CN102277862B

CN102277862B - 一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎

Info

Publication number: CN102277862B
Application number: CN 201110121895
Authority: CN
Inventors: 张东; 吴一红; 章晋雄; 刘之平; 张宏伟; 高建标; 张文远; 李长河; 项亚萍
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: CN102277862A

Abstract

本发明公开了一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，该侧壁掺气坎设置在明流隧洞起始部位的两侧，该掺气坎为梯形收缩突扩式的样式，在突扩突跌掺气坎后增设该掺气坎，可妥善地解决泄洪洞闸门出口的高速水流由压力流转变为明流的衔接问题，并同时提高了水流的掺气效果，增强了对下游高速过流表面的掺气减蚀保护。

Description

一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎

技术领域

本发明涉及水利工程的泄洪消能领域，特别涉及一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎。

背景技术

高水头低位泄洪洞在压力洞向明流洞过渡段为配合闸门止水设计一般采用突扩突跌掺气坎的衔接型式。对于突扩突跌掺气坎的衔接型式，由于闸门出口处水流流速高，且前后宽度不同，水流由压力流向明流过渡的过程中，必然伴随着水力特性的剧烈调整。突扩突跌掺气坎的衔接型式的缺点在于：弧门局部开启时水流流态差，侧面水流掺气困难，掺气设施两侧边墙存在清水带，容易发生空蚀破坏，不利于泄洪洞的安全。如龙羊峡底孔、紫坪铺冲沙放空洞在运行过程中都出现了不同程度的空蚀破坏。为了避免空蚀破坏，在突扩突跌掺气坎后增设过渡段，来做进一步的水力调整。

目前压力隧洞出口突扩突跌掺气坎后直接与明流隧洞相连接，或者是增设一定长度的渐扩段过渡衔接。

如图1所示，是现有技术中压力隧洞连接宽度不变的明流隧洞的结构示意图。压力隧洞1与宽度不变的明流隧洞2相连接。对于该连接型式，其突扩宽度是该体型的主要参数。合适的突扩宽度可保证水流流态良好，有利于水流掺气，实现泄洪洞水流由有压向无压的良好过渡。过大的突扩宽度导致侧向扩散水流对边壁的冲击角偏大，不仅引起流态恶化，还影响侧壁掺气效果，不利于泄洪洞的安全运行。而过小的突扩宽度导致侧空腔太小，通气不畅，影响水流掺气，还可能形成负压区。水流侧向冲击边墙产生的反弹折流作用容易发生水流分离现象，导致存在负压区，这种水流条件下容易诱发空化水流，同时由于边墙冲击区压力升高妨碍水流挟气，影响侧壁水流掺气效果，不能对边墙形成有效的掺气保护。

如图2所示，是现有技术中压力隧洞连接含渐扩段的明流隧洞的结构示意图。压力隧洞1与含渐扩段的明流隧洞3相连接。对于该连接型式，渐扩段的扩散角是设计中的重要参数。合理的扩散角有利于水流平稳过渡，而不当的扩散角很容易引起高速水流的边壁分离现象，诱发空蚀破坏。由于扩散角受具体工程布置等多种因素限制，出于各自水力条件、运行特点、工程布置等因素考虑，工作弧门和下游明流段的宽度可能不同，选择合适的扩散角以适应不同的水力运行条件有一定难度。因此在实际应用中，多选用压力隧洞1出口突扩突跌掺气坎后直接与宽度不变的明流隧洞2相连接的型式。

现有技术中的连接形式在闸门局部开启时侧空腔短，水翅强，而且受闸门底缘作用，水流封堵侧空腔，减弱侧壁掺气效果，侧空腔后往往存在大面积掺气盲区，容易发生空蚀风险，影响泄洪洞安全。以某工程冲沙放空洞为例，工作闸门出口下游设计体型不善引起水流分离使边墙局部压力陡然降低并发生空化水流；而突扩突跌掺气坎后侧空腔较短，边墙附近水流掺气能力不足，不能对边墙提供有效的掺气减蚀保护。以上两个因素是闸室出口两侧边墙容易发生空蚀破坏的主要原因。目前没有很好的解决压力隧洞与明流隧洞连接后水流流态差、掺气困难、边壁容易发生空化空蚀问题的办法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，其能有效的解决现有技术中压力隧洞连接明流隧洞后水流流态差、掺气困难、边壁容易发生空化空蚀及闸门不能局部开启运行的问题。

技术方案如下：

一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，所述侧壁掺气坎为五面体，所述五面体结构包括，上表面、下表面、左侧面、右侧面和背面；所述上表面和下表面均为直角梯形，所述左侧面和右侧面均为直角三角形，所述背面为长方形，所述侧壁掺气坎设置在所述宽度不变的明流隧洞起始部位的两侧，或者所述侧壁掺气坎设置在所述含二次突扩段的明流隧洞二次突扩部位的两侧，所述侧壁掺气坎设置在压力隧洞出口突扩突跌掺气坎后。

进一步，还包括长方体，所述长方体设置在所述五面体的背面位置。

进一步，还包括底板，所述底板设置在所述长方体和五面体的下部。

进一步，掺气坎沿流向倾斜比的取值范围在0.5～1之间；侧向收缩比的取值范围在0.05～0.125之间。

技术效果如下：

1、本发明提出了一种侧壁掺气坎，该侧壁掺气坎为梯形收缩突扩式的样式，在突扩突跌掺气坎后增设该掺气坎，可妥善地解决泄洪洞闸门出口的高速水流由压力流转变为明流的衔接问题，并同时提高了水流的掺气效果，增强了对下游高速过流表面的掺气减蚀保护。

2、本发明以梯形收缩式突扩掺气坎代替传统的渐扩衔接，可消除侧壁清水带的负压区，增大侧空腔面积，改善侧面通气状况，增强侧壁水流掺气效果。

3、使用本发明的侧壁掺气坎，可控制水舌自上而下先后出坎，从而有效地抑制了水翅的产生，大大地改善下游的水流流态，同时增强侧壁掺气效果。

4、本发明的侧壁掺气坎沿水流方向逐渐缩窄，可进一步增大侧空腔底部面积，形成上宽下窄的三维自由射流，控制水流与边墙交汇点，有效的抑制了边墙水翅的形成，侧向收缩的体型设计可进一步改善下游的水流流态，增强侧壁掺气效果。

5、本发明满足了闸门局部运行的要求。

附图说明

图1是现有技术中压力隧洞连接宽度不变的明流隧洞的结构示意图；

图2是现有技术中压力隧洞连接含渐扩段的明流隧洞的结构示意图；

图3是本发明放置在含二次突扩段的明流隧洞的俯视结构示意图；

图4是本发明放置在含二次突扩段的明流隧洞的侧视结构示意图；

图5是本发明中优选实施例一的立体结构示意图；

图6是本发明中优选实施例一的俯视结构示意图；

图7是本发明中优选实施例一的侧视结构示意图；

图8是本发明中优选实施例二的立体结构示意图；

图9是本发明中优选实施例二的俯视结构示意图；

图10是本发明中优选实施例二的侧视结构示意图；

图11是本发明中优选实施例三的立体结构示意图；

图12是本发明中优选实施例三的俯视结构示意图；

图13是本发明中优选实施例三的侧视结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，该侧壁掺气坎为梯形收缩式突扩形状，该侧壁掺气坎设置在明流隧洞的起始部位。下面参考附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细描述。

如图3和图4所示。压力隧洞1与含二次突扩段的明流隧洞4相连接，本发明的侧壁掺气坎5设置在含二次突扩段的明流隧洞4二次突扩部位的两侧。本发明的侧壁掺气坎5也可以设置在宽度不变的明流隧洞2起始部位的两侧。

优选实施例一

如图5所示，本发明中优选实施例一的立体结构示意图；如图6所示，是本发明中优选实施例一的俯视结构示意图；如图7所示，是本发明中优选实施例一的侧视结构示意图。

本发明优选实施例一的侧壁掺气坎为一个五面体，五面体的结构分为：上表面11、下表面、左侧面12、右侧面和背面；其中，上表面11和下表面均为直角梯形，上表面11中上底边的长度为B₁，下底边的长度为B₂；左侧面12和右侧面均为直角三角形，左侧面12中高的长度为H；右侧面中高的长度为H，底边的长度为L；背面为长方形，宽的长度为B₁，长的长度为H。

本发明优选实施例一的侧壁掺气坎的体型参数包括：坎高的长度为H，坎底长度为L，突扩宽度为B₁，坎前沿宽度为B₂。其中H/L表示掺气坎沿流向倾斜比，取值范围在0.5～1之间。（B₂-B₁）/L表示侧向收缩比，取值范围在0.05～0.125之间。

优选实施例一的侧壁掺气坎设置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩部位，其中，五面体的右侧面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩的侧壁处，五面体的下表面放置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩进水口处，五面体的背面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩竖墙；或者，优选实施例一的侧壁掺气坎设置在宽度不变的明流隧洞2的起始部位，其中，五面体的右侧面贴在宽度不变的明流隧洞2的侧壁处，五面体的下表面放置在宽度不变的明流隧洞2的进水口处，五面体的背面贴在宽度不变的明流隧洞2的起始部位。

优选实施例二

如图8所示，是本发明中优选实施例二的立体结构示意图；如图9所示，是本发明中优选实施例二的俯视结构示意图；如图10所示，是本发明中优选实施例二的侧视结构示意图。

本发明优选实施例二的侧壁掺气坎为五面体和长方体的组合结构。五面体设置在长方体的前侧面。其中，五面体的结构分为：上表面11、下表面、左侧面12、右侧面和背面；其中，上表面11和下表面均为直角梯形，上表面11中上底边的长度为B₁，下底边的长度为B₂；左侧面12和右侧面均为直角三角形，左侧面12中高的长度为H；右侧面中高的长度为H，底边的长度为L；背面为长方形，宽的长度为B₁，长的长度为H。背面设置在长方体的前侧面且背面与长方体的前侧面相重合。长方体结构中，长方体的高的长度为H，长方体的上表面中，横边的长度为L₁，竖边的长度为B₁。

本发明优选实施例二的侧壁掺气坎的体型参数包括：坎高的长度为H，坎顶长度为L₁，坎底长度为L₂，L₂的长度为L+L₁。突扩宽度为B₁，坎前沿宽度为B₂。其中H/（L₂-L₁）表示掺气坎沿流向倾斜比，取值范围在0.5～1之间。（B₂-B₁）/（L₂-L₁）表示侧向收缩比，取值范围在0.05～0.125之间。

优选实施例二的侧壁掺气坎设置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩部位，其中，五面体的右侧面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩侧壁处，五面体的下表面放置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩进水口处，长方体的后侧面13贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩竖墙；或者，优选实施例二的侧壁掺气坎设置在宽度不变的明流隧洞2的起始部位，其中，五面体的右侧面贴在宽度不变的明流隧洞2的侧壁处，五面体的下表面放置在宽度不变的明流隧洞2的进水口处，长方体的后侧面13贴在宽度不变的明流隧洞2的起始部位。

优选实施例三

图11是本发明中优选实施例三的立体结构示意图；图12是本发明中优选实施例三的俯视结构示意图；图13是本发明中优选实施例三的侧视结构示意图。

本发明优选实施例三的侧壁掺气坎为五面体、长方体和底板的组合结构。五面体设置在长方体的前侧面，五面体和长方体的组合结构设置在底板上。其中，五面体的结构分为：上表面11、下表面、左侧面12、右侧面和背面；其中，上表面11和下表面均为直角梯形，上表面11中上底边的长度为B₁，下底边的长度为B₂；左侧面12和右侧面均为直角三角形，左侧面12中高的长度为H；右侧面中高的长度为H，底边的长度为L；背面为长方形，宽的长度为B₁，长的长度为H。背面设置在长方体的前侧面且背面与长方体的前侧面相重合。长方体结构中，长方体的高的长度为H，长方体的上表面中，横边的长度为L₁，竖边的长度为B₁。在五面体和长方体的组合结构的下部还设置有底板，底板的上表面和下表面均为直角梯形和长方形的组合，底板的上表面和下表面大小相同，底板的上表面与五面体和长方体的组合结构的下表面相重合。底板的高度为D。

本发明优选实施例三的侧壁掺气坎的体型参数包括：坎高的长度为H+D，坎顶长度为L₁，坎底长度为L₂，L₂的长度为L+L₁。突扩宽度为B₁，坎前沿宽度为B₂，其中H/（L₂-L₁）表示掺气坎沿流向倾斜比，取值范围在0.5～1之间。（B₂-B₁）/（L₂-L₁）表示侧向收缩比，取值范围在0.05～0.125之间。

优选实施例三的侧壁掺气坎设置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩部位，其中，五面体的右侧面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩侧壁处，底板的下表面放置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩进水口处，长方体的后侧面13贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩竖墙；或者，优选实施例三的侧壁掺气坎设置在宽度不变的明流隧洞2的起始部位，其中，五面体的右侧面贴在宽度不变的明流隧洞2的侧壁处，底板的下表面放置在宽度不变的明流隧洞2的进水口处，长方体的后侧面13贴在宽度不变的明流隧洞2的起始部位。

本发明的侧壁掺气坎在侧向为梯形突扩式，水流扩散起点位置沿水深而变化，随水深增加而逐渐向下游移动。即上部水流先出坎先扩散，底部水流后出坎后扩散。这种扩散方式的优点是能控制侧向水流与边墙的交汇点，使上部水流与边墙的交汇点始终位于其下部水流与边墙交汇点的上游，从而能有效抑制底部水流沿侧壁空腔上窜。侧向突扩坎沿水流方向逐渐收缩的体型增大了底部侧空腔长度。

本发明的掺气坎主要针对压力隧洞向明流洞过渡所采用的突扩突跌掺气坎加下游二次突扩的衔接型式，但本发明对于单一的突扩突跌或突扩衔接型式同样适用。

Claims

1.一种应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，其特征在于：所述侧壁掺气坎为五面体，所述五面体结构包括，上表面、下表面、左侧面、右侧面和背面；所述上表面和下表面均为直角梯形，所述左侧面和右侧面均为直角三角形，所述背面为长方形，所述侧壁掺气坎的侧向收缩比的取值范围在0.05～0.125之间；所述侧壁掺气坎设置在所述宽度不变的明流隧洞起始部位的两侧，或者所述侧壁掺气坎设置在所述含二次突扩段的明流隧洞二次突扩部位的两侧，所述侧壁掺气坎设置在压力隧洞出口突扩突跌掺气坎后。

2.如权利要求1所述的应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，其特征在于：还包括长方体，所述长方体设置在所述五面体的背面位置。

3.如权利要求2所述的应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，其特征在于：还包括底板，所述底板设置在所述长方体和五面体的下部。

4.如权利要求1所述的应用于明流隧洞的侧壁掺气坎，其特征在于：掺气坎沿流向倾斜比的取值范围在0.5～1之间；侧向收缩比的取值范围在0.05～0.125之间。