收缩泄槽水流折冲水翅减免的体型结构及其布置方法

摘要

本发明涉及一种收缩泄槽水流折冲水翅减免的体型结构及其布置方法，属于水利水电工程领域。减免收缩泄槽折冲水翅的体型结构由多级曲线形台阶单元组成，每级台阶由多个台阶单元组成，台阶单元末端边界采用曲线形或多边形，排成“一”字形，垂直泄槽水流流向布置。本发明基于底部介入技术，通过对底层水流适度调控，重构过坎流动力条件，促使连续急流形成多股波浪状落点，坦化收缩水流急流冲击波，抑制形成折冲水翅的必要条件，同时可以增加水体紊动，减免折冲水翅。在不改变表层水流整体平顺过渡的前提下，达到了重构收缩水流横向动量均衡分布、消除折冲水翅不良流态的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，具体涉及一种收缩泄槽水流折冲水翅减免的体型结构及布置方法。

背景技术

溢洪道是水利水电工程常用的宣泄洪水的泄洪建筑物，在保证工程安全与发挥工程效益中发挥至关重要的作用，其体型与布置对电站安全运行至关重要，若设计不当，可能会造成结构破坏与经济损失，甚至发生安全事故。目前，我国水利水电开发进一步向高山峡谷地区推进，该地区溢洪道的设计多面临复杂的地形地质条件(如地质缺陷、高陡边坡、狭窄河谷等)，给溢洪道的设计提出了更高的要求。

为了适应这种复杂的地形地质条件，并节省工程投资，工程上很难采用“等宽”泄槽的结构布置形式，出现宽窄泄槽过渡的布置方式，一般采用逐渐收缩的“收缩段”衔接，本文称为“收缩泄槽”。下泄高速水流经过收缩泄槽时，高速水流受边界约束常常在收缩段产生水流冲击波，冲击波易引起泄槽内水深、流速与动量横向分布不均、不稳，恶化泄槽内水流流态，在交汇处容易形成水体激溅，水体高出水面而形成折冲水翅，流态不佳时水体甚至飞出边墙，危及工程安全。

如何消除或减缓收缩泄槽段水流折冲水翅是溢洪道等泄槽设计常常面临的关键共性问题。目前消除收缩泄槽段折冲水翅的方法主要有：

(1)在地形地质条件允许的情况下，可通过减小收缩泄槽段的收缩角减缓折冲水翅强度；

(2)在收缩泄槽内布设多个隔墩，将收缩泄槽分割为多个收缩流道，使每个收缩流道的收缩角小于收缩段的总收缩角，以达到减缓水翅强度的目的。

(3)在水翅形成区域设置潜没式整流墩，改变水翅发生处局部水力条件，消除折冲水翅。

发明内容

发明目的：本发明提出一种收缩泄槽水流折冲水翅减免的体型结构，并进一步提出一种基于上述体型结构的收缩泄槽水流折冲水翅布置方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：第一方面，提出一种收缩泄槽水流折冲水翅减免的体型结构，该体型结构包括泄槽底板、泄槽侧墙、收缩泄槽起点、台阶单元。泄槽底板的一段等宽、一段以预定角度向内收缩，水流从等宽段进入、沿收缩段流出；泄槽侧墙沿水流方向设置在泄槽底板的两侧；台阶单元有多级，并且沿水流方向阵列布置在所述泄槽底板上；收缩泄槽起点位于泄槽底板的等宽段和收缩段的结合处。本发明基于底部介入技术，通过在泄槽底板布设潜没式的多级台阶单元，对底层水流适度调控，重构过流水动力条件，促使连续水流形成多股鱼鳞状水流簇，抑制折冲水翅的初生与发展。在不改变表层水流整体平顺过渡的前提下，使得收缩段水流均衡过渡，达到重构收缩段水流横向动量分布、消除折冲水翅等不良流态的目的。

在第一方面的优选实施例中，台阶单元布置于泄槽底板，每级台阶由多个台阶单元组成，排成“一”字形，垂直泄槽水流流向布置。

在第一方面的优选实施例中，台阶单元末端采用圆弧形或多边形，所述台阶单元末端台阶高度为h，h/H＝0.5～2.0，其中H为台阶过流水深；圆弧或多边形半径为R，R≈B

第一级台阶起始断面距离收缩泄槽起点间距为L

在第一方面的优选实施例中，台阶单元末端边界采用圆弧形或多边形，采用多边形时边数不小于6。

在第一方面的优选实施例中，该体型结构的第一级台阶单元个数为10～15个，下游各级台阶单元数量依次递减1个或3个。

在第一方面的优选实施例中，采用3～5级台阶单元组合布置，泄槽体型轴对阵时，台阶单元沿对称轴对称布置，各级台阶单元相互交错布置。

第二方面，提出收缩泄槽水流折冲水翅的布置方法，泄槽水流经过台阶时形成跌流，由于台阶单元末端为圆弧形或多边形边界，过台阶水流落点前后错位，在第一级台阶单元后形成与台阶末端形态相似的鱼鳞状落点。台阶前水流水面较为均匀，且冲击波强度大，较为明显，而经过第一级台阶的整流和消能，台阶后水流的水面为多股强度较弱的冲击波，原收缩引起的冲击波也逐渐坦化，水深整体增加，流速减小，使得台阶后水流流速和动量重新均衡分布。水流经过第二级台阶时，由于第二级台阶与第一级台阶交错布置，故而第一级台阶后的水流落点的凸点与后一级台阶边界的凹点相衔接，水流落点的凹点与后一级台阶边界的凸点相衔接，水流动量得到第二次重新调整，水流横断面的原冲击波进一步弱化。同理，通过后面几级台阶的逐渐调整，逐渐消除原冲击波，同时增强了水流紊动，达到了动量横向均衡分布，抑制折冲水翅形成的必要条件，从而减免收缩泄槽内集中的折冲水翅现象。

本发明涉及的收缩泄槽水流折冲水翅减免的体型结构，具有如下有益效果：

1、通过泄槽底板设置凸形台阶单元，台阶后水流落点分布与台阶边界形态相似，重构过台阶水流动力条件，设置凸形台阶单元时水流落点横向呈波浪状分布，落点的凸点和凹点交错分布，有整流和消能的作用，增加水体紊动，调整急流流态。

2、多级台阶交错布置，对收缩水流和急流冲击波沿程接力调整，逐渐重构水流动力条件，实现水流横向均衡分布，抑制折冲水翅行成的必要条件，有效减免折冲水翅的初生与发展。

附图说明

图1为收缩泄槽折冲水翅形成的俯视图。

图2为收缩泄槽折冲水翅形成的侧视图。

图3为本发明中减免收缩泄槽折冲水翅的体型结构示意图。

图4为本发明中减免收缩泄槽折冲水翅的布置方式示意图。

图5为单级台阶单元(圆弧形)体型结构示意图。

图6为实施例中某水电站溢洪道收缩泄槽采用圆弧形台阶体型结构及布置方法的俯视图。

图7为实施例中某水电站溢洪道收缩泄槽采用圆弧形台阶体型结构及布置方法的侧视图。

图中各附图标记为：底板1、侧墙2、收缩泄槽起点3、台阶单元(圆弧形)4、水流簇5。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例一：

收缩泄槽由底板1和两侧侧墙2组成，高速水流流过收缩泄槽时，由于侧墙2收缩，由收缩泄槽起点3形成冲击波，冲击波交汇处水流激溅，形成折冲水翅，见图1和图2。

本发明基于底部介入技术，通过在泄槽底板1布设潜没式的多级圆台台阶4，对底层水流适度调控，重构过流水动力条件，促使连续水流形成多股“V”型水流簇，抑制折冲水翅的初生与发展。在不改变表层水流整体平顺过渡的前提下，使得收缩段水流均衡过渡，达到重构收缩段水流横向动量分布、消除折冲水翅等不良流态的目的。

本实施例的具体技术方案见图3、图4。收缩泄槽长度为L，流道宽度由B

减免收缩泄槽折冲水翅的体型结构由多级台阶组成，布置于泄槽底板1，每级台阶由多个台阶单元组成，排成“一”字形，垂直泄槽水流流向布置。

所述台阶单元末端采用圆弧形、曲线形或多边形，见图5，所述台阶单元末端台阶高度为h，h/H＝0.5～2.0，其中H为台阶过流水深；圆弧或多边形半径为R，R≈B

第一级台阶起始断面距离收缩泄槽起点3间距为L

台阶单元末端边界采用圆弧形、曲线形或多边形，采用多边形时边数不小于6。台阶单元表面为平坡。该体型结构的第一级台阶单元个数为10～15个，下游各级台阶数量依次递减1个或3个。该体型结构采用3～5级台阶组合布置，沿泄槽轴线对称布置，各级台阶相互交错布置。

实施例二：

收缩泄槽折冲水翅形成的根本原因在于边界收缩引起的急流冲击波，急流冲击波交汇形成折冲水翅现象。本发明提出的多级台阶体型结构和布置方法可以有效分散集中的冲击波，改变冲击波形成和发展的初生条件，坦化冲击波强度，减免折冲水翅。

在实施例一的基础之上，实施例二提出收缩泄槽水流折冲水翅的布置方法，泄槽水流经过台阶时形成跌流，由于台阶单元末端为圆弧形或多边形边界，过坎水流落点前后错位，在第一级台阶后形成与台阶末端形态相似的波浪状落点。坎前水流水面较为均匀，且冲击波强度大，较为明显，而经过第一级台阶的整流和消能，台阶后水流的水面为多股强度较弱的冲击波，原收缩引起的冲击波也逐渐坦化，水深整体增加，流速减小，使得台阶后水流流速和动量重新均衡分布。水流经过第二级台阶时，由于第二级台阶与第一级台阶交错布置，故而第一级台阶后的水流峰状落点与后一级台阶的谷边界相衔接，水流谷状落点与后一级台阶的峰边界相衔接，水流动量得到第二次重新调整，水流横断面的原冲击波进一步弱化。同理，通过后面几级台阶的逐渐调整，逐渐消除原冲击波，同时增强了水流紊动，达到了动量横向均衡分布，抑制折冲水翅形成的必要条件，从而减免收缩泄槽内内集中的折冲水翅现象。

实施例三：

某水电站溢洪道采用正堰式溢洪道，为了适应当地地形地址条件，溢洪道泄槽采用“收缩泄槽+等宽泄槽”体型，总长237.24m。泄槽收缩段长115.00m，起始断面宽度30m，结束断面宽度10m，边墙收缩角为5°，底坡坡比为1:9.076，边墙高2.88m。不同过流量时，泄槽内均产生了折冲水翅，最大流量时(252.3m

将本发明应用于本工程，验证了本发明的有效性，实施例三的实施方式如下：

如图6、图7所示，本实施例共在收缩泄槽段布置了3级圆台台阶4，第一级台阶两侧紧贴溢洪道边墙，每级台阶均沿泄槽中轴线镜像布置。

第一级台阶半圆单元个数为12个，此后台阶分别为11和10个。第一级台阶距离收缩起始断面的距离L

台阶半圆单元半径R为1.2m，台阶沿流向长度为L

溢洪道泄流量为252.3m

采用本发明技术方案后，泄槽收缩段水流整体平稳，泄槽前后水流衔接平顺，消能效果较好，减免了槽面集中水翅的现象，保证了工程运行安全。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。