CN101538842A - 异型突扩突跌掺气坎 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异型突扩突跌掺气坎，整体为簸箕状，包括分别设置在泄洪洞两侧边墙的三角形楔块及其下方的跌坎，三角形楔块是在泄洪洞断面由窄突变加宽的部位开始设置、并以泄洪洞侧边墙为直角边向外延伸而成，三角形楔块的高度和长度根据下泄水流的流速、水深等水力要素而定。本发明解决了高水头、大流量泄洪洞反弧末端断面形状、大小变化时水流安全下泄的关键技术问题；在使用中使高速水流先后出坎，上部水流先出坎先扩散，底部水流后出墙后扩散，合理控制扩散水流与边墙交汇轨迹，在促使边墙近壁水流掺气的同时又可有效抑制水翅的强度，改善水流流态，掺气坎后的底空腔与侧空腔连通状态好，通气顺畅，同时具有具有结构简单、易于施工的优点。
Description
技术领域
本发明涉及泄水建筑物掺气减蚀设施，特别涉及一种异型突扩突跌掺气坎，适用于高流速、大泄量的泄洪洞等水利水电工程的泄水建筑物中。
背景技术
目前，高水头、大流量泄洪洞常采用掺气减蚀设施以保护过流面免遭空蚀破坏。突扩突跌掺气坎设计中主要考虑两个因素：(1)突扩引起的水翅强度不易过大，以免影响建筑物运行。(2)跌坎下游空腔稳定，水流掺气充分，避免清水区出现过大负压。但常规的突扩突跌掺气减蚀设施中在侧空腔尾部容易产生较强的水翅，严重恶化水流流态，特别是侧空腔后存在局部掺气盲区，并因此引起边墙空蚀破坏。某些情况下由于底空腔内有回水涌塞，导致不能形成稳定的掺气空腔、影响水流掺气效果。所以有不少工程在运行一段时间后，在突扩下游边墙仍发生空蚀破坏。而且，现有的突扩突跌型式的掺气减蚀设施一般用于有压洞与明流隧洞的连接部位，在高水头、大流量的明流泄洪洞内采用突扩突跌掺气设施还没有试验先例。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，即突扩突跌掺气减蚀型式在一些具体水电工程泄洪洞应用过程中出现空蚀破坏或水翅较严重等问题，提出了一种异型突扩突跌掺气坎。该掺气坎具有结构简单、易于施工的特点，适用于高流速、大泄量的泄洪洞等水利水电工程的泄水建筑物中过水断面由小变大的过渡连接，即能达到促使泄洪洞水流掺气，加强过流面掺气减蚀保护，有效防止了突扩下游边墙的空蚀破坏，又可有效抑制水翅的产生，改善下泄水流流态，解决了高水头、大流量泄洪洞反弧末端断面形状、大小变化时水流安全下泄的关键技术问题。为导流洞改建为永久泄洪洞提供技术支持。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：通过系统的常压、减压水工模型试验，提出了一种异型突扩突跌掺气坎，所述的异型突扩突跌掺气坎整体为簸箕状，包括分别设置在泄洪洞两侧边墙的三角形楔块及其下方的跌坎，所述三角形楔块在泄洪洞断面由窄突变加宽的部位开始设置、并以泄洪洞的侧边墙为直角边向外延伸而成，三角形楔块的高度和长度根据下泄水流的流速、水深等水力要素而定。
作为本发明的优选的实施实例，所述的三角形楔块高为5m、长为8.4m、宽为2.25m，所述的跌坎高度为2.25m。该方案已经用于实际工程，并已经过长期运行验证。
本发明的有益效果可概括为以下三个方面：
1)相比现有技术，本发明既有效拟制了水翅强度，改善了水流流态，又提高了水流的掺气效果，尤其是侧边墙的掺气效果，从而解决了泄洪洞和导流洞的衔接问题。采用本发明这种型式的掺气坎后，水流掺气充分，且先后出坎，形成上宽下窄的三维自由射流，从而有效地抑制了水翅的产生，大大地改善了跌坎下游的水流流态。本发明这种跌坎型式能有效改善常规的突扩突跌掺气减蚀设施中水流掺气不足，尤其侧边墙掺气不足产生空蚀破坏、底空腔内有回水，不能形成稳定的掺气空腔、水舌水翅较严重水流流态较差、结构复杂不便施工等不利影响。
2)相比现有技术，结合本发明掺气设施布置位置，能取消短进水口后“龙抬头”抛物曲线段，能简化泄洪洞体型，同时能加强跌坎后反弧段的掺气减蚀保护，妥善地解决反弧段面临的高速水流空化空蚀问题。
3)相比现有技术，本发明是首次提出的适用于明流泄洪洞的突扩突跌掺气坎。本发明所述掺气坎的特点是坎下游侧空腔和底空腔连通，空腔中没有回水，水流掺气效果好，是明流泄洪洞断面由小变大情况下掺气减蚀的理想的掺气坎型式。本发明所述坎型突破了国内外泄洪洞难以在缓坡段布置掺气跌坎的限制，对于小底坡明流泄洪洞掺气坎的设计具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明所述的异型突扩突跌掺气坎的纵剖面图；
图2是图1的I-I剖面图；
图3是图1的II-II剖面图。
图中：1通气孔，2三角形楔块，3跌坎，4泄洪洞；H1三角形楔块的高度，L三角形楔块的长度，B三角形楔块的宽度，H2跌坎的高度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
通过多次试验，发明人利用水自由扩散原理和紊动掺气理论，设计出一种结构简单、易于施工的异型突扩突跌掺气坎。如图1-3所示的异型突扩突跌掺气坎，其整体为簸箕状，包括分别设置在泄洪洞4两侧边墙的三角形楔块2及其下方的跌坎3。所述三角形楔块2在泄洪洞4断面由窄突变加宽的部位开始设置，并以泄洪洞4的侧边墙为直角边向外延伸而成。三角形楔块2的高度和长度根据下泄水流的流速、水深等水力要素而定。实际使用中所述掺气坎上的高速水流先后出坎，上部水流先出坎先扩散，下部水流后出坎后扩散，射流上部宽下部窄，从而在达到促使泄洪洞水流充分掺气的同时，又可有效抑制水翅的产生。
以XXX水电站工程1#、2#泄洪冲砂洞的改造为例加以说明，参见图1-3。在泄洪洞4需要设置掺气减蚀设施处设置本发明，即在泄洪洞4断面由窄突变宽的部位开始在泄洪洞4两侧边墙设置高H1为5m，长L为8.4m，宽B为2.25m的三角形楔块2，在三角形楔块2末端处设置2.25m高H2的跌坎3。高速水流在经过所述的簸箕状掺气坎时，侧边水流先后出坎且射流上部宽下部窄，可有效抑制水翅的产生；同时通气孔1向泄洪洞4内大量补气，水舌经所述掺气坎后挑距较远，底空腔较长且与侧空腔连通，水舌呈自由射流状态，从而达到使水流掺气以保护泄水建筑物免遭空蚀破坏的目的。本发明在XXX水电站工程1#、2#泄洪冲砂洞的改造的实际工程运行表明掺气减蚀效果良好。本发明成功的运用到XXX水电站工程1#、2#泄洪排沙洞中，不仅解决了泄洪洞流速高达45m/s反弧连接段的掺气减蚀保护问题，也顺利实现泄洪洞改建段与原导流洞的衔接。为今后高水头、大流量泄洪洞的建设提供了宝贵经验，其成果具有广阔的推广前景和巨大经济社会效益。
本发明以高速水流自由扩散原理和紊流掺气理论为依据，通过系列模型试验，设计出了一种簸箕状的异形突扩突跌掺气坎，解决了高水头、大流量泄洪洞反弧末端断面形状、大小变化时水流安全下泄的关键技术问题。高水头、大流量泄洪洞的反弧连接段水流复杂，特别是在过水断面的形状、大小发生变化时采取逐渐变化的方式，容易发生高速水流分离引发空化水流，引起空蚀破坏。采用常规的突扩突跌掺气坎水流扩散与边墙交汇时一般都形成较大的水翅，水翅冲刷顶拱，恶化流态，而且边墙近壁水流掺气效果难于保证，不利于泄洪洞的安全运行。本发明设计的掺气坎在实际使用中使高速水流先后出坎，上部水流先出坎先扩散，底部水流后出墙后扩散，射流扩散水流形成上部稍宽下部略窄的形态，合理控制扩散水流与边墙交汇轨迹，在促使边墙近壁水流掺气的同时又可有效抑制水翅的强度，改善水流流态。这种掺气坎后的底空腔与侧空腔连通状态好，通气顺畅，同时具有结构简单、易于施工的优点。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种异型突扩突跌掺气坎，其特征在于：所述的掺气坎整体为簸箕状，包括分别设置在泄洪洞两侧边墙的三角形楔块及其下方的跌坎，所述三角形楔块在泄洪洞断面由窄突变加宽的部位开始设置、并以泄洪洞的侧边墙为直角边向外延伸而成，三角形楔块的高度和长度根据下泄水流的流速、水深等水力要素而定。
2.根据权利要求1所述的异型突扩突跌掺气坎，其特征在于：所述的三角形楔块高为5m、长为8.4m、宽为2.25m，所述的跌坎高度为2.25m。
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