CN100567650C - 一种平底泄水建筑物的掺气装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平底泄水建筑物的掺气装置，采用挑坎、掺气槽和跌坎组合的形式掺气，并在掺气槽后部设贴流坎，在空腔范围内，贴流坎上部轮廓线逆水流方向从顶部逐渐延伸到底部，在空腔后部水流与贴流坎撞击段，贴流坎上部轮廓线顺水流方向逐渐延伸到底部。本发明优点：(1)射流越过通气槽后与贴流坎交角较小，不易产生回溯水流堵塞空腔，在平底泄水建筑物过流面形成稳定空腔，减少空腔回水，提高掺气效率；(2)去除多余部分有助于改善空腔内压力分布状况，增大空腔水气接触面面积；(3)在不改变上游挑坎形状的条件下，相当于增加了有效挑坎高度；(4)有利于高速射流将通气槽内的积水排出。本发明其结构简单易行，可降低工程投资，提高工程安全性，具有很好的应用前景。

Description

一种平底泄水建筑物的掺气装置

技术领域

本发明涉及一种泄水建筑物的掺气装置，特别为一种平底泄水建筑物掺气装置。

技术背景

“深峡谷、高水头、大流量、多泥沙”是现代水利水电工程建设的主要特点，随着水力资源的不断开发和利用，世界各国修建了大量的水利枢纽和高坝。我国在2003年已建、在建100m以上高坝108座，其中，二滩双曲拱坝高240m，小湾双曲拱坝高292m，而锦屏一级双曲拱坝将高达305m。

在高坝建设中，泄水建筑物的投资约占整个工程的40-60％。当水头达到或超过100m时，其流速将达到或超过35m/s，由此带来的水力学问题均属高速水流问题，对工程的安全运行带来严重的威胁。其中，尤以空化空蚀问题最为突出，它直接影响建筑物的安全运行。

众多的试验和工程实践已经证明，通过对水流掺气可以有效地防止和减轻空化空蚀现象的发生，从而保护过水边界免遭空蚀的破坏。而要使水流掺气，在水流边界上设置掺气槽坎又是一种最为经济最为简便的措施。所以目前在水工过水建筑物、特别是高速泄水建筑物上已得到广泛的应用。但是研究发现，在坡度缓、泄槽窄、水深大的情况下设置掺气槽坎，往往在槽中或空腔中存有积水，掺气空腔时长时短、时有时无、极不稳定，影响掺气效果，严重时甚至掺不进气。如何解决这个问题，已成为设计和科研试验人员十分关注的一个问题，特别对于平底泄水建筑物的掺气，国内外鲜有成功的先例。

通常可以采用改变上游挑坎形状和下游贴流坎形状来改善空腔流态，增强掺气效果。目前工程中常用的掺气设施有掺气挑坎(通常简称挑坎)、跌坎、掺气槽及其组合型式。如图1-图3所示。也有在掺气槽后部设置贴流坎的，其特点是顺水流方向，贴流坎过流面高程逐渐降低，如图4、图5所示。一般来说，上游挑坎采用高坎易获得较长的通气空腔，但也会使挑射水流与下游底板交角增大，恶化水流流态，带来一系列新问题。

在掺气设施下游设置贴流坎可以减小水流和泄水建筑物过流面夹角，达到减少空腔回水的目的。但是这样会在一定程度上降低挑坎的有效高度，贴流坎外形设计不当也会影响空腔内的气流流态，减小空腔内气水的掺混效果，降低掺气设施的掺气量。目前平底泄水建筑物中使用的贴流坎上游侧通常设计为竖直向上的形式，即存在以上问题。从图5中可以看出，楔型体abcd组成贴流坎(B)，如果其上游侧(ad边)做成竖直向上的形式，则a点在一定程度上高出水舌与贴流坎的撞击点(b点)，相当于降低了上游挑坎的有效高度；上游侧(ad)为竖直向上不利于空气将空腔内的积水带出；空腔内的部分(abd)不利于气流的流动，影响掺气效果。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术的上述缺陷而提供一种平底泄水建筑物掺气的装置。

本发明的目的通过如下技术解决方案来实现：

一种平底泄水建筑物掺气装置，采用挑坎、掺气槽和跌坎组合的形式掺气，并在掺气槽后部设贴流坎，在空腔范围内，贴流坎上部轮廓线逆水流方向从顶部逐渐延伸到底部，在空腔后部水流与贴流坎撞击段，贴流坎上部轮廓线顺水流方向逐渐延伸到底部。

本发明的目的还可通过如下技术解决措施来进一步实现：

前述的一种平底泄水建筑物的掺气装置，其中所述的泄水建筑物过流面在非掺气装置段为平底。

前述一种平底泄水建筑物的掺气装置，其中所述的在空腔范围内，贴流坎上游侧，逆水流方向从顶部逐渐延伸到底部。

本发明的优点是：(1)射流越过通气槽后与贴流坎交角较小，不易产生回溯水流堵塞空腔，在平底泄水建筑物过流面形成稳定空腔，减少空腔回水，提高掺气效率；(2)去除多余部分有助于改善空腔内压力分布状况，增大空腔水气接触面面积；(3)在不改变上游挑坎形状的条件下，相当于增加了有效挑坎高度；(4)有利于高速射流将通气槽内的积水排出。

在水利工程中，平底泄水建筑物的掺气方法一直是一项难题，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，可降低工程投资，提高工程安全性，具有很好的应用前景。

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是传统掺气挑坎平底泄水建筑物掺气过流面型式示意图；

图2是传统掺气槽平底泄水建筑物掺气过流面型式示意图；

图3是传统跌坎平底泄水建筑物掺气过流面型式示意图；

图4是传统掺气挑坎、掺气槽和跌坎的组合形式，并在掺气槽下游侧设置了贴流坎(B)以减少空腔回水。为减小水流与过流面的撞击夹角，贴流坎的顶部高度顺水流方向(A)逐渐降低。

图5是传统贴流坎体型过流示意图。

图6是本发明贴流坎体型过流示意图。

图7是本发明实验中采用的某工程泄洪洞纵剖面图。

图8是本发明图7中该工程泄洪洞平面图。

图9是本发明图7中该工程原设计方案的掺气设施详图。

图10是本发明方案No.1，挑坎和掺气槽组合型式的掺气系统体型图。

图11是本发明方案No.2，挑坎和跌坎的组合型式的掺气系统体型图。

图12是本发明方案No.3，掺气挑坎、掺气槽和贴流坎组合型式的掺气系统体型图。

图13是本发明方案No.4，掺气挑坎、掺气槽和贴流坎组合型式的掺气系统体型图。

图14是本发明的掺气系统体型图，挑坎、掺气槽、跌坎和贴流坎的组合形式。

图15是本发明1∶30模型试验结果换算到相应原型的水位(H)和风速(v)关系曲线。

具体实施方式

如图6-15所示，本发明一种平底泄水建筑物的掺气装置，采用挑坎、掺气槽和跌坎组合的形式掺气，并在掺气槽后部设贴流坎，在空腔范围内，贴流坎上游侧，逆水流方向从顶部逐渐延伸到底部，在空腔后部水流与贴流坎撞击段，贴流坎上部轮廓线顺水流方向逐渐延伸到底部。所述的泄水建筑物过流面在非掺气装置段为平底。将贴流坎(B)上游侧(ad)做成顶部倾向下游的形式，使得上游侧顶点(a点)尽量靠近水舌下缘与贴流坎的撞击点(b点)。完全可以克服传统贴流坎上游侧竖直向上带来的上述缺点。

实施例：

采用某工程1∶30比尺模型几种不同的掺气型式验证了本发明的有效性。工程原型尺寸见图7、图8和图9。

如图7所示，泄洪洞为平底泄洪洞，自进口至F1点为矩形有压段，有压出口为宽5m、高8m的矩形出口，后部为矩形明渠。进口顶板曲线(A1-B1段)为椭圆曲线，后接1∶4.5的压板(C1-D1段)，出口处顶板压板坡度为1∶4.925。椭圆曲线方程为： $\frac{x^2}{{10}^2}+\frac{y^2}{{6.67}^2}=1.$ 图中各点的桩号分别为，A1：0-008.200m；C1：0+000.000m；D1：0+002.250m；E1：0+062.000m；F1：0+071.850m；G1：0+078.200m；H1：0+113.331m；I1：0+116.651m；J1：0+131.271m。其中，G1为掺气挑坎起坡点。泄洪洞底板高程为290.000m，D1点至E1点顶板高程为300.000m，F1点高程为298.000m，后部边墙高度14.377m，即H1、I1和J1点的高程为304.377m。

如图8所示，泄洪洞进口段边墙为椭圆形，椭圆曲线(A2-B1段)方程为 $\frac{x^2}{{10}^2}+\frac{y^2}{{1.67}^2}=1,$ 自D1点以后泄洪洞宽度保持5m不变，在桩号0+095.000m处，泄洪洞在水平面上做圆弧状转弯，转弯半径R1＝95m，R2＝90m。

如图9所示，原设计中采用挑坎和掺气槽的组合形式。挑坎长(L10)1m、高(Δ10)0.2m，掺气槽宽(L20)1.05m、高(Δ20)1.25m。起坡点(G1)的高程为290.000m，桩号0+078.200m。

在相同来流条件下，上游挑坎形状和位置不变，通气孔不变，只改变下游贴流坎形状，各方案对应的原型尺寸如图10至图14所示。

方案No.1中，挑坎起坡点G1桩号为0+078.200m，高程为290.000m，挑坎长度(L11)为2m，高度(Δ11)为0.4m，掺气槽长度(L12)为1.5m，深度(Δ13＝Δ12)为0.5m。

方案No.2中，挑坎起坡点G1桩号为0+078.200m，高程为290.000m，挑坎长度(L21)为2m，高度(Δ21)为0.4m，跌坎高度(Δ22)为0.5m。

方案No.3中，挑坎起坡点G1桩号为0+078.200m，高程为290.000m，挑坎长度(L31)为2m，高度(Δ31)为0.4m，掺气槽宽(L32)1.5m，Δ32＝0.9m，Δ33＝0.6m，Δ34＝0.4m。

方案No.4中，挑坎起坡点G1桩号为0+078.200m，高程为290.000m，挑坎长度(L41)为2m，高度(Δ41)为0.4m，掺气槽宽(L42)1.5m，Δ42＝0.9m，Δ43＝0.45m，Δ44＝0.4m。

如图14所示，挑坎起坡点G1桩号为0+078.200m，高程为290.000m，挑坎长度(L51)为2m，高度(Δ51)为0.4m，掺气槽宽(L52)1.5m，Δ52＝0.9m，Δ53＝0.45m，Δ54＝0.4m。实测的一组风速值根据相应公式换算以后得到的原型风速数据，风速数据采用Testo450风速仪量测。两侧圆形通气孔直径为0.9m。

根据试验结果：原始方案下，挑坎(图9所示)无法掺气，因此采用挑坎和跌坎结合的型式，即方案No.4。

方案No.4可以掺气，但是空腔回水较多，造成空腔不稳定，间歇性掺气，达不到保护挑坎后部过流面的要求，需要增设贴流坎。

与方案No.1、No.2、No.3相比，本发明实测的通气孔风速明显最大，因为通气孔面积相同，因此本发明的通气量最大。实际观测的流态最好，空腔最稳定。

与方案No.4相比，本发明的通气孔风速略小，但是流态明显优于方案No.4。因此可在工程中实际采用本发明的方案。

通过试验数据分析，本发明可以有效解决平底泄水建筑物掺气难题。

上述设计方案只是本发明中的一个实施例。根据工程实际情况的不同，本发明还可以有其它实施方案。只要在平底泄水建筑物掺气设施中，采用挑坎、掺气槽和跌坎结合的方式，在掺气槽后设有贴流坎，并且在水流空腔范围内，贴流坎逆水流方向，从顶部逐渐延伸到底部的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种平底泄水建筑物的掺气装置，采用挑坎、掺气槽和跌坎组合的形式掺气，并在掺气槽后部设贴流坎，在空腔范围内，贴流坎上部轮廓线逆水流方向从顶部逐渐延伸到底部，在空腔后部水流与贴流坎撞击段，贴流坎上部轮廓线顺水流方向逐渐延伸到底部。

2.根据权利要求1所述一种平底泄水建筑物的掺气装置，其特征在于：在空腔范围内，贴流坎上游侧，逆水流方向从顶部逐渐延伸到底部。

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