[发明专利]一种可调节消力池尾坎高度的消能结构及其调节方法

说明书

本发明涉及一种可调节消力池尾坎高度的消能结构及其调节方法，本发明包括阶梯溢流坝、WES反弧段和消力池，三者依次相连，消力池的尾端设置有消力池尾坎，所述消力池尾坎底部设置有液压顶升装置，通过液压顶升装置可调节消力池尾坎的高度。本发明通过对消力池尾坎整体部分的优化，在不同流量情况下可采取不同消力池尾坎的高度，对消力池底板整体的稳定性以及水流流态的紊乱程度都会有不同程度的缓冲作用，对于保护消力池底部的稳定以及两岸岸坡的稳定有利，各级流量下的消能率都有不同程度的提高。

技术领域

本发明涉及一种可调节消力池尾坎高度的消能结构及其调节方法，属于水利水电工程中水工建筑物泄洪消能领域。

背景技术

在坝工设计中，泄洪和消能是泄水建筑物承担的两大任务，即安全宣泄多余洪水的同时严格控制下泄水流对坝体及下游基坑的冲刷，防止坝体破坏和坝基失稳。尤其对于高水头、大流量泄洪工程，存在着底板临底流速和脉动压力较大，抗冲保护难度大，且所需消力池尺寸大，造价高等问题，因此对这种消能形式的研究和工程应用一直存在局限性。

针对传统消能工的基础上，引入了阶梯溢流坝进行消能，结合宽尾墩和消力池，形成一体化的消能设施，这种消能形式兼有宽尾墩消能和阶梯溢流坝消能的优点，它既利用阶梯式溢流面进一步增进了宽尾墩的消能率，又利用宽尾墩后的无水区从水舌底部向阶梯坝面通气来避免空化和空蚀破坏，从而使阶梯式溢流坝向高水头大单宽流量方向发展。

近年来，我国修建的一些大型水电站工程，都有两个突出的特点：一是高水头、大单宽流量、窄峡谷的泄水建筑物；二是大流量、深尾水、低佛汝德数水流的泄水建筑物。针对这两个突出的特点，我国首创的新型消能工—宽尾墩联合消能，宽尾墩和各种传统消能方式的联合运用之所以能增进消能效果，实质上都是和堰顶收缩射流形成的一系列水流内部结构及水力特性的变化分不开的。冲击波的交汇碰撞激起一股飞溅水流并掺气，从而消散一小部分水流动能；但沿坝面下泄的大部分收缩射流水舌，由于三元水舌两侧为自由面，在下泄过程中两侧受到巨大的侧压力。当水流来到下游反弧段时，受离心力的作用，水舌迅速向两侧坦化变成扁平状，并向两侧扩散，当相邻各孔水舌在反弧段两两相遇碰撞，激起巨大水冠。

当与底流消能联合使用时，相邻水股之间的碰撞和掺混发生在水垫中，除交汇水股本身的碰撞掺混产生动量交换而消能外，还和水垫的水体进行强烈的紊动扩散和掺混，水流通过自身的强烈的紊动剪切作用而大量消耗动能，转化为热能和势能，从流态看，原来的平尾墩型消力池的二元水跃或不完全水跃，变成三元水跃，它的消能率大大增强，所以宽尾墩和底流的联合运用，其消能的基本原理是：除了堰顶冲击波交汇掺气消耗一部分动能外，大量的动能系由于相邻水股在反弧段向两侧坦化并在水垫中碰撞掺混，从而在消力池内形成三元水跃，大大加强水流自身的紊动剪切作用。

从技术角度看，由于底流消力池是通过大尺度水跃进行消能，水流紊动强烈，能量耗散主要集中在消力池前半区，该区域内消力池底板所受荷载往往比较集中，临底流速高，初步估算，当上下游水位差高于60m时，消力池最大临底流速即可达到30m/s以上。在高水头大流量条件下，采用底流消力池方案，由于临底流速与脉动压强等水力学指标较高，容易造成消力池底板板块的失稳破坏。其主要破坏模式为：（1）高速水流可直接诱发底板的空化空蚀破坏；（2）高速含沙水流对消力池的磨蚀发展到一定程度后出现空化空蚀破坏；（3）脉动荷载造成板块间止水的破坏后，因高速水流动水压力的传递引起板块失稳破坏；（4）强烈的脉动荷载在瞬间直接造成板块失稳破坏。上述四种破坏模式在国内外已建工程中均出现过，实地调研与分析研究均表明，尽管上述工程的破坏原因各不相同，但都与消力池临底水力学指标过高有直接关系。可见，在高水头大流量条件下采用底流消能方式，尚存在较大的技术风险。

发明内容

针对目前水工建筑物泄流消能设计当中消力池水流平稳性与消力池消能效率不高以及消力池底板稳定性等问题，本发明提供了了一种可调节消力池尾坎高度的消能结构及其调节方法。