一种窄缝突扩式消力池和设计方法与流程

本发明涉及一种窄缝突扩式消力池和设计方法，是一种水工设施及其设计方法，是一种水利水电工程的隧洞内消能防冲技术，是一种适用于高水头有压引水隧洞的窄缝突扩式消力设施及设计方法。

背景技术：

1、高水头有压引水隧洞下游接无压隧洞时，为保证无压隧洞内水流平顺，不出现水跃闷顶、明满流交替等不利流态，衔接段需设置合理的隧洞内消能工。底流式消力池是工程常见的隧洞内消能工之一，通过水跃产生的强紊动剪切、扩散和掺混消能作用，实现急流向缓流的平稳过渡，具有对地质条件和水位变幅适应性强、易控制、无雾化等优点。隧洞内底流消力池通常采用下挖斜坡型式，斜坡(或折坡)消力池的水跃长度和跃后共轭水深均大于平底水跃，其长度和深度设计不足容易产生消能不充分、流态不稳定、下游隧洞内水面波动大、洞顶余幅不足，甚至形成远驱式水跃等问题。为了增加消能效果，稳定水跃，同时缩短消力池长度和深度，节省工程投资，对于非隧洞内底流消力池可采用消力墩、梳流坎等辅助消能措施。然而，由于高水头引水隧洞的高速底流、隧洞内施工空间限制和后期检修通车影响等，上述常规消能措施不宜在隧洞内消力池中采用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种窄缝突扩式消力池和设计方法。所述的消力池和方法根据水力学理论和物理模型试验结果给出在反弧斜槽中段设置了窄缝突扩，形成了窄缝突扩式消力池以及消力池的设计方法，从而有效的解决了有压隧洞出水消力的问题。

2、本发明的目的是这样实现的：一种窄缝突扩式消力池，包括：与有压隧洞出口处的控制闸门下游连接的抛物线反弧斜坡段渠道，所述的抛物线反弧斜坡段渠道与消力池体、下游无压隧洞依次连接，所述的抛物线反弧斜波段渠道中部设置窄缝，所述的窄缝包括：渠道的两侧侧壁向内逐渐倾斜的收缩段，所述的收缩段出口处渠道的两侧侧壁之间的距离急剧增加，形成突扩段。

3、进一步的，所述的收缩段和突扩段的尺寸参数包括：

4、窄缝上游收缩比：λ1＝b3/b1；

5、窄缝下游扩散比：λ2＝b4/b3；

6、窄缝长度：

7、窄缝偏转角：

8、窄缝突扩位置：x和y；

9、式中：b1为窄缝上游闸室宽度；b3为冲击波反射断面宽度或窄缝出口宽度；l为窄缝收缩段长度；x和y分别为从斜坡末端起算的窄缝突扩点的水平和垂直距离；b4为窄缝下游消力池宽度。

10、一种上述窄缝突扩式消力池的设计方法：

11、窄缝突扩式消力池的设计目标是：保证设计工况下消力池的共轭水深h4为下游实际水深hd的0.95～1.05倍，即淹没度σ＝hd/h4＝(0.95～1.05)。

12、已知闸室宽度b1，窄缝收缩前水深h1和弗汝得数fr1，主要体型参数的设计步骤如下：

13、步骤1，估选窄缝偏转角α和窄缝下游扩散比λ2的初值；

14、步骤2，计算窄缝冲击波波角β1、冲击波交汇前后的水深比h2/h1、冲击波交汇后的弗汝德数fr2：

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18、步骤3，计算冲击波反射的波角β2、反射波前后水深比h3/h2和反射波后的弗汝德数fr3：

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20、

21、

22、步骤4，计算反射波断面宽度b3：

23、

24、步骤5，计算突扩式消力池共轭水深h4：

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26、步骤6，判断消力池共轭水深h4与下游水深hd的关系：

27、如果消力池内淹没度σ＝hd/h4＝0.95～1.05，则窄缝偏转角α和窄缝下游扩散比λ2的估值合理，计算给出窄缝突扩式消力池的体型参数，否则，若σ＜0.95，则减小窄缝偏转角α和增大下游扩散比λ2，重复步骤1～6，以减小共轭水深h4；或增加消力池挖深s，从而增大下游水深hd；若σ＞1.05，则增大窄缝偏转角α和减小下游扩散比λ2，重复步骤1～6，以增大共轭水深h4，或减小消力池挖深s，从而减小下游水深hd；

28、步骤7，确定窄缝突扩式消力池体型参数：

29、窄缝出口宽度：b3

30、窄缝上游收缩比：λ1＝b3/b1

31、窄缝收缩段长度l：

32、窄缝下游消力池宽度：b4＝λ2b3

33、窄缝突扩位置高度：y＝(hd-h3)/2。

34、本发明的优点和有益效果是：本发明利用抛物线反弧斜坡段渠道、反弧斜坡段渠道上的窄缝、消力池三个要素的紧密组合。高速出流在窄缝收缩段产生急流冲击波，由窄缝激起的高速射流在消力池内垂向、纵向和横向充分拉伸、扩散、掺气，消力池中形成空间水跃，淹没射流和空间水跃在消力池中相互交汇、混合，水舌三面旋滚、卷吸掺气，消能率远高于传统底流消力池。消力池内流态和流速分布得到调整优化，临底流速低，底板脉动压强小，下游水位波动显著降低，能够满足隧洞引水工程安全稳定运行的要求。

技术特征：

1.一种窄缝突扩式消力池，包括：与有压隧洞出口处的控制闸门下游连接的抛物线反弧斜坡段渠道，所述的抛物线反弧斜坡段渠道与消力池体、下游无压隧洞依次连接，其特征在于，所述的抛物线反弧斜波段渠道中部设置窄缝，所述的窄缝包括：渠道的两侧侧壁向内逐渐倾斜的收缩段，所述的收缩段出口处渠道的两侧侧壁之间的距离急剧增加，形成突扩段。

2.根据权利要求要求1所述的消力池，其特征在于，所述的收缩段和突扩段的尺寸参数包括：

3.一种权利要求2所述窄缝突扩式消力池的设计方法，其特征在于：

技术总结本发明涉及一种窄缝突扩式消力池和设计方法，包括：与有压隧洞出口处的控制闸门下游连接的抛物线反弧斜坡段渠道，抛物线反弧斜坡段渠道与消力池体、下游无压隧洞依次连接，在抛物线反弧斜波段渠道中部设置窄缝，窄缝包括：渠道的两侧侧壁向内逐渐倾斜的收缩段，收缩段出口处渠道的两侧侧壁之间的距离急剧增加，形成突扩段。本发明利用高速出流在窄缝收缩段产生急流冲击波，由窄缝激起的高速射流在消力池内垂向、纵向和横向充分拉伸、扩散、掺气，消力池中形成空间水跃，淹没射流和空间水跃在消力池中相互交汇、混合，水舌三面旋滚、卷吸掺气，消能率远高于传统底流消力池，能够满足引水工程安全稳定运行的要求。技术研发人员：郭永鑫,王涛,郭新蕾,习红凯,薛兴祖,张辉,付辉,李甲振,潘佳佳,陈玉壮受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/29