CN100487200C - 凸形平板闸门门槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸形平板闸门门槽，包括凹槽，在凹槽内部，平行于水流主流方向的边壁上设置凸体，与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)施工简单；(2)改善门槽槽内的漩涡空化，明显降低平板闸门门槽的初生空化数，改善门槽的空化特性。在水利水电工程中，闸门是泄水和引水建筑物中的主要组成部分，它直接关系到工程的安全运行。本项发明的有效性已经试验验证，结构简单易行，可以有效降低平板闸门门槽的初生空化数，改善门槽的空化特性，提高闸门运行的安全性。

Description

凸形平板闸门门槽

技术领域

本发明涉及一种凸形平板闸门门槽，主要用于防止和减轻水利水电工程泄水建筑物中平板闸门门槽的空蚀破坏。

技术背景

在泄水建筑物中，平板闸门是一种常见的门型，它具有结构简单，布置紧凑，闸墩受力条件好，施工、维修方便等优点，在水工闸坝的泄洪道、输水道、泄洪洞和坝内深孔上应用广泛。但是，当高速水流通过平板闸门门槽时，由于水流在门槽处边界突变和水流的扩散，在门槽内形成漩涡和下游的水流分离，使门槽内部及其附近的边壁或底板上发生空化空蚀，直接影响工程的安全运行。

常见的门槽水流空化形态有分离型空化和漩涡型空化。通常采用门槽初生空化数K_i来衡量门槽的空化特性。K_i值小，说明门槽空化性能好，不容易发生空化。影响门槽初生空化数的因素很多，一般有几何参数和水流参数两方面。当实验条件满足重力相似和空化相似，且实验中R_e足够大，则可认为当水流(A)流经门槽时，门槽的初生空化数仅与其宽深比W/D、错距比Δ/W、斜坡坡度Δ/X、圆角比R/D和挑角θ等几何参数有关，参见图1。

研究和工程实践表明，通过调整几何参数可以在一定程度上改善门槽的分离型空化，而门槽槽内的漩涡空化一直是门槽空化的一个重要问题，近年来随着高坝建设不断发展，平板闸门的工作水头不断增加，平板闸门门槽内的漩涡空化问题更为突出。

发明内容

本发明提出一种新的凸形平板闸门门槽，它可以有效减弱门槽槽内出现的立轴漩涡，从而抑制和削弱漩涡型空化，改善门槽的空化特性，降低其初生空化数。

本发明采用如下技术方案；

一种凸形平板闸门门槽，包括凹槽，在凹槽内部，平行于水流主流方向的边壁上设置凸体。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)施工简单；

(2)改善门槽槽内的漩涡空化，明显降低平板闸门门槽的初生空化数，改善门槽的空化特性。

在水利水电工程中，闸门是泄水和引水建筑物中的主要组成部分，它直接关系到工程的安全运行。本项发明的有效性已经试验验证，结构简单易行，可以有效降低平板闸门门槽的初生空化数，改善门槽的空化特性，提高闸门运行的安全性。

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优先实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是平板闸门门槽几何参数示意图。

图2是传统平板闸门门槽的三视图，其中，视图I-I为图2中剖切位置I处的剖视图，II-II为图2中剖切位置II处的剖视图，III-III为图2中剖切位置III处的剖视图。

图3是传统平板闸门门槽几何参数示意图。

图4是凸形平板闸门门槽的三视图，其中，视图I-I为图4中剖切位置I处的剖视图，II-II为图4中剖切位置II处的剖视图，III-III为图4中剖切位置III处的剖视图。

图5是凸形平板闸门门槽几何参数示意图。

图6是传统平板闸门门槽流态图。

图7是凸形平板闸门门槽流态图。

图8是某工程溢流表孔纵剖面图。

图9是某工程溢流表孔平面图。

图10是方案No.1 431.00m水位门槽空化噪声谱图。

图11是方案No.1 440.00m水位门槽空化噪声谱图。

图12是方案No.1 444.83m水位门槽空化噪声谱图。

图13是方案No.1 449.27m水位门槽空化噪声谱图。

图14是方案No.1 452.00m水位门槽空化噪声谱图。

图15是方案No.2 431.00m水位门槽空化噪声谱图。

图16是方案No.2 440.00m水位门槽空化噪声谱图。

图17是方案No.2 444.83m水位门槽空化噪声谱图。

图18是方案No.2 449.27m水位门槽空化噪声谱图。

图19是方案No.2 452.00m水位门槽空化噪声谱图。

图20是方案No.2 455.00m水位门槽空化噪声谱图。

图21是方案No.2 458.00m水位门槽空化噪声谱图。

图22是本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例

参照图22，一种凸形平板闸门门槽，包括凹槽1，在凹槽内部，平行于水流主流方向的边壁上设置凸体2，凸体为凸出于矩形凹槽内部，竖直方向尺寸远大于其它两个方向尺寸的柱体凸体，沿竖直方向，凸体水平截面面积可以保持不变，沿竖直方向，凸体水平截面面积也可以发生变化。上述凸体水平截面为梯形、矩形、三角形或多边形。凸体水平截面与水流作用的边界线为圆弧、抛物线、椭圆曲线、正态分布曲线、抛物线与圆弧组合而成的曲线、椭圆线与圆弧组合而成的曲线或者为其它任意可能的形状。

图2和图3为传统的平板闸门门槽结构示意图。当水流(A)流经门槽时，由于边界发生突变和水流固有的扩散，在槽内形成漩涡。当漩涡中心压强低于饱和蒸汽压强时，涡心出现空泡，形成漩涡型空化。本项发明在传统平板闸门门槽槽内增设凸体(见图4和图5)。凸体可以有效地抑制大尺度漩涡的形成，改善门槽内部及下游边壁压力状态。

传统平板闸门门槽和本发明凸形平板闸门门槽水流流态分别见图6和图7。

下面结合附图对本发明作出更为详细的说明：

如图4和图5所示，本发明凸型门槽，它包括凸体1和矩形凹槽。具体说凸体是位于矩形槽平行于水流方向的侧壁上，竖直方向尺寸远大于其他两个方向尺寸、水平截面形状为梯形的凸体。

采用某工程1：45比尺模型，在相同的试验条件下，仅改变门槽的结构型式，验证了本发明的有效性。

如图8和图9所示，该工程溢流坝为开敞式布置，表孔孔口尺寸13.00m×21.50m(宽×高)，坝顶高程452.00m，堰顶高程418.50m。溢流面曲线坐标原点取在堰顶0，上游采用三圆弧曲线，下游采用WES曲线，方程为：y＝0.034x^1.85，下游出口导水墙上设宽尾墩。为给工作闸门创造检修条件，在每扇工作闸门前设置有检修闸门槽。检修闸门为平面滑动型式，由坝顶门机通过自动抓梁进行操作。

各特征断面桩号为，I-I：0-002.033；II-II：0+002.011；III-III：0+037.043；IV-IV：0+046.278。

工程各特征水位为，死水位：431.00m；正常蓄水位：440.00m；设计洪水位：444.83；校核洪水位：449.27。

方案No.1门槽体型结构如图3所示。门槽宽度W＝1665mm，深度D＝900mm，宽深比W/D＝1.85，错距△＝90mm，下游斜坡坡度△/X＝1/12，门槽轴线桩号0+002.011m。

方案No.2门槽体型结构如图7所示。即在方案No.1的门槽轴线上加设高度H₁＝270mm，下底L₁＝900mm，底角θ＝45°的梯形凸体，其竖直高度与门槽高度相同，其他参数均保持不变。

为了考察方案No.1和方案No.2表孔门槽的空化特性，在大型减压箱中进行了空化试验研究。在空化相似的条件下，采用NoiseA1.O型专用水工空化声测系统对方案No.1和方案No.2在各级主要特征水位下的噪声谱进行了测量，见图10-21。

一般地，当库水位较低，如本研究在特征水位431.00m时，结构处于无空化状态，所得到的空化噪声谱属于无空化情况，称为背景噪声，其他各级水位所得到的空化噪声谱与此背景噪声比较，若两者声压级SPL差大于6-10dB，即为空化初生状态。所获空化数称为初生空化数。初生空化数K_i按下式计算：

$K_i=\frac{H_{\∞i}-H_{\mathrm{vm}}}{v_{\∞i}^2/2g}---\left(1\right)$

式中H_∞i、v_∞i分别为未扰动断面的临界压强和临界流速，H_vm为在试验水温下水的饱和蒸汽压强，g为重力加速度。

水流空化数K按下式计算：

$K=\frac{H_{\∞}-H_v}{v_{\∞}^2/2g}---\left(2\right)$

式中H_∞、v_∞分别为原型未扰动断面的绝对压强和断面的平均流速，H_v为泄流条件下水的饱和蒸汽压强，如果取水温为10℃，H_v＝0.13m。

根据图10-21和式(1)至式(2)，计算得到各方案发生初生空化状态时的未扰动断面绝对压强，未扰动断面的流速和相应的初生空化数和各特征水位下原型的水流空化数列于表1和表2。计算中未扰动断面取自桩号为0+0.211m。

表1 各特征水位下原型的水流空化数K计算结果

表2 两个方案初生空化数K_i和449.27m时原型水流空化数K计算结果

从表2可见，对于校核洪水位449.27m，方案No.2的门槽初生空化K_i小于方案No.1，且小于水流空化数K。即方案No.2相比于方案No.1具有更好的空化特性，工程更安全。

上述设计方案只是本发明中的一个实施例，采用在门槽内部设置沿竖直方向截面形状不变的梯形凸体的门槽型式，根据工程实际情况的不同，本发明还可以采用其他截面形状的凸体和沿竖直方向截面面积和形状变化的门槽型式。

上述设计方案采用凸体与矩形圆角错距斜坡组合的门槽型式，根据工程实际需要，本发明还可以采用凸体与矩形方角门槽、矩形圆角门槽、矩形错距斜坡门槽等组合的门槽型式。

Claims (10)

1.一种凸型平板闸门门槽，包括凹槽(1)，其特征是：在凹槽内部，平行于水流主流方向的边壁上设置凸体(2)，所述凸体(2)为竖直方向尺寸远大于其它两个方向尺寸的柱体凸体。

2.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面为梯形。

3.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面形状为矩形。

4.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面为三角形。

5.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面为多边形。

6.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面与水流作用的边界线为圆弧。

7.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面与水流作用的边界线为抛物线。

8.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面与水流作用的边界线为椭圆曲线。

9.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面与水流作用的边界线为正态分布曲线。

10.根据权利要求1所述的凸型平板闸门门槽，其特征在于：凸体水平截面与水流作用的边界线为抛物线与圆弧组合而成的曲线。

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