拱坝泄洪消能结构 【技术领域】
本发明涉及一种水利水电工程中的泄洪消能结构，尤其是涉及一种峡谷地区高混凝土拱坝的泄洪消能结构。
背景技术
目前，为适应峡谷地区通过坝身宣泄大流量的要求，高混凝土拱坝通常采用“水舌碰撞与水垫塘消能型式”这种坝身泄洪消能结构，其主要消能原理是：在大坝下游设二道坝形成水垫塘，通过合理布置坝身各层孔口，使下泄水流分层和大差动出流，不同层出流水股在空中碰撞分散与消能，尽可能的增加入水射流的分散度，减轻下泄水流对河床底部的冲刷破坏能力；坝身孔口一般布置上、下两层，上层孔口一般为溢流表孔，常用下跌式布置，使出流水形成跌流；下层孔口尾部常用上翘式布置，使出流水形成挑流；上、下两层孔口动出流水股在空中形成大差动，分层入水，并与表层水舌在空中碰撞，增加水舌的分散程度并增加在空中的消能，提高消能效率，减轻下游冲刷。
这种泄洪消能结构较好的解决了峡谷地区需坝身宣泄大流量的高混凝土拱坝泄洪消能问题，国内大型拱坝工程，如二滩水电站、小湾水电站、溪落渡水电站、构皮滩水电站均采用这种泄洪消能结构。但同时因上、下层孔水股的空中碰撞，产生大量水雾，造成严重的泄洪雾化现象。泄洪雾化形成的暴雨，影响电厂、开关设备的正常运行，在一些工程中，已经出现水电站被淹，线路跳闸，飞石砸坏开关设备的情况。泄洪雾化区大雨如注，能见度低，时常伴随风速10m/s以上的大风，影响两岸交通。雾化形成的降水浸入岩体后降低岩体的抗滑能力，影响大坝和下游岸坡稳定，诱发滑坡，这种影响在拱坝两岸地质条件较差的情况下尤为突出。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效降低泄洪雾化，且能满足峡谷地区通过坝身宣泄大流量要求的高混凝土拱坝泄洪消能结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该拱坝泄洪消能结构，通过在坝身上设置有上层孔口和下层孔口，使下泄水流分层和大差动出流，在大坝的下游设置有二道坝形成水垫塘，其特征是：上层孔口采用窄缝下跌式出流，上层孔口和下层孔口的出流水股在空中不碰撞。上层孔口采用窄缝下跌式出流，孔口未端过水断面急剧收缩，使出流水股在纵向拉长，横向变窄。通过合理布置上、下层孔口的位置、型式和出流角度，使出流水股在水垫塘的长度方向和宽度方向尽量分散，满足水股入水能量上限值的要求，且上层孔口和下层孔口的出流水股在空中不碰撞，从而达到降低泄洪雾化强度的效果。
本发明的有益效果是：通过合理布置上层孔口和下层孔口的位置、型式和出流角度，使整个坝身出流水股充分扩散，水股在空中大量掺气，射入下游水垫塘单位面积上的能量减少，满足了大坝泄洪消能的要求。同时，上、下层水股在空中不碰撞，大大降低了泄洪雾化强度。该发明可广泛的在高落差、大流量、深峡谷电站中推广使用。
【附图说明】
图1是本发明的上层孔口和下层孔口的出流水股入水位置示意图。
图2是本发明上层孔口水平截面的体型示意图。
图3是图2中A-A剖视旋转图。
图4是本发明的下层孔口水平截面的体型示意图。
图5是图4中B-B剖视旋转图。
图中标记为：坝身1、上层孔口2、上层孔口如水水舌3、下层孔口4、水垫塘5、二道坝6、下层孔口如水水舌7。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1～图5所示，本发明的拱坝泄洪消能结构，是通过在坝身1上设置有上层孔口2和下层孔口4，使下泄水流分层和大差动出流。在大坝的下游设置有二道坝6形成水垫塘5，下泄水流射入水垫塘6，利用水垫塘6的水体进行消能。上层孔口2一般为表孔，下层孔口4为中孔或深孔，上层孔口2采用窄缝下跌式，上层孔口2沿水流方向由大至小收窄，并在孔口形成沿高度方向延伸的窄隙式下跌。通过对孔口位置和出口型式的合理选择和布置，保证上层孔口2或下层孔口4出流水股在水垫塘范围尽量扩散，上层孔口如水水舌3和下层孔口如水水舌7的入水能量在允许范围内。在上层孔口2和下层孔口4的位置和出口型式的布置和选择上，要求上层孔口2和下层孔口4的出流水股在空中不碰撞，以有效降低泄洪雾化强度。
实施例：
现以某大型拱坝工程为例，说明此泄洪消能方式的应用：
某大型拱坝坝址区河谷狭窄，两岸岸坡陡峻，为典型的深切V型谷，枯期水面宽仅80m～100m。枢纽设计(校核)泄量为12297m3/s(13897m3/s)，最大泄洪水头221.7m，泄洪功率高达33456MW，具有“窄河谷、高水头、大流量”的特点，泄洪消能是该工程的重要技术问题之一。另外，由于该拱坝下游左岸边坡地形高陡，岩体破碎、卸荷强烈，边坡稳定程度不高，在电站运行期需控制坝身泄洪雾化程度，以减少对下游边坡稳定的不利影响。
针对以上情况，该工程泄洪消能结构采用了本发明，具体情况为：
(1)在大坝下游设置二道坝6形成水垫塘5，水垫塘5断面型式为梯形断面，满足大坝孔口出流水股入水消能宽度、长度和深度要求。具体为：水垫塘深度的确定主要考虑在各级流量下水垫塘形成淹没水跃和动水冲击压力在允许值范围内，综合比较，确定水垫塘深度为50m。一根据水流抛射距离和水跃漩滚长度，或根据二道坝6上游坝面的动水压力是否恢复到接近下游静水压力来确定水垫塘的长度为386.5m。
(2)在拱坝的坝身1上设置两层孔口，上层孔口2为4个表孔，下层孔口4为5个深孔。表孔出口采用窄缝式跌坎，孔口宽度在29m长度内由11m缩窄为3.6m，使出流水股在纵向上拉开，各孔口出流在平面上分散，表孔出流水股入水能量在允许范围内。深孔采用“压力上翘型并结合下弯型”，深孔出口为俯角的孔身采用下弯式，出口为挑角的孔身采用上翘型。5个深孔中，有4个深孔采用下弯式，其中2个深孔出口俯角12°，另个两个深孔出口俯角5°，最后一个深孔采用上翘式，出口挑角5°。通过这样的深孔型式的选择和布置，达到深孔分层出流，出流水股纵向拉开、横向扩散的效果，保证深孔出流水股入水能量在允许范围内。
(3)上层孔口2和下层孔口4同时出流时，由于上层孔口2采用窄缝式跌坎及上层孔口2和下层孔口4的孔口型式和位置的合理布置，使上、下层水股在空中不碰撞，以有效降低泄洪雾化强度。