾坎42与下游河道6相连，所述尾坎42为斜坡结构，有助于实现出池水流流速的均匀分布。结合图4，所述二道坝43位于高跌坎型消力池4中部，所述副坝45位于二道坝43与尾坎42之间，副坝45到二道坝43的距离与副坝45到尾坎42的距离之比为3：1。所述二道坝43顶部安装有第一闸门44，副坝45顶部安装有第二闸门46，跌坎41与二道坝43之间的高跌坎型消力池4左侧边壁上安装有第一水位传感器47，二道坝43与副坝45之间的高跌坎型消力池4左侧边壁上安装有第二水位传感器48。因下泄水流的水跃消能都应该尽量控制在二道坝43前完成，保证消能效率，在汛期时才会降下第一闸门44，升起第二闸门46，把水跃位置控制在二道坝43和副坝45之间；当下泄水流流量非常大时，这种工况无法保证消力池4内水体快速向下游排泄，才会降下第二闸门46进入第三工况，但此时消能效率会降低，所以为了让第一种工况适用的范围最大，二道坝43设在消力池4中部，为保证第二种工况的适用范围大于第三种工况，因此副坝45到二道坝43的距离与副坝45到尾坎42的距离之比为3：1。

具体的，所述二道坝43的高度高于副坝45高度，所述第二闸门46完全开启后的高度高于二道坝43高度，所述副坝45的高度高于尾坎42的高度，所述第一闸门44完全开启后的高度低于跌坎41的高度。所述第一水位传感器47安装在跌坎41与二道坝43之间的中央位置，第一水位传感器47的安装高度高于二道坝43的高度，所述第二水位传感器48安装在二道坝43与副坝45之间的中央位置，第二水位传感器48的安装高度高于副坝45的高度。

进一步的，所述第一水位传感器47和第二水位传感器48设置有不同的水压力阈值。第一水位传感器47的水压力阈值p₁为ρgh₁，第二水位传感器48的水压力阈值p₂为ρgh₂，其中ρ为水的密度，g为重力加速度，h₁为第一闸门44完全开启后的高度，h₂为第二闸门46完全开启后的高度。

结合图5，所述智能控制单元5安装在泄槽2下方的泄水建筑物内部，其主要包括依次相连的智能信号调理器51、A/D信号转换器52、PLC控制器53、D/A信号转换器54，第一水位传感器47、第二水位传感器48均与智能信号调理器51的输入端相连，D/A信号转换器54的输出端与第一闸门44、第二闸门46相连。所述第一水位传感器47与第二水位传感器48检测到的水位信号经智能信号调理器51调理后输出至A/D信号转换器52，A/D信号转换器52把检测到的模拟信号转换成PLC控制器53能够识别的数字信号，PLC控制器53根据已建立的函数模型输出脉冲信号，输出结果通过D/A信号转换器54转化为模拟信号来控制第一闸门44和第二闸门46执行启闭操作。具体的，PLC控制器53将水位传感器检测到的消力池水位值和设置阈值进行比较，输出脉冲信号，若规定高电平对应关闭闸门操作，当水位传感器检测到的消力池水位值超过设计阈值，则输出高电平，经D/A信号转换器54转换成模拟信号即可控制闸门关闭。

利用所述差动式高低坎挑流消能工-高跌坎型消力池系统的消能方法，具体包括以下步骤：

①初始，安装在二道坝43顶部的第一闸门44处于开启状态，安装在副坝45顶部的第二闸门46处于关闭状态，高跌坎型消力池4内存蓄有水体，二道坝43前方的高跌坎型消力池4上游侧水位低于二道坝43顶部第一闸门44完全开启后的高度，二道坝43后方的高跌坎型消力池4下游侧水位高于副坝45和尾坎42的高度，下游侧水体与下游河道6内水体平顺衔接，第一水位传感器47和第二水位传感器48的安装高度均高于各自所在安装位置处的水位，第一水位传感器47、第二水位传感器48和智能控制单元5处于待机状态；

②经泄流孔1下泄的高速水流沿着泄槽2表面向下游方向流动，当下泄水流流动到差动式高挑坎31所在位置时，水流发生纵向分离，一部分水流在差动式高挑坎31的齿34的作用下发生挑射，因为齿34沿着水流方向发生横向扩张，经齿34挑射的水流在空中发生更加显著地横向扩展，被挑起的水流在空中扩散、掺气、消耗一部分能量，另一部分水流经槽35沿着泄槽2表面继续下泄到达差动式低挑坎32，因为差动式高挑坎31和差动式低挑坎32的齿34-槽35布置相互交错，流动到差动式低挑坎32处的下泄水流大部分在差动式低挑坎32的齿34的作用下发生挑射，水流发生纵向分离，被挑起的水流水舌在空中扩散、掺气、消耗一部分能量，另外的小部分水流沿着差动式低挑坎32经槽35流入高跌坎型消力池4水体中；

③经差动式高挑坎31挑射的水流作类似于抛物线型运动，在达到挑射最高点后开始下落，在下落过程中与经差动式低挑坎32挑射的水流在空中发生碰撞消能，两股挑射水流发生碰撞后除边缘处水体因碰撞碎裂成众多细小的水股，以原来各股的射流轨迹线为外边界，成扇形落入高跌坎型消力池4水体外，两股挑射水流的主流融合为一条水舌，以斜向冲击射流形式跌入高跌坎型消力池4水体中；

④以斜向冲击射流形式跌入高跌坎型消力池4的水舌以淹没冲击射流的形式向高跌坎型消力池4的池底运动，入池水流与消能水体产生强烈的剪切作用，同时，射流主流两侧分别形成一个旋滚，通过强烈的紊动剪切和紊动扩散，射流主流流速大幅降低，动能快速耗散，在淹没冲击射流阶段，进入高跌坎型消力池4的水舌将耗散自身大部分能量；

⑤由于高跌坎型消力池4中设有二道坝43及第一闸门44，二道坝43前方的高跌坎型消力池4上游侧区域水位雍高，淹没冲击射流在水流紊动及旋滚导向作用下，射流主流在直接冲击高跌坎型消力池4底板之前就逐渐向下游偏折，流线弯曲转向，最终形成水平向流动，在二道坝43前形成淹没式水跃，主流在下方旋滚的卷吸和顶托作用下越过二道坝43顶部的第一闸门44，水流能量进一步耗散，经过以上多重消能，越过二道坝43顶部第一闸门44的水流汇入高跌坎型消力池4下游侧后不会造成下游侧水面的紊动，下游侧水体与下游河道6内水体平顺衔接，保证下游河道不受水流冲刷破坏；

⑥进入汛期，经泄流孔1下泄的水量会高于正常下泄水量，此时高跌坎型消力池4内的水位会大幅度升高，当二道坝43前水位接近二道坝43顶部第一闸门44完全开启后的高度时，水跃的淹没系数σ_j大幅度提高，水跃长度显著增加，在二道坝43前已无法形成淹没水跃，导致整个高跌坎型消力池4消能效果降低，此时的水位达到第一水位传感器47设定的水压力阈值，第一水位传感器47将表征水位信息的模拟信号通过专用线路传递至智能控制单元5，智能控制单元5在控制第一闸门44关闭的同时控制第二闸门46开启，高跌坎型消力池4内的部分水体越过二道坝43，高跌坎型消力池4内水位降低，射流主流在副坝45前发生淹没水跃，主流在下方旋滚的卷吸和顶托作用下越过副坝45顶部的第二闸门46，水流能量进一步耗散，经过多重消能，越过副坝45顶部第二闸门46的水流汇入高跌坎型消力池4下游侧后不会造成下游侧水面的紊动，下游侧水体与下游河道6内水体平顺衔接，保证下游河道不受水流冲刷破坏；

⑦在遭遇罕见规模洪水或突发性极端降水过程，水库水位暴涨，对大坝安全产生威胁时，需要快速泄洪，此时经泄流孔1将进行大规模、长时间泄流，短时间内下泄水量很大，高跌坎型消力池4内水位快速上涨，在执行第⑥步的操作后，副坝45前方水位依然接近或超过副坝45顶部第二闸门46完全开启后的高度，无法在副坝45前形成淹没式水跃，在高跌坎型消力池4内已无法对下泄水流进行充分消能，在这种状况下，应当将高跌坎型消力池4内水体快速排泄，避免因水位过高对大坝正常泄水产生影响，此时的水位达到第二水位传感器48设定的水压力阈值，第二水位传感器48将表征水位信息的模拟信号通过专用线路传递至智能控制单元5，智能控制单元5控制第二闸门46关闭，便于高跌坎型消力池4内水体快速向下游河道6排泄；

⑧在执行第⑥～⑦步过程中，第一水位传感器47和第二水位传感器48将表征水位信息的模拟信号通过专用线路传递至智能控制单元5，智能控制单元5控制第一闸门44和第二闸门46执行相应启闭操作的过程，均是经由智能信号调理器51接收，并由A/D信号转换器52将第一水位传感器47和第二水位传感器48发出的模拟信号转化为数字信号传输给PLC控制器53，PLC控制器53根据已建立的函数模型输出脉冲信号，输出结果通过D/A信号转换器54转化为模拟信号控制第一闸门44和第二闸门46执行相应启闭操作；

按照上述相应步骤，即可提高高速下泄水流的消能效果。

本发明通过挑流碰撞消能、紊动剪切和紊动扩散以及淹没水跃，显著提高消能效果，减轻高速下泄水流对下游河床的冲刷；同时，消力池长度缩短，消力池底部无需设置护坦，减小施工工程量，降低工程造价。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。