阅读说明：本技术 一种河谷挑流鼻坎 (River valley trajectory bucket ) 是由 周望武 王立杰 苗宝广 张苾萃 顾莉 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：一种河谷挑流鼻坎,包括反弧底板、第一边导墙和第二边导墙,所述第一边导墙为平行于中轴线的直线墙,第二边导墙为尾部向中轴线偏转的斜线墙；所述反弧底板沿水流方向的出口包括第一折线出口和第二折线出口；第一折线出口的折线起点从第一边导墙的末端开始,至穿过中轴线后结束；第二折线出口的折线起点由第一折线出口末端开始,连接至靠近第二边导墙的末端。大部分水流沿第一折线出口横向分散挑出,水流受第二边导墙的斜向导向作用,出流略向中间挤压并与第一折线出口水舌碰撞消能。水舌入水点为沿下游河道方向狭长的带状,下泄水流分散,降低了入水能量,并充分利用河床深覆盖层形成的水垫消能,减轻下游两岸边水面波动和两岸冲刷。(A valley trajectory bucket comprises an inverted arc bottom plate, a first side guide wall and a second side guide wall, wherein the first side guide wall is a straight line wall parallel to a central axis, and the second side guide wall is an oblique line wall with the tail part deflecting towards the central axis; the outlets of the reverse arc bottom plate along the water flow direction comprise a first fold line outlet and a second fold line outlet; the starting point of the fold line of the first fold line outlet starts from the tail end of the first side guide wall and ends after penetrating through the central axis; the starting point of the folding line of the second folding line outlet is connected to the end close to the second edge guide wall from the end of the first folding line outlet. Most of water flow is transversely dispersed and picked out along the first folding line outlet, and the water flow is slightly extruded towards the middle under the oblique guiding action of the second edge guide wall and collides with the water tongue of the first folding line outlet to dissipate energy. The water tongue water inlet point is in a long and narrow strip shape along the downstream river channel direction, the downward drainage water flow is dispersed, the water inlet energy is reduced, the water cushion formed by the deep covering layer of the river bed is fully utilized for energy dissipation, and the water surface fluctuation and the two bank scouring of the two banks of the downstream are reduced.)

一种河谷挑流鼻坎

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄洪消能结构领域，具体涉及一种河谷挑流鼻坎。

背景技术

目前我国的水利水电工程大多处于西南高山峡谷河道，高山峡谷河道的泄洪水头高、单宽流量大、泄洪功率大，且泄洪建筑物出口处山体陡峭、河谷狭窄。尤其是当下游河床为深覆盖层时，挑落水流对下游河道的冲刷机理更加复杂，流态更加紊乱。挑流消能是水利水电工程中广泛应用的消能形式，挑流消能的工作方式是在泄水建筑物末端设置挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，然后跌落到离鼻坎较远的河槽中，落入下游。

常见的挑流鼻坎形式有斜切挑坎、窄缝挑坎等。斜切挑坎水流分散度有限，消能效果欠佳，且易使水流冲击到对岸，危及对岸安全；窄缝挑坎的两侧边墙受力较大，侧墙高度较高。当泄洪建筑物轴线与下游河道有一定夹角、河谷狭窄、下游河床覆盖层较深时，挑出的水流落点及入水角度控制较难，当出流水舌轨迹控制不当，水舌将会砸向本岸或冲向对岸，使下游两岸的防护工程量大，投资增高。因此需要合理布置挑流鼻坎结构，保证工程运行安全。

发明内容

为了克服现有技术的水舌难以控制，易冲击到对岸危及安全的不足，本发明旨在提供一种河谷挑流鼻坎，以用于高山峡谷及下游深覆盖层的河道，结构简单、施工方便、消能充分，使挑坎出流能顺河道下泄，并充分利用下游河床覆盖层形成的水垫消能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种河谷挑流鼻坎，包括反弧底板和分别与反弧底板两侧面组合的第一边导墙、第二边导墙，所述反弧底板包括水平段和曲面段，所述曲面段为向下凹的曲面，并与所述水平段相接；所述第一边导墙、第二边导墙均为铅垂平面，其特征在于，所述第一边导墙为平行于中轴线的直线墙，第二边导墙为尾部向中轴线偏转的斜线墙；所述曲面段沿水流方向的出口包括第一折线出口和第二折线出口；所述第一折线出口的折线起点从第一边导墙的末端开始，至穿过中轴线后结束，并连接第二折线出口的折线起点；所述第二折线出口的折线起点由第一折线出口末端开始，连接至靠近第二边导墙的末端，第二折线出口的终点与第二边导墙的末端之间的宽度b小于或等于挑坎前沿初始宽度B的1/10；所述第一折线出口的折线与第二折线出口的折线之间的夹角α为125°~135°。曲面段的作用是顺畅地将水流从水平段转变为沿着与水平线成β角（即挑角）的方向挑射出去，挑角β的大小直接影响冲坑深度和射程。

第一折线出口宽度较大，挑角由小增大，大部分水流沿第一折线出口横向分散挑出。第二折线出口沿水流方向长度较长，水舌出坎后纵向分散度增加，入水角度加大。水流受第二边导墙的斜向导向作用，出流略向中间挤压并与第一折线出口水舌碰撞消能，消能效果较好。水舌入水点为沿下游河道方向狭长的带状，下泄水流分散，降低了入水能量，并充分利用河床深覆盖层形成的水垫消能，减轻了下游两岸边水面波动和两岸冲刷。

所述第一边导墙的长度范围内的反弧底板的挑角β1为9°~20°，第一边导墙的长度为L1（13m~25m），第二边导墙长度为L2（38m~45m），第二边导墙的长度范围内的反弧底板的挑角β2为28°~34°。使第二边导墙的出坎水舌以较大的入水角度挑入河中，第二边导墙尾部向中轴线偏一定距离可使水舌远离本岸并向河中偏转。

所述第一边导墙的长度范围内的反弧底板的半径R1是挑流鼻坎内的水深h的6~12倍。第一边导墙直线长度范围内采用同值反弧半径R1，采用本设计在同等条件下与常规的挑相比可以减小起挑流量。还可通过调整第二反弧半径R2和挑角β2，达到调整水舌落点位置和入水角度的目的，改善泄洪消能效果。

所述第一折线出口的径向宽度b1为0.7B~0.75B，第二折线出口的径向宽度b2为0.25B~0.3B，所述第二边导墙尾部向中轴线偏转的角度θ为0°~5°，挑坎底板净宽度从进口段沿水流方向减小。使大部分水流沿第一折线出口横向分散挑出，第二折线出口水舌出坎后纵向分散度增加，入水角度加大，并在向中挤压中使两部分水流碰撞消能。

所述第二折线出口的出口末端至下游河道水面高差H为40m~60m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）通过合理设置折线形挑流鼻坎结构，增加了水舌纵向和横向分散度，使水舌顺河纵向拉开扩散消能。

2）第二边导墙末端向中轴线偏转后使水舌向中间挤压，增加了水舌入水角度，并使水舌下潜消能。

3）可通过调整边导墙的位置、反弧底板的半径和挑角，使出坎水舌入水点位置沿下游河道纵向拉开分散入水，以适应泄洪建筑物轴线与下游河道中线存在一定夹角且河谷狭窄的布置条件。

4）大部分水流沿第一折线出口横向分散挑出，第二折线出口水舌出坎后纵向分散度增加，入水角度加大，两部分水流在向中挤压中碰撞消能，消能效果较好。

5）水舌入水点为沿下游河道方向狭长的带状，下泄水流分散，降低了入水能量，并充分利用河床深覆盖层形成的水垫消能，减轻了下游两岸边水面波动和两岸冲刷。

6）本发明结构简单，施工方便。

附图说明

图1是本发明的立体示意图；

图2是本发明一种实施例的俯视图；

图3是本发明一种实施例的纵剖面构造图；

图4是本发明一种实施例的水舌俯视图；

图5是本发明一种实施例的水舌纵剖面及冲刷图；

图6是本发明另一种实施例的俯视图；

图7是本发明另一种实施例的纵剖面构造图；

图8是本发明另一种实施例的的水舌俯视图；

图9是本发明另一种实施例的的水舌纵剖面及冲刷图；

在图中

1-第一边导墙；2-第二边导墙；3-反弧底板；4-第一折线出口；5-第二折线出口；6-水舌入水点范围；7-下游本岸边线；8-下游对岸边线；9-原始地形线（覆盖层线）；10-水舌入水形态。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种河谷挑流鼻坎，如图1、2、3所示，包括反弧底板3和分别与反弧底板3的两侧面组合的第一边导墙1、第二边导墙2，所述反弧底板3包括水平段和曲面段，所述曲面段为向下凹的曲面，并与所述水平段相接；所述第一边导墙1、第二边导墙2均为铅垂平面，其特征在于，所述第一边导墙1为平行于中轴线的直线墙，第二边导墙2为尾部向中轴线偏转的角度θ为0°~5°的斜线墙；所述曲面段沿水流方向的出口包括第一折线出口4和第二折线出口5；所述第一折线出口4的折线起点从第一边导墙1的末端开始，至穿过中轴线后结束，并连接第二折线出口5的折线起点，第一折线出口4的径向宽度b1为0.7B~0.75B；所述第二折线出口5的折线起点由第一折线出口4末端开始，连接至靠近第二边导墙2的末端，第二折线出口的径向宽度b2为0.25B~0.3B，第二折线出口5的终点与第二边导墙2的末端之间的宽度b为0~0.1B；所述第一折线出口4的折线与第二折线出口5的折线之间的夹角α为125°~135°。第二折线出口的出口末端至下游河道水面高差H为40m~60m。

第一折线出口宽度较大，挑角由小增大，大部分水流沿第一折线出口横向分散挑出。第二折线出口沿水流方向长度较长，水舌出坎后纵向分散度增加，入水角度加大。水流受第二边导墙的斜向导向作用，出流略向中间挤压并与第一折线出口水舌碰撞消能，消能效果较好。水舌入水点为沿下游河道方向狭长的带状，下泄水流分散，降低了入水能量，并充分利用河床深覆盖层形成的水垫消能，减轻了下游两岸边水面波动和两岸冲刷。

所述第一边导墙1的长度为L1（13m~25m），此处的反弧底板3的挑角β1为9°~20°，半径R1是挑流鼻坎内的水深h的6~12倍。第二边导墙2长度为L2（38m~45m），此处的反弧底板3的挑角β2为28°~34°。两侧边导墙长度不等且非对称布置，出口挑坎挑角由小增大，相应的高程由低到高。所述第一边导墙的长度范围内的反弧底板的第一边导墙直线长度范围内采用同值反弧半径R1，采用本设计在同等条件下与常规的挑相比可以减小起挑流量。还可通过调整第二反弧半径R2和挑角β2，达到调整水舌落点位置和入水角度的目的，改善泄洪消能效果。

下面以采用本发明技术方案某大型水电站工程为例结合附图进一步说明：

某大型水电站工程，坝址区为高山峡谷区，两岸地形陡峭，岸坡坡度约为65°～73°。地表大多裸露弱风化基岩，局部因地形陡峭强卸荷带岩体已脱离地表，岩体整体松弛，卸荷裂隙发育。河床覆盖层深厚，最大厚度71.4m，大部分由砂质低液限黏土、低液限黏土组成，受泄洪水流搅动后将会变成浑浊状水体。在右岸平行布置有两条溢洪洞和一条泄洪放空洞，泄水建筑物轴线与下游河道中线夹角约28°。若下泄水流落点、水舌入水角度控制不好将会砸本岸或冲刷对岸岸坡，引起边坡岩体局部失稳。考虑利用河床覆盖层形成的水体深度，使大部分下泄水流能量在水体中消耗，减小岸坡防护范围和防护深度。

因此，在两条溢洪洞洞口分别设置一个本发明的一种河谷挑流鼻坎解决上述技术问题。两个挑流鼻坎的下游地形地质条件是一样的，其中一个溢洪洞出口有一块突出的山体，通过改变其中一个挑流鼻坎的参数来适应该地形条件。

第一实施例如图1和图2、3、4、5所示，一种河谷挑流鼻坎包括第一边导墙1、第二边导墙2、向下凹的反弧底板3、第一折线出口4、第二折线出口5组成。挑坎进口宽度B=15m；第一边导墙1为直线，长15.4m，此处挑角β1=11.1148°；第二边导墙2为斜线，长40.5m，尾部向中轴线偏1.0m（偏转角度θ=1.4149°），此处挑角β2=30.4037°；向下凹的反弧底板3半径R1=R2=80m；第一折线出口4挑角由11.1148°增大至15.7427°，挑坎高程由2585.5m增至2587.0m；第二折线出口5挑角由15.7427°增大至30.4037°，挑坎高程由2587.0m增至2595.0m，第二折线出口末端宽度b=1.0m；两折线挑坎之间的夹角α=131.2173°。

溢洪洞下泄校核洪水流量4400 m³/s，挑坎进口平均流速38.5m/s。模型试验成果表明：下泄各级流量洪水时，出坎水舌沿下游河道纵向拉开分散入水。如图4所示，水舌入水点范围6位于下游河道中线偏右位置，呈狭长的带状。分散水舌均没有干砸下游本岸边线7，水舌入水后下潜消能，下潜水流没有顶冲下游对岸边线8。岸边流速1.41m/s～5.24m/s，岸边最大水面波动值6.5m，冲坑最深点位于河中。

第二实施例如图1和图6、7、8、9所示。溢洪洞出口右侧有一块突出的山体，因存在这种特殊的地形条件，对挑流鼻坎的以下设计参数进行了调整：第一边导墙长度及底板挑角、第二边导墙长度及底板挑角、第一折线出口长度及挑角、第二折线出口长度及挑角、两折线挑坎之间的夹角等。

一种河谷挑流鼻坎包括第一边导墙1、第二边导墙2、向下凹的反弧底板3、第一折线出口4、第二折线出口5组成。挑坎进口宽度B=15m；第一边导墙1为直线，长24.98m，此处挑角β1=18.1935°；第二边导墙2为斜线，长44.43m，尾部向中轴线偏2.0m（偏转角度θ=2.5754°），此处挑角β2=33.7713°；向下凹的反弧底板3半径R1=R2=80m；第一折线出口4挑角由18.1935°增大至22.3303°，挑坎高程由2588.0m增至2590.0m；第二折线出口5挑角由22.3303°增大至33.7713°，挑坎高程由2590.0m增至2597.5m，第二折线出口末端宽度b=0；两折线挑坎之间夹角α=126.5392°。

溢洪洞下泄校核洪水流量4400 m³/s，挑坎进口平均流速38.5m/s。模型试验成果表明：下泄各级流量洪水时，出坎水舌沿下游河道纵向拉开入水，受第二边导墙导向作用，右缘水舌向中间挤压。水舌入水点范围6位于下游河道中线附近，入水点平面位置为长条形。水舌没有干砸下游本岸边线7，水舌入水后下潜消能，下潜水流没有顶冲下游对岸边线8。岸边流速2.08m/s～6.56m/s，岸边最大水面波动值7.2m，冲坑最深点位于河中。

本发明的河谷挑流鼻坎，体型简单，施工方便。水流经挑流鼻坎后能纵向拉开分散出流，并在空中碰撞消能，入水点呈狭长的带状分散入水，入水点位置位于下游河道中线附近，水舌入水后下潜并利用下游深覆盖层形成的水垫消能，下潜水流没有顶冲对岸，也没有干砸本岸。下游河道两岸边流速及冲刷深度均较小，大大降低了防护深度和防护工程量，保证了工程运行安全。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。