有压突扩突跌圆形射流消能工.pdf

本发明公开了一种有压突扩突跌圆形射流消能工。所述有压突扩突跌圆形射流消能工包括与有压泄洪洞衔接的第一过渡段、矩形闸室段、消力池，其结构特点在于还包括第二过渡段和等孔径圆管段，所述第一过渡段、矩形闸室段、第二过渡段、等孔径圆管段和消力池依次衔接相连；所述等孔径圆管段的孔径应满足下述不等式：0.2B

1.  一种突扩突跌圆形射流消能工，包括与有压泄洪洞衔接的第一过渡段(1)、矩形闸室 段(2)、消力池(6)，其特征在于还包括第二过渡段(4)和等孔径圆管段(5)，所述第一过 渡段(1)、矩形闸室段(2)、第二过渡段(4)、等孔径圆管段(5)和消力池(6)依次衔接 相连；
所述第二过渡段(4)的过流孔形状从上游端至下游端由矩形渐变为圆形，该第二过渡段 (4)的上游端端部的矩形过流孔与所述矩形闸室段(2)下游端的过流孔尺寸相同，该第二 过渡段(4)的下游端端部的圆形过流孔与所述等孔径圆管段(5)的孔径相同；
所述等孔径圆管段的孔径应满足下述不等式：0.2B<d<0.9B，d为等孔径圆管段的孔径， B为消力池底部最小宽度；
所述等孔径圆管段(5)与消力池(6)衔接后的跌坎高度S满足下述不等式：0.6d<S<3.3d， d为等孔径圆管段的孔径，S为跌坎高度；
所述跌坎高度S与消力池(6)下游水深ht的关系为：2<ht/S<5。

2.  根据权利要求1所述突扩突跌圆形射流消能工，其特征在于，所述第二过渡段(4) 的长度L2的范围为2d～3d，d为等孔径圆管段的孔径。

3.  根据权利要求1所述突扩突跌圆形射流消能工，其特征在于，所述等孔径圆管段(5) 的长度L3的范围为1d～8d，d为等孔径圆管段的孔径。

4.  根据权利要求1-3之一所述突扩突跌圆形射流消能工，其特征在于，所述第二过渡段 (4)下游端端部圆形过流孔的横截面面积Ac小于其上游端端部矩形过流孔的横截面面积Ar。

5.  根据权利要求4所述突扩突跌圆形射流消能工，其特征在于，0.8<Ac/Ar<1。

6.  根据权利要求1-3之一所述突扩突跌圆形射流消能工，其特征在于，所述消力池(6) 的出水口与溢流堰(7)衔接相连。

7.  根据权利要求1-3之一所述突扩突跌圆形射流消能工，其特征在于，所述消力池(6) 为底部宽度大于等孔径圆管段孔径的对称或非对称条形消力池。

有压突扩突跌圆形射流消能工
技术领域
本发明属于水利水电工程中泄洪消能技术领域，特别涉及一种用于高水头有压泄洪洞出口泄洪消能的消能工。
背景技术
高水头电站建设中，利用泄洪洞泄洪的工程较为普遍，泄洪洞之后通常设置消力池，有压泄洪洞与消力池衔接处水流出口的消能型式尤为重要，因为这关系到消力池底板和边墙的安全和稳定。常用的有压泄洪洞在其与消力池之间设置有矩形闸室段和连接段，有压泄洪洞中的水流依次通过矩形闸室段、连接段进入消力池，但连接段出口多为矩形出口（简称矩形出口消能工），此种矩形出口消能工当出口流速较大（尤其是出口流速超过20m/s）时，易造成消力池底部和边墙流速过大，导致消力池底板失稳破坏，再者，消力池边墙水流空化数小，掺气浓度低，因而在消力池内极有可能发生空化空蚀破坏。即使是采用突扩突跌的矩形出口，也不能从根本上解决消力池底部流速大及消力池边墙水流空化数小的问题。此外，矩形出口消能工中，消力池通常为对称消力池，其使用受到地形的限制。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种突扩突跌圆形射流消能工，以降低水流进入消力池的临底和临边流速，减小对消力池底板和边墙的冲刷破坏，提高边墙高流速区的水流空化数，改善底板和边墙的空化特性，并扩大适用范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种突扩突跌圆形射流消能工，包括与有压泄洪洞衔接的第一过渡段、矩形闸室段、消力池，其结构特点在于还包括第二过渡段和等孔径圆管段，所述第一过渡段、矩形闸室段、第二过渡段、等孔径圆管段和消力池依次衔接相连；
所述第二过渡段的过流孔形状从上游端至下游端由矩形渐变为圆形，该第二过渡段的上游端端部的矩形过流孔与所述矩形闸室段下游端的过流孔尺寸相同，该第二过渡段的下游端端部的圆形过流孔与所述等孔径圆管段的孔径相同；
所述等孔径圆管段的孔径应满足下述不等式：0.2 B <d <0.9 B，d为等孔径圆管段的孔径，B为消力池底部最小宽度；
所述等孔径圆管段与消力池衔接后的跌坎高度S满足下述不等式：0.6d<S<3.3d，d为等孔径圆管段的孔径，S为跌坎高度；
所述跌坎高度S与消力池下游水深ht的关系为：2<ht/S<5。
由此，上述突扩突跌圆形射流消能工，在消力池内可形成相对稳定的流态。
以下为对本发明进一步改进的技术方案：
优选地，所述第二过渡段的长度L2的范围为2d~3d，d为等孔径圆管段的孔径。
优选地，所述等孔径圆管段的长度L3的范围为1d~8d，d为等孔径圆管段的孔径。
优选地，所述第二过渡段下游端端部圆形过流孔的横截面面积Ac小于其上游端端部矩形过流孔的横截面面积Ar。进一步优选地，0.8<Ac/Ar<1。
优选地，所述消力池的出水口与溢流堰衔接相连。
优选地，所述消力池为底部宽度大于等孔径圆管段孔径的对称或非对称条形消力池。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述突扩突跌圆形射流消能工与现有矩形出口消能工相比，可使进入消力池水流的临底和临边流速均降低50%以上，因而大大减小了消力池底板和边墙的冲刷破坏风险，保证了泄洪建筑物运行中的安全性。
2、本发明所述突扩突跌圆形射流消能工，其消力池边墙高流速区水流空化数明显提高且高速主流周围大量掺气，因而改善了边墙的空化特性和掺气减蚀性能。
3、本发明所述突扩突跌圆形射流消能工，其消力池的高流速区强烈掺气，掺混剧烈，消力池后部的水面波动明显减小，掺气减蚀效果较好，消能较为充分，消力池末端流态较为稳定。
4、本发明所述突扩突跌圆形射流消能工，其消力池为底部宽度大于等孔径圆管段过流孔孔径的对称或非对称条形消力池，因而布置灵活，可适应泄洪洞出口工程地质条件较差、地形不对称的复杂地形条件。
附图说明
图1为本发明所述突扩突跌圆形射流消能工的一种结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的C-C剖视图。
图4为图1的A-A剖面图。
图5为对称梯形消力池的结构示意图。
图6为图5的左视图，且描述了等孔径圆管段与对称梯形消力池的衔接部位。
图7为对称矩形消力池的结构示意图。
图8为图7的左视图，且描述了等孔径圆管段与对称矩形消力池的衔接部位。
图9为对称渐扩式梯形消力池的结构示意图。
图10为图9的左视图，且描述了等孔径圆管段与对称渐扩式梯形消力池的衔接部位。
图11为对称渐扩式矩形消力池的结构示意图。
图12为图11的左视图，且描述了等孔径圆管段与对称渐扩式矩形消力池的衔接部位。
图13为非对称梯形消力池的结构示意图。
图14为图13的左视图，且描述了等孔径圆管段与非对称梯形消力池的衔接部位。
图15为非对称渐扩式梯形消力池的结构示意图。
图16为图15的左视图，且描述了等孔径圆管段与非对称渐扩式梯形消力池的衔接部位。
图17为现有技术中的矩形出口消能工的一种结构示意图。
图18为图17的俯视图。
图19为图17的A-A剖面图。
图中，1—第一过渡段，2—矩形闸室段，3—闸门，4—第二过渡段，5—等孔径圆管段，6—消力池，7—溢流堰，8—连接段，B—消力池底部最小宽度，H——消力池高度，L—消力池长度，L1—矩形闸室段长度，L2—第二过渡段长度，L3—等孔径圆管段，d—等孔径圆管段的孔径，S—跌坎高度，ht—消力池下游水深。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述突扩突跌圆形射流消能工作进一步说明。
下述实施例、对比例的工程概况如下：
某电站修建在狭窄河谷之中，两岸山体陡峭，水库上游水位高程为380.00m，有压泄洪洞由原来的导流洞改建而成，其过流孔为圆孔，孔径为6m，后接消力池消能系统，消力池底板高程262m。
针对上述工程，采用下述实施例1、实施例2和对比例三种结构的消能工进行水工模型试验。
实施例1
本实施例中的突扩突跌圆形射流消能工如图1、图2、图3、图4所示，包括与有压泄洪洞衔接的第一过渡段1、矩形闸室段2、第二过渡段4、等孔径圆管段5、消力池6、溢流堰7；第一过渡段1的过流孔形状从上游端至下游端由圆形逐渐变为矩形，其上游端端部的圆形过流孔与有压泄洪洞过流孔的孔径相同，其下游端端部的矩形过流孔与矩形闸室段2过流孔的尺寸相同；矩形闸室段2的长度L1=12.95m，过流孔尺寸为：宽×高＝4m×6m，设置有闸门3；消力池6为非对称渐扩式矩形消力池，消力池的单边扩散角β=6°，消力池的长度L=134.05m、底部最小宽度B=8m、高度H＝29m；等孔径圆管段5的孔径d＝5m、长度L3＝5m；第二过渡段4的长度L2=15m，过流孔形状从上游端至下游端由矩形逐渐变为圆形，其上游端端部的矩形过流孔与矩形闸室段的过流孔尺寸相同，其下游端端部的圆形过流孔与等孔径圆管段的孔径相同，上游端端部的矩形过流孔面积Ar＝4m×6m ＝24m²，下游端端部的圆形过流孔面积Ac＝3.14×2.5² m²＝19.6 m²；所述第一过渡段1、矩形闸室段2、第二过渡段4、等孔径圆管段5、消力池6、溢流堰7依次衔接，等孔径圆管段5与消力池6衔接后的跌坎高度S=4m（0.6d<S<3.3d）。试验时，控制消力池下游水深ht=17m。
试验结果：水库正常蓄水位380m、泄流量736m³/s时，等孔径圆管段5出口流速为36.8m/s，水流进入消力池通过与消力池内水体相互剪切、混掺和扩散，到达消力池底板再次附壁的长度为28m，此时测得水流到达消力池底板再次附壁点的流速为15m/s，之后水流贴壁运动，随着水流的贴壁运动，流速逐渐减小，当水流贴壁运动约30m之后，与下游水体完全混掺，水流趋于平稳状态；同时测得边墙上的最大流速为12.48 m/s。等孔径圆管段5圆形射流出口中心线高程处两边墙的掺气浓度可达5%以上，水流空化数最小值为2.21，远大于规范中突扩无压体型和有跌坎的消能工初生空化数0.62和1.00。同时，消力池底板的时均压力和脉动压力均未出现明显的冲击动压，可以保证消力池底板的稳定性。
实施例2
本实施例中的突扩突跌圆形射流消能工，与实施例1不同之处是：第二过渡段4的长度L2=10m，等孔径圆管段5的长度L3＝30m，跌坎高度S=5m（0.6d<S<3.3d）。
试验结果：水库正常蓄水位380m、泄流量736m³/s时，等孔径圆管段5出口流速为36.4m/s，水流进入消力池与消力池内水体摩擦混掺一段距离后，到达消力池底板再次附壁的长度为47m，此时测得水流到达消力池底板再次附壁点的流速为10.82m/s，之后水流贴壁运动，随着水流的贴壁运动，流速逐渐减小，当水流贴壁运动约40m之后，与下游水体完全混掺，水流趋于平稳状态；同时测得边墙上的最大流速为16.81 m/s。等孔径圆管段5圆形射流出口中心线高程处两边墙的掺气浓度可达5%以上，水流空化数最小值为2.26，远大于其体型对应的初生空化数0.62和1.00。同时，消力池边墙和底板的脉动压力均未出现明显的冲击动压，可以保证消力池整体的稳定性。
对比例
本对比例采用图17、图18、图19 所示矩形出口消能工，包括与有压泄洪洞衔接的第一过渡段1、矩形闸室段2、连接段8、消力池6、溢流堰7；第一过渡段1的过流孔形状从上游端至下游端由圆形逐渐变为矩形，其上游端端部的圆形过流孔与有压泄洪洞过流孔的孔径相同，其下游端端部的矩形过流孔与矩形闸室段2过流孔的尺寸相同；矩形闸室段2的长度L1=12.95m，过流孔尺寸为：宽×高＝4m×6m，设置有闸门3；消力池6为非对称渐扩式矩形消力池，消力池的单边扩散角β=6°，消力池的长度L=134.05m、底部最小宽度B=8m、高度H＝29m；连接段8的长度L4=20m，过流孔形状从上游端至下游端由宽×高=4m×6m的矩形逐渐变为宽×高=8.0m×2.5m的鸭嘴型矩形；所述第一过渡段1、矩形闸室段2、连接段8、消力池6、溢流堰7依次衔接，连接段8与消力池6衔接后的跌坎高度S=5m。试验时，控制消力池下游水深ht=17m。
试验结果：水库正常蓄水位380m、泄流量736m³/s时，水流经过连接段8的鸭嘴型矩形出口进入消力池中，首次到达消力池底板的再次附壁长度为15m，此时测得水流到达消力池底板再次附壁点的流速为34.19m/s，之后水流贴壁运动，随着水流的贴壁运动，直到水流贴壁运动约50m之后，消力池底板流速才减小到15m/s以下；同时测得边墙上的最大流速为35.32 m/s。水流空化数最小为0.2，小于规范中突扩无压体型和有跌坎的消能工初生空化数0.62和1.00，极易发生空化空蚀破坏。
由以上实施例和对比例的试验结果可以看出，本发明所述突扩突跌圆形射流消能工与现有技术中的矩形出口消能工相比，水流的临底、临边流速大幅度降低，水流空化数明显增大。
本发明不限于上述实施例，可根据具体工程选用图5至图16所示的对称或非对称条形消力池，在权利要求所限定的范围内设计不同结构和尺寸的突扩突跌圆形射流消能工。