專利名稱：水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利工程領(lǐng)域，尤其是一種水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著我國山區(qū)性河流水力資源的逐步開發(fā)，我國水電工程建設(shè)事業(yè)發(fā)展進 入了高潮階段，尤其是在西部山區(qū)修建了大量的中小型水電站。天然河道中的水流一般多 屬于緩流，單寬流量沿河寬方向的分布較均勻。但當(dāng)河道中修建了壩、閘等泄水建筑物后， 河道中流動條件發(fā)生了較大變化，下泄水流(比未建壩前的水流)流速大，水流能量大，對 下游河床具有較大破壞力。這個問題在實際工程中如果解決不好，不僅將在下游河床產(chǎn)生 嚴(yán)重的沖刷、河道淤積，而且會造成惡劣的流態(tài)，影響樞紐中其他建筑物的正常運行，甚至 會危及大壩的安全。因此，采取有效的工程措施，人為地控制泄水建筑物下游水流的銜接與 消能，以確保建筑物的安全是十分必要的。在山區(qū)河流峽谷地帶興建中小型水電站時，為了方便水工建筑物布置需要，常常 考慮修建溢洪道來泄放水庫中多余水量。溢洪道中高速水流下泄到水電站下游河床時需要 進行消能。而山區(qū)河流往往具有河谷狹窄，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，洪水暴漲暴落，流量和水位 變幅大，河床組成多為砂卵石或基巖等特點。因此，山區(qū)河流的上述特點，給溢洪道消能方 式的選擇、布置、設(shè)計帶來相當(dāng)大的難度，泄洪消能問題也變得復(fù)雜多變，成為了工程設(shè)計 中必須慎重考慮的關(guān)鍵性技術(shù)問題。現(xiàn)有的水電站消能方式常常有以下幾種，一種是采用挑流消能的方式，在泄洪建 筑物末端設(shè)置挑流鼻坎，將泄放的高速水流導(dǎo)向下游離泄水建筑物較遠的位置，跌落水流 沖刷河床形成一個沖刷坑，大部分能量在沖坑水墊中紊動剪切消散。雖然挑流消能因具有 結(jié)構(gòu)型式簡單，可以有效控制射流落入下游河床的位置、范圍和流量分布，對尾水變幅適應(yīng) 性強，工程量小等優(yōu)點成為工程應(yīng)用最廣泛的消能方式，但在工程實踐中它也存在如下缺 點下游局部沖刷問題較嚴(yán)重，堆積物較多，尾水波動與霧化都比較大。尤其是山區(qū)河流中 的峽谷河道存在高陡邊坡的穩(wěn)定問題，如果岸邊存在如松散崩滑體等不利地質(zhì)條件時，也 常常造成岸坡失穩(wěn)崩滑等現(xiàn)象產(chǎn)生。另外一種常見的消能工型式為在泄水建筑物下游人工設(shè)置消力池。其消能機理 為通過在消力池中形成水躍，將泄水建筑物泄出的急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，以消除多余動能的?能方式。消能主要靠水躍產(chǎn)生的表面漩滾水流與底部主流間的強烈紊動、剪切和混摻作用。 采用修建消力池進行消能的方式，往往具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果較好、對地質(zhì)條件和尾水變 幅適應(yīng)性強以及水流霧化很小等優(yōu)點，但是在山區(qū)河流修建水利樞紐工程時，根據(jù)前述山 區(qū)河流存在的特點常常面臨著修筑護坦較長，建筑物的布置空間不足，土石方開挖量和混 凝土方量較大，工程造價較高等問題。所以如何設(shè)計出一種實施成本便宜、消能效果好且便于在峽谷地帶河道較窄的山 區(qū)河流水電站實施應(yīng)用的消能技術(shù)，即成為本領(lǐng)域一直未解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種工程 造價低、消能效果良好且特別適用于山區(qū)水電站中實施的水電站岸坡_自然消力池聯(lián)合消 能方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明中采用了如下的技術(shù)方案一種水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法，其特點在于，在水電站溢洪道出水 口下方設(shè)置一個坡度小于70°的梯形岸坡，岸坡下端直接與河床相接，令溢洪道出水口河 水從岸坡流下減小單寬流量后在河床邊緣處沖刷出一自然消力池，水流在自然消力池內(nèi)產(chǎn) 生漩滾水流，通過水流的強烈紊動、剪切、混摻作用消散水流的大部分能量，使消能后溢出 水流流速減至河床允許的抗沖流速范圍內(nèi)，這樣即令溢洪道下泄集中水流經(jīng)岸坡和自然消 力池聯(lián)合消能后歸順天然河道。本方法中，岸坡可由天然岸坡平整襯砌而成，使其坡度小于70°可有效減緩岸坡 中水流速度，同時在岸坡建筑布局實際情況允許的范圍內(nèi)可使其坡度盡量減小，岸坡設(shè)置 為上窄下寬的梯形，兩側(cè)可設(shè)置擋水墻約束水流，溢洪道出水口水流經(jīng)過梯形岸坡下流，從 而減小了下泄水流的單寬流量，下泄水流在電站下游河床中靠近岸坡邊緣處沖擊河床形成 一沖刷坑，該沖刷坑作為自然消力池可令下泄水流在其內(nèi)形成水躍，靠水躍產(chǎn)生的漩滾水 流在自然消力池內(nèi)的強烈紊動、剪切和混摻作用進行消能。由于該自然消力池直接位于河 床內(nèi)，故可有效地節(jié)省了建筑物布置空間；同時由于岸坡是上窄下寬的梯形設(shè)置，可更加有 效地減小下泄水流單寬流量，水流能量分散，因此沖刷形成的自然消力池?zé)o論在深度和范 圍上都比較小，且能在自然消力池中消散掉下泄水流的大部分能量，不會因單寬流量過大、 能量集中而造成沖擊河床形成的沖刷坑范圍和深度過大，下游河床堆積物多，河床形態(tài)巨 變并對兩岸岸坡穩(wěn)定構(gòu)成威脅的現(xiàn)象，保證自然消力池的消能效果。確保水流從自然消力 池充分消能溢出后，水流流速降低到河床所允許的抗沖流速范圍內(nèi)，水面流態(tài)良好，不會影 響下游河勢穩(wěn)定及岸邊建筑物的安全運行。作為優(yōu)化，在大壩溢洪道出口段也應(yīng)設(shè)計成斷 面寬度逐漸增大的結(jié)構(gòu)形式，可將集中水流初步分散，減小下泄水流單寬流量。上述方案中，岸坡出口處兩擋水墻之間的距離，即該處過水?dāng)嗝鎸挾鹊拇_定，可根 據(jù)單寬流量的大小初步確定，采用公式(l)B = Q/q來確定，式中B-岸坡出口處過水?dāng)嗝鎸?度，Q"洪水流量，Q"單寬流量。單寬流量大小的選擇主要依賴于允許的下游河床沖刷坑深 度的大小。因為沖刷坑的深度與單寬流量、上下游水位差、入水角度、下游水深以及沖坑部 位地質(zhì)條件等因素有關(guān)，因此，可根據(jù)沖坑部位地質(zhì)條件情況，首先確定出允許的下游河床 沖刷坑深度值，再根據(jù)下面的估算公式(2)反求出單寬流量的大小。^=2.4^-—1~~^--0.75、(2)式中，ts-沖刷坑深度，m ；ht-沖刷坑后的下游水深，m ；n-為反映流速脈動的某一系數(shù)值，可取1. 5 2. 0 ；vt-下游水面流速，m/s ；q-單寬流量，m3/ (m s)；河床顆粒的水力粗度，m/s ； 水流入水角度；水流經(jīng)過岸坡初次消能后以一定的入水角度(與岸坡傾斜角度一致)直接沖擊河 床，在岸坡底部河床位置形成沖刷深度較小的局部沖刷坑，該沖刷坑作為自然消力池進行消能，水流在沖刷坑內(nèi)不斷沖擊碰撞坑內(nèi)砂石并形成較大的漩滾，利用沖刷坑內(nèi)漩滾水流 的強烈紊動、混摻、剪切作用而消散掉水流的大部分能量。沖刷坑在平面形態(tài)上沿河床縱向 呈帶狀。由于單寬流量的減小和經(jīng)過消能岸坡的初次消能，河床中形成的局部沖刷坑無論 在深度和沖刷范圍上都比較小，不會對對岸岸坡造成沖刷破壞，且沖刷坑后溢出的堆積物 較少，在下游河床中沒有出現(xiàn)泥沙淤塞河道和威脅沿岸建筑物安全的現(xiàn)象。作為上述方法的改進，可在岸坡上橫向設(shè)置多排消力墩，消力墩直接垂直錨固在 岸坡上，令岸坡上水流向下流動時依次與各排消力墩碰撞、摻氣并強烈紊動進行消能。這 樣，下泄水流在岸坡上即通過與消力墩的碰撞造成水流強烈紊動剪切作用初步消散水流能 量，故可大大提高整體消能效果。作為進一步的改進，在設(shè)置消力墩時，可使消力墩設(shè)置的高度處于在溢洪道最大 泄洪量時使消力墩恰好被淹沒狀態(tài)，使下泄水流正面沖擊單個消力墩后能從其兩側(cè)形成分 散水流同時能從其頂部形成短距離挑射水流；使每排消力墩分散和挑射的每股水流在岸坡 上相互碰撞摻氣摩擦再不斷地與后排消力墩發(fā)生碰撞進行消能。這樣，可進一步提高消力 墩的消能效果。
另外，本方法中采用的消力墩還可以作如下優(yōu)化，將所述消力墩沿橫向和豎向均 設(shè)置為整齊的排狀；消力墩的橫向間距為單個消力墩橫向?qū)挾鹊? 4倍，縱向間距為消力 墩高度的2 3倍。這樣，可以使每一個消力墩正面所受到的水流恰好沿其兩側(cè)跌落到其兩 側(cè)的下一排消力墩上，故可最大化地增加水流與消力墩撞擊機會，最大化地消除水流動能。 同時，使所述消力墩縱斷面形狀設(shè)置為直角梯形，消力墩迎水受力面與岸坡垂直，消力墩垂 直錨固在岸坡上。相鄰消力墩側(cè)面可保持平行，消力墩迎水面盡量與來流方向垂直，保證水 流正面沖擊消力墩，使每個消力墩的消能效果最大化，同時又保證了消力墩的穩(wěn)固性。在消 力墩布置時，可使所述消力墩縱向方向與泄流方向一致，或者盡量一致，這樣可保證水流正 面沖擊碰撞消力墩，優(yōu)化消能效果；同時，可在水流比較密集的地方加密布置，增加水流與 消力墩碰撞次數(shù)，增強水流的紊動程度，使其充分混摻耗散能量，提高消能效果；在分散水 流量比較稀疏的地方可以適當(dāng)減小消力墩的布置密度，節(jié)約成本的同時，也不會對河床造 成強烈的局部沖刷。一般沿溢洪道泄槽中心主流線位置流出的水流較為集中，而偏離主流 線位置的分散水流量較少。這樣將岸坡上消力墩自身結(jié)構(gòu)和布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可使得岸坡 對下泄水流起到減小單寬流量作用的同時，還可使岸坡自身達到最大化的消能效果。綜上所述，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本方法具備以下優(yōu)點1、本發(fā)明方法采用了岸坡和自然消力池聯(lián)合消能的方式，由直接與河床相接的梯 形岸坡來減小下泄水流單寬流量，同時在岸坡上設(shè)置消力墩進行初步消能；再由岸坡下端 河床內(nèi)直接沖刷出的自然消力池進行底流消能，消散下泄急流的多余能量，使水流流速減 小至天然河道允許的范圍內(nèi)，水面流態(tài)較好，河勢穩(wěn)定，且河道岸坡穩(wěn)定，消能效果良好。2、本發(fā)明方法實施時，岸坡只需利用天然坡岸平整襯砌即可得到，自然消力池可 由岸坡下泄水流自然沖刷河床得到，消力墩也只需采用混凝土筑造，工程開挖量小，故具備 實施成本便宜的優(yōu)點。同時由于自然消力池直接在河床內(nèi)沖刷得到，故降低工程造價的同 時還有效地節(jié)約了建筑布局空間，使其特別適合在峽谷地帶河道較窄的山區(qū)河流的水電站 中實施應(yīng)用。3、本方法中，在岸坡中設(shè)置的消力墩，優(yōu)化了自身結(jié)構(gòu)和布置結(jié)構(gòu)，使其能起到最大化的消能效果。


附圖1是實施本發(fā)明制得的消能結(jié)構(gòu)的縱斷面結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是實施本發(fā)明制得的消能結(jié)構(gòu)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。一種水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法，實施時如圖1和圖2所示，在水電站 溢洪道出水口下方設(shè)置一個坡度小于70°的梯形岸坡3，岸坡3由天然岸坡平整襯砌而成， 岸坡3下端直接與下游河床2相接，令溢洪道出水口流出的水流從岸坡3流下減小單寬流 量后在下游河床2中的邊緣處沖刷出一自然消力池6，溢洪道出水口流出的水流經(jīng)岸坡3和 自然消力池6聯(lián)合消能后順河床2下泄。實施時在岸坡上還橫向設(shè)置有多排消力墩4，消力 墩4為混凝土制得的墩狀體，直接垂直錨固在岸坡3上，令岸坡3上水流向下流動時依次與 各排消力墩4碰撞進行消能；在設(shè)置消力墩4時，可使消力墩4高度處于在溢洪道最大泄洪 量時使消力墩4恰好被淹沒狀態(tài)，使下泄水流正面沖擊單個消力墩4后能從其兩側(cè)形成分 散水流同時能從其頂部形成短距離挑射水流；使每排消力墩4分散和挑射的每股水流在岸 坡3上相互碰撞摻氣摩擦再不斷地與后排消力墩發(fā)生碰撞進行消能。其中，所述消力墩4布置為沿橫向和豎向均呈整齊的排狀設(shè)置；消力墩4的橫向間 距為單個消力墩橫向?qū)挾鹊? 4倍，縱向間距為消力墩高度的2 3倍；消力墩4縱斷面 形狀為直角梯形，消力墩4迎水受力面與岸坡3垂直，相鄰消力墩側(cè)面為平行設(shè)置，這樣可 使消力墩消能效果最大化。在岸坡3兩側(cè)設(shè)置有擋水墻5。擋水墻5可將下泄水流約束在 其內(nèi)，使其與各排消力墩4不斷碰撞從而進行消能。同時，大壩溢洪道出口段1也設(shè)置為過 水?dāng)嗝鎸挾戎饾u增大的形式，起到初步減小水流單寬流量的作用。另外，實施時，所述消力墩縱向方向可與泄流方向一致，或者盡量一致，這樣可保 證水流正面沖擊碰撞消力墩，優(yōu)化消能效果。消力墩布置時，可在水流比較密集的地方加密 布置，增加水流與消力墩碰撞次數(shù)，增強水流的紊動程度，使其充分混摻耗散能量，提高消 能效果；在分散水流量比較稀疏的地方可以適當(dāng)減小消力墩的布置密度，節(jié)約成本的同時， 也不會對河床造成強烈的局部沖刷。一般沿溢洪道泄槽中心主流線位置流出的水流較為集 中，而偏離主流線位置的分散水流量較少。
權(quán)利要求
一種水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法，其特征在于，在水電站溢洪道出水口下方設(shè)置一個坡度小于70°的梯形岸坡，岸坡下端直接與河床相接，令溢洪道出水口水流從岸坡流下減小單寬流量后，在河床邊緣處沖刷出一自然消力池，水流在自然消力池內(nèi)產(chǎn)生漩滾水流，通過水流的強烈紊動、剪切、混摻作用消散水流的大部分能量，使消能后溢出水流流速減至河床允許的抗沖流速范圍內(nèi)，這樣即令溢洪道出水口水流經(jīng)岸坡和自然消力池聯(lián)合消能后順河床下泄。
2.如權(quán)利要求1所述的水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法，其特征在于，在岸坡上 橫向設(shè)置多排消力墩，令岸坡上水流向下流動時依次與各排消力墩撞擊進行消能。
3.如權(quán)利要求2所述的水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法，其特征在于，使下泄水 流正面沖擊單個消力墩后能從其兩側(cè)分散水流同時能從其頂部形成短距離挑射水流；使每 排消力墩分散和挑射的每股水流在岸坡上相互碰撞、摻氣、剪切再不斷地與后排消力墩發(fā) 生碰撞進行初步消能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水電站岸坡-自然消力池聯(lián)合消能方法，其特點在于，在水電站溢洪道出水口下方設(shè)置一個坡度小于70°的梯形岸坡，岸坡下端直接與河床相接，令溢洪道出水口水流從岸坡流下減小單寬流量后在河床邊緣處沖刷出一自然消力池，溢洪道出水口水流經(jīng)岸坡和自然消力池聯(lián)合消能后順河床下泄。本方法中，岸坡可由天然岸坡平整襯砌而成，岸坡設(shè)置為上窄下寬的梯形，溢洪道出水口水流經(jīng)過梯形岸坡下泄，從而減小了下泄水流的單寬流量，下泄水流在電站下游河床中靠近岸坡邊緣處沖擊河床形成一沖刷坑，該沖刷坑作為自然消力池可令下泄水流在其內(nèi)形成水躍消能，消能效果好且可有效地節(jié)省了建筑物布置空間。
文檔編號E02B8/06GK101831891SQ20101014245
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者劉漢天, 張艾文, 楊勝發(fā), 胡鵬飛, 許俊杰, 金龍 申請人:重慶交通大學(xué)