消力池内的挑流消能工

1.一种消力池内的挑流消能工，包括消力池(1)，其特征在于还包括在消力池(1)内设置的挑坎，该挑坎为沿水流方向剖面的三角形挑坎(2)；三角形挑坎将消力池分为前池(3)和后池(4)两个部分；其起挑位置在消力池长度的1/4～2/3之间。
2.根据权利要求1所述的消力池内的挑流消能工，其特征在于所述三角形挑坎(2)的底边(211)与其迎水边(212)的夹角(A)为5～45°。
3.根据权利要求1所述的消力池内的挑流消能工，其特征在于所述三角形挑坎(2)的底边(211)与其背水边(213)的夹角(B)为45°～90°。
4.根据权利要求1或2所述的消力池内的挑流消能工，其特征在于所述三角形挑坎(2)的底边(211)长度(l)占消力池(1)总长度的1/6～1/3。
5.根据权利要求1或2所述的消力池内的挑流消能工，其特征在于所述三角形挑坎横向宽度(b)和消力池(1)宽度相同，三角形挑坎垂向高度(h)为三角形挑坎底边(211)长度的1/8～1/4。

消力池内的挑流消能工 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种消力池内的挑流消能工，特别涉及一种消力池内的三角形挑坎的挑流消能工，属于工程水力学领域。 \n背景技术\n[0002] 水利工程中，在一些低坝泄洪洞、溢洪道及闸坝等泄水建筑物由于其出口能量较大，需要在其出口处设置消力池以消杀余能。水力学上所谓“消能”并非为将能量“消”掉，而是指能量的转换。常规消力池主要是利用池内产生水跃进行底流消能，也就是底流消能是利用消力池使下泄水流在泄水建筑物出口限定范围内产生水跃，水跃将上下游水流衔接，并通过水跃上下游水流产生表面剧烈的紊动漩滚作用使机械能转换为热能以达到消能的目的。底流水跃消能历史悠久，它能适应高、中、低各级水头和不同的地质条件下，以水跃型式与下游水流衔接，其水流流态稳定，消能效果也较好，因此底流消能工在水利工程中得到了广泛的应用[Katakam V.and Rama P.，Spatial B-Jump at sudden channelenlargements with abrupt drop，J.of Hydraulic Engineering，ASCE，Vol.124，No.6，June，1998.]。但它也存在不足之处，如常规消力池在消力池长度不足的情况，往往由于不能提供与共轭水深相匹配的下游水深而不能形成水跃；另外，过大的消力池其临底流速又常对消力池底板造成破坏。 \n[0003] 针对上面所述问题，在高水头、大流量的泄水建筑物上，采用表孔-底孔-消力池联合的新型消能工布置，如目前国内安康、五强溪、清江隔河岩等高坝枢纽水工建筑；对于大单宽流量低佛氏数水跃，可根据工程实际情况采用一级或多级消力池进行底流消能；对拱坝消力池的向心水流，也找到了一些特殊措施，如采用表孔加不对称的宽尾墩或在消力池中加“T”型墩，均可使水流恢复到均匀出流。为提高消能率，有效地保证水跃的产生，因而在工程应用当中出现了消力池内各式的辅助消能工，如消力坎、挖深式消力池、趾敦及T型墩等[Rajaratnam N，The forced hydraulic jump，Part 1 and Part 2，Water Power，Vol.16，No.1 and No.2，Jan.and Feb.，1964.倪汉根.宽尾墩-消力池的简化计算方法， 水利学报，第6期，1998年6月.江锋等.低佛氏数T型墩消力池设计及消能研究，水利学报，增刊，1998年1月.]。这些辅助消能工的使用尽管在多数工程中奏效，但同时也存在缺陷，一方面，消力池内布置的辅助消能工给自身和消力池带来的空蚀破坏等副作用也见明显[艾可明，底流消能的冲刷破坏和防治，泄水工程与高速水流，1995(3)。]，另一方面，布置的辅助消能工并没有解决消力池临底流速大的根本问题[王才欢，肖兴斌.底流消能设计研究与应用现状述评[J].四川水力发电，第1卷第1期，2000年3月]。 [0004] 挑流消能是泄水建筑物最常见的一种消能方式，这种消能方式就是在泄水建筑物下游端修建有一定仰角的挑流坎，利用下泄水流的巨大动能，将水流挑入空中，然后与降落在远离建筑物的下游与下游水流相衔接。其特点是：既能借助于自由射流在空气中的扩散掺气消能；又可利用水舌入下游水垫后淹没射流的紊动扩散及水股与两侧漩滚的剪切作用来消能。挑流消能的优点是可以节约下游护坦，构造简单，便于维修。 [0005] 许光祥等提出了纵向分级、横向差动的复式消力池[许光祥，崔予达，杨忠超.复式消力池在山区小水电中的应用研究[J].水力发电学报，第26卷第2期，2007年4月：\n87-92]，左侧主池纵向分为两级，右侧辅池适当抬高池底高程的两级差动式消力池，在重庆郁江斑竹园水电站消能工模型试验研究中达到较好的消能效果。但该体型的挡坎是一个常规挡坎，其相对于整个消力池尺寸较小，仅起到将消力池分为两级的作用，并没有起到挑流的作用。郭伟成针对普宁乌石拦河闸工程提出了多级消力池的概念[郭伟成.多级消力池的应用.西部探矿工程.总第98期2004(7)：11-12]，但每一级消力池都是一个完整的消力池，属于级联式。而且这种级联式消力池本身需要占用较大的空间，因而受到地形、地质条件的限制。 \n[0006] 综上所述，常规消力池，或者因为消力池尺寸过小而不能满足水跃的产生，不能满足充分消能的要求；或者又因为消力池尺寸过大占用空间也大，同时过大的消力池其临底流速常对消力池底板造成破坏；因此，常规消力池及其在消力池内布置的挑流消能工产生的消能效果不理想，如果在消力池内设置的挑流消能工能很好地解决以上所述问题，这正是本发明的任务所在。 \n发明内容\n[0007] 本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的缺陷，提出一种在保证较高消能率的基础上缩短消力池长度，从而节约工程造价；且构造简单，便于维修；并可大大增加水跃产生的单宽流量范围；以及在任何常规消力池内既可单独使用也可配合其他辅助消能工使用的三角形挑坎的挑流消能工。\n[0008] 为实现本发明的目的，本发明采用以下措施构成的技术方案来实现的。 [0009] 本发明消力池内的挑流消能工，包括消力池，按照本发明，还包括在消力池内设置的挑坎消能工，进一步地该挑坎消能工为沿水流方向剖面的三角形挑坎；该三角形挑坎将消力池分为前池和后池两个部分；其起挑位置可在消力池长度的1/4～2/3之间变化。 [0010] 上述技术方案中，所述三角形挑坎的底边与其迎水边的夹角为5～45°。 [0011] 上述技术方案中，所述三角形挑坎的底边与其背水边的夹角为45°～90°。 [0012] 上述技术方案中，所述三角形挑坎的底边长度占消力池总长度的1/6～1/3。 [0013] 上述技术方案中，所述三角形挑坎横向宽度和消力池宽度相同，三角形挑坎垂向高度为三角形挑坎底边长度的1/8～1/4。 \n[0014] 本发明消力池内设置的三角形挑坎消能工既可在消力池内单独使用，同时也可结合消力池内设置的其他辅助消能工使用，均能达到理想效果。 \n[0015] 本发明与现有技术相比具有以下的特点和有益技术效果： \n[0016] 1、本发明的挑流消能工可保证较在高消能率的基础上缩短消力池长度，有利于节约工程造价；或者在消力池长度相同时，仍能提高消能率。 \n[0017] 2、本发明的挑流消能工可大大增加水跃发生的单宽流量范围，因此消能效率高。 [0018] 3、本发明的挑流消能工采用三角形挑坎将一个完整的消力池分为前池和后池，其结构简单，且便于维修，同时克服了复式消力池没有起到挑流的缺陷。 [0019] 4、本发明的挑流消能工在消力池有限空间范围内设置的三角形挑坎，其占用空间较小，而使用范围广，且解决了级联式消力池占用空间大而受地形、地质条件限制的缺陷，本发明三角形挑坎在任何常规消力池内均可采用；也可配合消力池内其他辅助消能工使用。 \n[0020] 附图说明\n[0021] 图1本发明消力池内挑流消能工为三角形挑坎的立面示意图； \n[0022] 图2本发明消力池内挑流消能工为三角形挑坎的平面示意图； \n[0023] 图3本发明消力池内挑流消能工设置为三角形挑坎的池内水流流态示意图； [0024] 图4本发明的挑流消能工三角形挑坎在消力池内应用的一个实施例示意图； [0025] 图5为图4的实施例中消力池底板三维示意图。 \n[0026] 图中，1消力池，2三角形挑坎，211三角形挑坎底边，212三角形挑坎迎水边，213三角形挑坎被水边，A三角形挑坎底边与迎水边夹角，B三角形挑坎底边与背水边夹角，b三角形挑坎横向宽度，h三角形挑坎垂向高度，l三角形挑坎底边长度，3消力池前池，4消力池后池。 \n[0027] 具体实施方式\n[0028] 下面结合附图及工作原理并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以下描述了当前所考虑到的用于执行本发明的最佳实施例，旨在描述本发明的一般原理及三角形挑坎构成情况；但并非意味着对本发明保护范围的任何限定。 \n[0029] 本发明的图1中，在消力池1内设置的挑流消能工为三角形挑坎2，三角形挑坎2的底边211长度占消力池总长度的1/6～1/3，三角形挑坎的迎水边为212，三角形挑坎的背水边为213；三角形挑坎底边211与三角形挑坎迎水边212的夹角A角度可在5～45°之间改变；三角形挑坎底边211与三角形挑坎背水边213的夹角B角度可在45～90°之间改变；三角形挑坎高度h为三角形挑坎底边211长度l的1/8～1/4。 \n[0030] 本发明图2的平面图中可知，三角形挑坎宽度b和消力池1宽度相同。 [0031] 本发明消力池内的三角形挑坎消能工，其池内水流消能原理如图3所示。当三角形挑坎消能工应用于水利工程时，泄洪建筑物出口的射流在三角形挑坎迎水面的反射与挑流使得消力池内紊动和回流更为激烈；由于三角形挑坎将整个消力池分为前池3和后池4两个消力池，这样使得水跃在较大单宽流量范围内均能稳定形成，单宽流量较小时，水跃消能可能在前池内已经充分，后池作为水垫塘有效地保护了下游护坦段；单宽流量较大时，则前后两个消力池均发挥作用，底部形成的回流和水垫有效地降低了临底流速及出池流速，从而大大提高了消能率。 \n[0032] 实施例 \n[0033] 图4为本发明在某一水力工程中，消力池优化水力学模型试验中采用在消力池内设置三角形挑坎2消能工的实例，在结构上，消力池1与三角形挑坎2制造成一个连续的整体。三角形挑坎2将消力池分为前池3和后池4两部分，其中三角形挑坎沿水流方向长度为l＝20m，约为消力池总长度的0.3倍，底边211与迎水边212夹角A＝10°，背水边\n213与底边夹角B＝80°，三角形挑坎垂向高度h＝3m，为其底边长度的0.15倍，三角形挑坎横向宽度b与消力池宽度相同，为30m，其起挑位置距离消力池进口30m，约为消力池长度\n1/3。 经实验结果表明，在消力池内增加了三角形挑坎后，能够形成稳定的水跃，跃首位置稳定在洞口下游10m范围内，池内水流紊动剧烈，消能效果显著；水流冲击到三角形挑坎面上形成反射，水花翻腾；挑坎后也形成了回流，水垫较深，有效地保护了消力池底板。如果采用常规消力池，则消力池长度约需要130m，增加了三角形挑坎后，消力池长度缩短为87m，不但有效地解决了地质条件对消力池尺寸的限制问题，而且在各级流量下消力池消能效果和流态均非常好。因此，本发明可在常规消力池内直接设置三角形挑坎消能工，亦可在消力池内有其它辅助消能工的基础上再增设三角形挑坎消能工，均能达到理想效果。