1.本发明属于水工隧洞技术领域，具体是一种用于山体水流消能的水工隧洞结构。
背景技术：
2.水利工程中，在山体水工隧洞常用于泄水。由于山体上下游水位势能差较大，隧洞中宣泄出来水流流速很大，不可避免的对下游河床产生冲刷破坏，工程中通常采取必要的措施以消除宣泄水流的部分能量，降低危害。以往的措施是通过在水流出流部位采取工程措施，为消能池、跌坎、消能戽斗、挑流鼻坎结合冲刷坑这四种工程措施消能。上述设置其工程量和工程成本相对较大，对山体的安全稳定也会产生安全隐患。同时，以上的方法均只采用了一次消能的方法，消能效果并不佳。为此有必要提出一种用于山体水流消能的水工隧洞结构，以针对不同情况加强消能效果并蓄能减少工程投入量。
技术实现要素：
3.为了解决上述只采用了一次消能的方法，消能效果并不佳问题，本发明的目的是一种用于山体水流消能的水工隧洞结构，通过蓄能组件的设计，针对不同汛期进行蓄能并加强效能效果。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于山体水流消能的水工隧洞结构，包括入流管道、消能隧洞和出流管道，入流管道和出流管道分别连通于消能隧洞上端和下端，消能隧洞内设有若干的螺旋叶片，且消能隧洞内壁设有蓄能组件；
5.蓄能组件包括蓄能管道，蓄能管道一侧设有入流口，入流口朝向入料管道一侧，蓄能管道内挤压板和推板，挤压板和推板之间形成密闭的空腔，挤压板和推板相互靠近一侧均对称设有两个橡胶球，且设第一个橡胶球与蓄能管道内顶壁之间的间距为h，第二个橡胶球与蓄能管道内底壁之间的间距为h，两个橡胶球之间的间距为x，橡胶球的直径为r，其中r大于h、h和x；
6.挤压板和推板上的橡胶球能够相互接触并挤压。
7.基础方案的原理是：水流首先流动至入流管道处，水流沿着入流管道流动至消能隧洞处，通过消能隧洞对大量水流的消能后，水流随之流动至出流管道处流出；当水流流动至消能隧洞时，水流将会首先接触到蓄能管道内螺旋叶片，其中水流主要以贴壁旋流的方式旋转跌落到下级阶梯。消能主要在阶梯螺旋跌水过程中实现，其机理是利用阶梯跌水来进行消能。
8.当水流流动至消能隧洞内时，水流也随之流动至蓄能管道内，水流将会首先接触到挤压板，当挤压板处的水流积累越多之后，挤压板处的压力将会逐渐增加，同时当压力达到一定程度后，挤压板将会被水流的势能推动，由此因为空腔内压强恒定，所以推板将随着挤压板的移动而被空腔内的压强推动进行移动，当此时为暴雨等情况时，推板将会被推动至靠近蓄能管道的端部内壁，此时因为推板已经达到蓄能管道的端部，此时外部的水流势能依然在进行增加，所以挤压板将继续进行移动，此时空腔内的体积将会逐渐变小但是压
强将会变大，直至橡胶球之间相互接触；
9.其中因为橡胶球的直径r大于h、h和x，所以四个橡胶球将会相互挤压并贴合，四个橡胶球在相互挤压的时，橡胶球内的体积将会逐渐变小但是空腔内的气体分子数量并未产生改变，所以橡胶球内部的压强将会变大，并且在橡胶球靠近时其产生形变的过程中将会形成兜状，进而将部分挤压流出的气体又被导向至橡胶球内部，由此橡胶球内部将形成相应的高压区，从而使橡胶球挤压接触并实现一定的蓄能，同时蓄能管道内也将会蓄积一定量的水，当外部的雨量变小时，挤压板处所受到的压力将会减少，此时橡胶球处因为受到的推力减少，所以其因为之前所蓄积的动能将会在压力减少的作用下产生相应较大的反作用动能，从而对挤压板施加较大的推力，而挤压板在往入流口处移动，并且推动蓄能管道内的水流流动至消能隧洞。
10.基础方案的有益效果是：1、螺旋叶片可以将水流导向旋转，在导向过程中逐步套取水流能量并分散流场中的涡流，从而更加充分地消耗水流动能，相较于普通消能隧洞，在同等长度的条件下使用螺旋叶片可提高消能效率，同时由于消能隧洞中存在滑移、摩擦等流体阻力，会造成一定程度的压力损失。使用螺旋叶片可以降低管道内的局部流速，减小流体阻力，从而进一步降低管道压力损失；螺旋叶片的几何形状可以根据不同的工况和流量特性进行调整，具有很强的适应性。
11.2、过蓄能组件的设计，可在外部处于汛期时将雨水进行蓄积，而当外部处于非汛期，并且消能隧洞因为内部水量较少从而消能不够充分时为消能隧洞提供一定的水量补充，进而使消能隧洞保持较为稳定高效的消能效果。
12.进一步，挤压板和推板顶部和底部均固定连接有滑块，蓄能管道内顶壁和内底壁处均设有滑槽，滑块位于滑槽内，且挤压板和推板与蓄能管道均通过滑块和滑槽滑动配合。
13.基础方案的有益效果是：当挤压板在反作用力下往入流口处移动时，滑槽和滑块可为挤压板的位置进行一定的限制，进而减少挤压板脱离蓄能管道的问题。
14.进一步，若干的螺旋叶片处均设有排气孔。
15.基础方案的有益效果是：当水流在消能隧洞内进行流动至，也可带动排气孔处进行相应的排气，其排气效果较优，尽管垂直阶梯底角处会存在空腔负压区，但最小空化数底，空化空蚀风险较低。
16.进一步，若干的螺旋叶片的圆心角均为60
°‑
70
°
。
17.基础方案的有益效果是：能够减小涡流的产生，并且连接管材和螺旋叶片之间的水流速度分布也更加均匀。这样可以有效避免管道内部发生水锤等现象，提高运行的稳定性和可靠性；并且过大的圆心角也容易引起流阻力增大和压损升高。
18.进一步，入流管道和出流管道的长度相同，且入流管道和出流管道的长度均小于蓄能管道的长度。
19.基础方案的有益效果是：消能隧洞的长度越长，消能过程中产生涡流的可能性就越小。由于涡流对于消能效果的影响较大，增加消能隧洞的长度也可以有效减少其影响，从而提高管道的消能效率和稳定性；相同的流量在长管道中传输时，产生的流体阻力和压力损失也相对较小。消能隧洞长度大于入流管道和出流管道的长度，可以有效降低管道压力损失，减小能量损耗。
20.进一步，入流管道和出流管道的直径均小于消能隧洞的直径。
21.基础方案的有益效果是：入流管道和出流管道的较小直径可以将高速的水流逐渐减缓，从而降低水流动能引起的水头、水压等问题，在很大程度上有效地控制了水流的流速；并且由于入流管道和出流管道的流速变慢，能够有效减少夹带泥沙等杂物对消能隧洞的冲刷破坏和管道内积淀沉积。同时，消能隧洞的直径要比入流口和出流口大，可以进一步避免管道内积沙石对管道性能的影响。
22.进一步，螺旋叶片上均设有若干的摩擦纹。
23.基础方案的有益效果是：水流穿过消能管道时产生强烈的涡流和附着现象，会导致管道的卡顿和噪声等问题。而设置摩擦纹可以有效减少这种卡顿现象，提高管道的运行稳定性；同时消能管道通常安装在水流较为湍急的环境中，易受到泥沙、石块等杂物的冲刷和磨损。摩擦纹设计可以增加管道表面的粗糙度，抑制沉积和磨损，保证管道的寿命和性能稳定。
24.进一步，挤压板和推板之间设有复位弹簧，复位弹簧一端与挤压板固定连接，复位弹簧另一端与推板固定连接。
25.基础方案的有益效果是：复位弹簧也可将推板的位置带动进行回位，进而使挤压板和推板之间再次保持密闭的空腔，从而便于下一次的蓄能。
附图说明
26.图1为本发明实施例中用于山体水流消能的水工隧洞结构的正向示意图。
27.图2为图1中的螺旋叶片示意图。
28.图3为图1中的蓄能组件正向剖视图。
29.图4为图3中的蓄能组建运动示意图。
30.图5为图3中的蓄能组件运动示意图。
具体实施方式
31.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
32.说明书附图中的附图标记包括：入流管道1、消能隧洞2、入流管道3、螺旋叶片4、排气孔5、蓄能组件6、蓄能管道601、滑槽602、滑块603、推板604、挤压板605、复位弹簧606、橡胶球607、空腔608。
33.实施例1
34.基本如附图1-5所示：一种用于山体水流消能的水工隧洞结构，包括入流管道1、消能隧洞2和出流管道，入流管道1和出流管道分别连通于消能隧洞2上端和下端，消能隧洞2内设有若干的螺旋叶片4，且消能隧洞2内壁设有蓄能组件6；
35.蓄能组件6包括蓄能管道601，蓄能管道601一侧开有入流口，入流口朝向入料管道一侧，蓄能管道601内挤压板605和推板604，挤压板605和推板604之间形成密闭的空腔608，挤压板605和推板604相互靠近一侧均对称焊接有两个橡胶球607，且设第一个橡胶球607与蓄能管道601内顶壁之间的间距为h，第二个橡胶球607与蓄能管道601内底壁之间的间距为h，两个橡胶球607之间的间距为x，橡胶球607的直径为r，其中r大于h、h和x；
36.挤压板605和推板604上的橡胶球607能够相互接触并挤压。
37.具体实施过程如下：当水流流动至本结构处时，水流首先流动至入流管道1处，水
流沿着入流管道1流动至消能隧洞2处，通过消能隧洞2对大量水流的消能后，水流随之流动至出流管道处流出；其中当水流流动至消能隧洞2时，水流将会首先接触到蓄能管道601内螺旋叶片4，其中水流主要以贴壁旋流的方式旋转跌落到下级阶梯。消能主要在阶梯螺旋跌水过程中实现，其机理是利用阶梯跌水来进行消能。
38.并且螺旋叶片4可以将水流导向旋转，在导向过程中逐步套取水流能量并分散流场中的涡流，从而更加充分地消耗水流动能，相较于普通消能隧洞2，在同等长度的条件下使用螺旋叶片4可提高消能效率，同时由于消能隧洞2中存在滑移、摩擦等流体阻力，会造成一定程度的压力损失。使用螺旋叶片4可以降低管道内的局部流速，减小流体阻力，从而进一步降低管道压力损失；螺旋叶片4的几何形状可以根据不同的工况和流量特性进行调整，具有很强的适应性。
39.其中当水流流动至消能隧洞2内时，水流也随之流动至蓄能管道601内，由此水流将通过入流口流动至蓄能管道601内，然后水流将会首先接触到挤压板605，同时因为挤压板605和推板604之间形成密闭的空腔608，所以空腔608内的压强保持恒定，由此当挤压板605处的水流积累越多之后，挤压板605处的压力将会逐渐增加，同时当压力达到一定程度后，挤压板605将会被水流的势能推动，由此因为空腔608内压强恒定，所以推板604将随着挤压板605的移动而被空腔608内的压强推动进行移动，并且当此时为暴雨等情况时，推板604将会被推动至靠近蓄能管道601的端部内壁，此时因为推板604已经达到蓄能管道601的端部，所以蓄能管道601将不再能移动，但是此时外部的水流势能依然在进行增加，所以挤压板605将继续进行移动，此时空腔608内的体积将会逐渐变小但是压强将会变大，直至橡胶球607之间相互接触；
40.其中因为橡胶球607的直径r大于h、h和x，所以四个橡胶球607将会相互挤压并贴合，同时四个橡胶球607在相互挤压的时，橡胶球607内的体积将会逐渐变小但是空腔608内的气体分子数量并未产生改变，所以橡胶球607内部的压强将会变大，并且又因为橡胶球607在挤压之下会产生相应的形变，所以橡胶球607的未被施加压力的侧边将会向外延伸直至其接触到蓄能管道601的内顶壁和内底壁，由此在橡胶球607靠近时其产生形变的过程中将会形成兜状，进而将部分挤压流出的气体又被导向至橡胶球607内部，由此橡胶球607内部将形成相应的高压区，从而使橡胶球607挤压接触并实现一定的蓄能，同时蓄能管道601内也将会蓄积一定量的水；
41.当外部的雨量变小时，挤压板605处所受到的压力将会减少，此时橡胶球607处因为受到的推力减少，所以其因为之前所蓄积的动能将会在压力减少的作用下产生相应较大的反作用动能，从而对挤压板605施加较大的推力，而挤压板605在往入流口处移动，并且推动蓄能管道601内的水流流动至消能隧洞2，由此可弥补此时外部雨量小进而消能隧洞2处的水流消能不够充分的情况，从而为消能隧洞2提供一定的蓄能水量，进而保证消能隧洞2较为高效的消能运作。
42.由此通过蓄能组件6的设计，可在外部处于汛期时将雨水进行蓄积，而当外部处于非汛期，并且消能隧洞2因为内部水量较少从而消能不够充分时为消能隧洞2提供一定的水量补充，进而使消能隧洞2保持较为稳定高效的消能效果。
43.实施例2
44.与上述实施例不同之处在于，挤压板605和推板604顶部和底部均焊接有滑块603，
蓄能管道601内顶壁和内底壁处均开有滑槽602，滑块603位于滑槽602内，且挤压板605和推板604与蓄能管道601均通过滑块603和滑槽602滑动配合。
45.具体实施过程如下：当挤压板605和推板604进行再蓄能管道601内进行移动时，滑块603随之在滑槽602内进行移动，其中当挤压板605在反作用力下往入流口处移动时，滑槽602和滑块603可为挤压板605的位置进行一定的限制，进而减少挤压板605脱离蓄能管道601的问题。
46.实施例3
47.与上述实施例不同之处在于，若干的螺旋叶片4处均开有排气孔5。
48.具体实施过程如下：当水流在消能隧洞2内进行流动至，也可带动排气孔5处进行相应的排气，其排气效果较优，尽管垂直阶梯底角处会存在空腔608负压区，但最小空化数底，空化空蚀风险较低。
49.实施例4
50.与上述实施例不同之处在于，若干的螺旋叶片4的圆心角均为60
°‑
70
°
。
51.具体实施过程如下：通过将圆心角的角度控制在60
°‑
70
°
，能够减小涡流的产生，并且连接管材和螺旋叶片4之间的水流速度分布也更加均匀。这样可以有效避免管道内部发生水锤等现象，提高运行的稳定性和可靠性；并且过大的圆心角也容易引起流阻力增大和压损升高。
52.实施例5
53.与上述实施例不同之处在于，入流管道1和出流管道的长度相同，且入流管道1和出流管道的长度均小于蓄能管道601的长度。
54.具体实施过程如下：当水流进入消能隧洞2后，经过一段时间内的滑移、摩擦等作用，才会被消耗掉相应的动能而产生水头水压下降。如果管道太短，则可能无法充分消耗水动能，使得消能效果降低。因此，在保证消能效果的前提下，增加消能隧洞2长度可以延长消能时间，提高水流消能效率；并且消能隧洞2的长度越长，消能过程中产生涡流的可能性就越小。由于涡流对于消能效果的影响较大，增加消能隧洞2的长度也可以有效减少其影响，从而提高管道的消能效率和稳定性；相同的流量在长管道中传输时，产生的流体阻力和压力损失也相对较小。消能隧洞2长度大于入流管道1和出流管道的长度，可以有效降低管道压力损失，减小能量损耗。
55.实施例6
56.与上述实施例不同之处在于，入流管道1和出流管道的直径均小于消能隧洞2的直径。
57.具体实施过程如下：入流管道1和出流管道的较小直径可以将高速的水流逐渐减缓，从而降低水流动能引起的水头、水压等问题，在很大程度上有效地控制了水流的流速；并且由于入流管道1和出流管道的流速变慢，能够有效减少夹带泥沙等杂物对消能隧洞2的冲刷破坏和管道内积淀沉积。同时，消能隧洞2的直径要比入流口和出流口大，可以进一步避免管道内积沙石对管道性能的影响。
58.实施例7
59.与上述实施例不同之处在于，螺旋叶片4上均设有若干的摩擦纹。
60.具体实施过程如下：通过摩擦纹的设计，可以增加与水流接触的表面积，提高水和
叶片之间的摩擦力。这种摩擦力会使水流动能转化为摩擦热，从而达到更好的消能效果；水流穿过消能管道时产生强烈的涡流和附着现象，会导致管道的卡顿和噪声等问题。而设置摩擦纹可以有效减少这种卡顿现象，提高管道的运行稳定性；同时消能管道通常安装在水流较为湍急的环境中，易受到泥沙、石块等杂物的冲刷和磨损。摩擦纹设计可以增加管道表面的粗糙度，抑制沉积和磨损，保证管道的寿命和性能稳定。
61.实施例8
62.与上述实施例不同之处在于，挤压板605和推板604之间设有复位弹簧606，复位弹簧606一端与挤压板605固定连接，复位弹簧606另一端与推板604固定连接。
63.具体实施过程如下：当挤压板605在反作用力下往入流口处移动时，复位弹簧606也可将推板604的位置带动进行回位，进而使挤压板605和推板604之间再次保持密闭的空腔608，从而便于下一次的蓄能。
64.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
65.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。