CN102619200B - 斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能方法，包括：入水口与斜井连接，斜井与出水洞连接，斜井与出水洞连接的反弧段的起始处的底板上设置带有通气管的主掺气坎，主掺气坎的上游的两侧壁设置相对而立的一对分别带有通气管的侧掺气坎。出水洞的出口的位置设置在河道的洪水水位之下，出水洞的出口处底板上设置带有通气管的沿河道水流方向和泄洪水流方向逐渐抬起的潜水挑流坎。由于侧掺气坎用涡流负压吸允空气，保护其侧壁不发生空蚀。在泄洪洞出口带有通气管的挑流坎设置在洪水位以下的高程，使河道中的水流产生紊动剪切，提高消能率，减轻对河道的冲刷，避免了泄洪洞破坏和出口下游山体滑坡，大大改善生态环境。

Description

斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能方法

技术领域

本发明涉及一种斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能方法，是一种水利工程的消能方法和设施，是一种用于水库防洪泄水的泄洪洞中的消能方法和消能设置。

背景技术

传统的斜井式泄洪洞，洪水从其进水口通过斜井进入反弧段，再通过平洞的出口挑流坎将水流抛射到下游河内。在高速水流的作用下，反弧段末端的底板极易由于空蚀引起严重破坏。例如美国胡佛坝泄洪洞发生的深达3米的空蚀破坏，格林峡坝处泄洪洞深达6米的破坏，还有墨西哥的英菲尔尼罗坝、西班牙的阿尔达阿达比拉坝等处的泄洪洞，以及中国的刘家峡和二滩大坝的泄洪洞都曾发生过类似的破坏。为了防止泄洪洞反弧段末端底板的破坏，通常在反弧段起始处上游斜井的底板上浇注掺气坎（掺气槽），并在坎后的边墙设置通气孔，防止地板的破坏。然而，由于仅在底板上设置用以防止下游空蚀的掺气坎和通气孔，当水流的流速很大时（超过40m/s），掺气坎的边墙也可能发生空蚀，破坏掺气坎和通气孔，使掺气坎失去了保护反弧段末端的防蚀作用。例如中国二滩水电站的一号泄洪洞就是由于掺气挑坎后的侧墙出现空蚀，导致下游钢筋混凝土底板严重破坏。

传统斜井式泄洪洞的另一个问题是由于洞内未能有效消能，泄洪洞出水口水流带有大量能量，为防止这些能量破坏出水口岸边，传统的方式是采用出口挑流坎。这种出口挑流坎都是设在高于下游洪水位以上的高程处，用空中挑流的方式将高速水流抛射到下游河内。这种高速水流抛射会造成严重的河床冲刷，同时由于高速水流在空中的掺气扩散作用，以及从高空降落冲击河水溅起高大的浪花，同大气再次掺混弥散形成严重的雾化现象，产生特大暴雨，某些泄洪洞泄洪时，由于雾化形成的降雨量竟达1000mm/h，严重破坏生态植被，引起山体滑坡和环境恶化。由于出口挑流雾化携带泥沙粉尘，还会使高压变电器短路，导致电力中断，同时还破坏了岸边公路。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能方法，对已建成的泄洪洞进行改进，在反弧段起始处底板的掺气坎上游侧壁设置带有通气管的侧掺气坎，改造泄洪洞出水口，设置潜水挑流坎，以防止反弧段末端空蚀和减轻出水口的雾化现象，消除对泄洪洞下游的生态破坏。

本发明的目的是这样实现的：一种斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能工，所述斜井式泄洪洞包括：入水口，所述入水口与斜井连接，所述的斜井与出水洞连接，所述的斜井与出水洞连接的反弧段的起始处的底板上设置带有通气管的主掺气坎，在所述主掺气坎的上游的两侧壁设置相对而立的一对分别带有通气管的侧掺气坎；所述的出水洞的出口的位置设置在河道的洪水水位之下，所述出水洞的出口与所述河道水流的夹角小于90度并沿泄洪水流的方向扩大，形成喇叭形，所述出水洞的出口处底板上设置带有通气管的沿所述河道水流方向和所述泄洪水流方向抬起潜水挑流坎。

一种使用上述消能工的消能方法，所述方法的步骤如下：

水流通过入水口进入斜井；

水流接近斜井底部时，通过所述主掺气坎，在主掺气坎后产生负压吸允的大量空气，由高速水流带到反弧段的末端形成水气垫层，以抑制空蚀对钢筋混凝土底板的破坏；

水流经过反弧段进入出水洞，在出水洞出口水流以与河道水流小于90度的角度流入河道；

所述在斜井中的水流在经过主掺气坎之前，流经侧掺气坎，水流在侧掺气坎背水面产生立轴涡流产生消能作用，同时所述的立轴涡流在侧掺气坎背水面产生负压，所述负压经通气管吸收大量洞顶空气，掺入水中消能，立轴涡流和掺入的空气，保证主掺气坎两侧壁不发生空蚀；

所述出水洞中的水流流出出水洞，与所述河道中的水流汇合，使河道中的水流在出水洞流出的水流高速射流的拖曳下，在出水洞潜水挑流坎作用下，挑流水舌的下方产生水平轴顺时针的漩涡流，并通过通气管掺入大量空气，在所述挑流水舌上方产生水平轴逆时针的漩涡流，进行紊动剪切作用，提高消能率，减轻对河道的冲刷和雾化现象。

本发明产生的有益效果是：为了解决反弧段底板上掺气坎下游空蚀的问题本发明在反弧段底板上的掺气坎上游斜井的两边壁设置带有通气管的侧掺气坎。由于侧掺气坎消能并用负压吸允空气，输送到下游底板上的掺气挑坎处，保护其侧壁不发生空蚀。本发明将泄洪洞出口带有通气管的挑流坎设置在洪水位以下的高程，使河道中的水流在高速射流的拖曳下在挑流水舌的下方产生顺时针的漩涡流，在其上方产生逆时针的漩涡流，进行紊动剪切作用，提高消能率，减轻对河道的冲刷，避免了传统挑流坎所溅起巨大的浪花和在高空中弥散水汽，大大减轻了雾化现象。本发明在原有泄洪洞的基础上做两项改造：一是在主掺气坎上游设置侧掺气坎，二是改造出水口，将出水口的挑流坎设置在下游河道洪水水位之下。两项改造对原有洞体基本不做任何改变，洞内浇筑侧掺气坎和洞出口改造在工程上十分容易实现，改进的土方量极小，所以改建成本较低，而防止空蚀和提高消能作用却十分明显的。本发明最好应用在新建泄洪洞的设计中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述斜井式泄洪洞的示意图，是图2 B-B向视图；

图2是本发明的实施例一所述斜井式泄洪洞的示意图，是图1 A-A向视图；

图3是本发明的实施例二所述侧掺气坎的示意图，是图2中的d点放大图；

图4是本发明的实施例二所述侧掺气坎的示意图，是图3中F-F向视图；

图5是本发明的实施例三所述的潜水挑流坎的示意图，是图2中的C-C向视图；

图6是本发明的实施例三所述的潜水挑流坎的示意图，是图5中的D-D向视图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能工，如图1、2所示。本实施例所述的斜井式泄洪洞包括：入水口1，所述入水口与斜井2连接，所述的斜井与出水洞8连接，所述的斜井与出水洞连接的反弧段7的起始处的底板上设置带有通气管5的主掺气坎6，在所述主掺气坎的上游的两侧壁设置相对而立的一对分别带有通气管3的侧掺气坎4。所述的出水洞的出口的位置设置在河道的洪水水位之下，所述出水洞的出口与所述河道水流的夹角小于90度并沿泄洪水流的方向扩大，形成喇叭形，所述出水洞的出口处底板上设置带有通气管9的沿所述河道水流方向和所述泄洪水流方向逐渐抬起的潜水挑流坎10。

斜井式（俗称龙抬头式）泄洪洞，设有足够的进水和进气通道，其斜井的断面尺寸较大，以便在顶端有足够的空间流通空气，使水流在整个斜井流通过程保持明流。由于洞顶有足够的空气，为设置通气管准备了良好的条件。所述的反弧段指的是斜井与平洞（出水洞）的平滑连接的一段洞体。本实施例所述的斜井和出水洞的截面形状均为城门洞型。为了防止泄洪洞破坏，通常在紧靠反弧段的上游斜井底板上浇注主掺气坎（掺气槽），并在坎后的边墙设置通气孔，在主掺气坎后产生负压吸允的大量空气，由高速水流带到反弧段的末端形成水气垫层，可以抑制空蚀对钢筋混凝土底板的破坏。所述的主掺气坎可设计为三角墩或其他类型的挑流坎。三角墩的迎水面坡度较小，背水面坡度较大，在斜井中心的纵切面（沿斜井中心轴线的竖直平面）上，所述主掺气坎的形状为三角形，故称为三角墩。通气管安装在斜井洞壁上，进气口设置在接近洞顶的位置，出气口设置在掺气坎背水面，或掺气坎背水面相邻的两侧洞壁上。通气管的截面形状可以是圆形，也可以是矩形，或者正方形等形状。

以往仅在底板上设置掺气坎和通气管，用以防止下游空蚀，但是当高速水流的流速很大时（超过40m/s），主掺气坎的侧壁上也可能发生空蚀，破坏主掺气坎和通气管，使主掺气坎失去了保护反弧段末端的防蚀作用。为了解决此问题本实施例在主掺气坎上游斜井的两侧壁设置带有通气管的侧掺气坎。由于侧掺气坎的负压吸允空气输送到下游主掺气挑坎处，可以保护其侧壁不发生空蚀，同时在两道侧掺气坎后形成的立轴漩涡也起到一定的消能作用。

所述的侧掺气坎是成对的设置在斜井两侧的洞壁上，两个侧掺气坎相对而立，使斜井在侧掺气坎的位置过水截面积缩小，以产生一种挤压射流的作用。所述的侧掺气坎可以是三角墩或其他的墩形。所述的三角墩是由于沿水流平面所截取的侧掺气坎截面形状为三角形，故称为三角墩。三角墩上设置的通气管可以是一根主管带有几根支管，主管的进气口设置三角墩的顶部，接近斜井的洞顶。在主管上连接几根支管，支管的出气口设置在三角墩的背水面。也可以用数根管子，直接将三角墩的背水面与接近洞顶的位置连接。

所述的出水洞是一条纵向底坡很小接近水平的隧洞。出水洞流出的水流（如图2中箭头E所示），与河道中的水流（如图2中箭头D所示）成小于90度的夹角，这个角度越大则出水洞流出的水流对河道的冲击越大，因此越小越好。出水口成喇叭形，即沿出水水流的方向（如图2中箭头D所示）出水口越来越大，是水流进入河道上呈扩散形，也具有一定消能作用。所述出水洞的出水口是一段开敞的矩形截面的凹槽（无顶盖），在凹槽出口处设置挑流坎。

为了消减泄洪洞出口处雾化问题，本实施例将出水洞出口的挑流坎设置在洪水位以下的高程，成为潜水挑流坎，并在所述挑流坎设置掺气防蚀的通气管，因此，可以称之为自掺气潜水挑流消能工，用以取代传统的空中射流的水上挑流坎。潜水挑流坎的消能机理是，河道中的水流在高速射流的拖曳下在挑流水舌的下方产生顺时针的漩涡流，在其上方产生逆时针的漩涡流，进行紊动剪切作用，提高消能率减轻对河道的冲刷，同时由于水下消能无溅起巨大的浪花和在高空中弥散水汽，故可以大大减轻了雾化现象。

所述挑流坎的纵截面形状为三角形，其横截面形状也为三角形，即是一个立体三角形，即高低挑流坎。

实施例二：

本实施例是实施例一所述的改进，是实施例一所述侧掺气坎的细化，如图3、4所示。本实施例所述的侧掺气坎的通气管，由主管301和连接主管上的支管302组成，所述的主管的进气口设置在侧掺气坎的顶部，所述支管的出气口设置在侧掺气坎的背水面。所述侧掺气坎的挑射角α≤15度。两个侧掺气坎之间的过流面积不小于0.65倍的斜井截面积。

本实施例所述的侧掺气坎的截面形状为三角形截面，距底板的高度H应满足0.7Z＜ H＜0.8Z条件（Z-斜井截面高度，见图1 ），H不得高于斜井城门洞截面两边的直壁高度。侧掺气坎的三角形斜面同边壁的夹角为α为15度或小于15度（见图3），确定侧掺气坎厚度δ（见图3）的原则是，使两个两对的侧掺气坎之间的过流面积ω不小于0.65A (A-斜井截面积)。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于潜水挑流坎的细化，如图5、6所述。本实施例所述的潜水挑流坎的通气管联通沿潜水挑流坎的背水面设置，所述通气管的进气口901设置在所述河道的最高洪水水位之上，并在潜水挑流坎的背水面均匀排列多个出气口902。

本实施例所述的潜水挑流坎浇筑在下游设计洪水位以下，而传统的挑流坎浇筑在下游校核洪水位之上。本实施例所述的潜水挑流坎沿河道水流流向的坎高也是变化的，由低坎b直线变到高坎a（见图5），但相应的挑射角β较小，β由15度变到30度。泄洪时，在潜水挑流坎的坎后形成负压涡，为了防止坎后结构物发生空蚀，在潜水挑流坎内埋设带有支管904的竖通气管903，通过支管向坎后补气，以防止坎后结构物发生空蚀。

图5只是表示一种通气管出气口在潜水挑流坎背水面的布置，还可以有其他形状的布置。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于潜水挑流坎的细化，如图5、6所述。本实施例所述的潜水挑流坎沿所述河道水流的挑射角小于15度（图5中的γ角），沿所述泄洪水流的挑射角15-30度（图6中的β角）。

实施例五：

本实施例是一种使用上述实施例所述消能工的消能方法，所述方法的步骤如下：

水流通过入水口进入斜井。泄洪时水库上游高出洪水水位的水流进入斜井。

水流接近斜井底部时，通过所述主掺气坎，在主掺气坎后产生负压吸允的大量空气，由高速水流带到反弧段的末端形成水气垫层，以抑制发生空蚀，导致对钢筋混凝土底板的破坏。由于反弧段上水头高、流速大，在反弧段与出水洞的连接处的底板易产生空蚀，导致底板冲蚀破坏，甚至将底板中的粗大钢筋拉断。而主掺气坎所产生的坎后涡旋，通过通气管掺气所产生的水气垫层可以有效的防止发生空蚀，因而可防止高速水流对空蚀区冲蚀破坏。

水流经过反弧段进入出水洞，在出水洞出口水流应与河道水流小于90度的角度流入河道。水流从出水洞流出时，还带有一定的能量。为减小这些能量对河道的冲击，出水洞出口水流与河道水流方向应尽量一致。由于本实施例所述出水洞出口设置在下游河道洪水水位之下，出水洞水流在出水洞出口处与下游河道中的水流发生冲击，如果两股水流以垂直相交的方式所产生的紊流会对出水洞口产生过大的影响。为减少影响，使出水洞流出的水流以小角度进入河道减小两股水流的冲击。

所述在斜井中的水流在经过主掺气坎之前，流经侧掺气坎，水流在侧掺气坎背水面产生立轴涡流和负压，所述负压经通气管吸收大量洞顶空气，掺入水中形成水汽垫层，保证下游主掺气坎两侧壁不发生空蚀，同时侧掺气坎产生的的立轴涡流也起到一定的消能作用。主掺气坎虽然能够有效的保护反弧段与出水洞连接处的底板，但主掺气坎两侧的洞壁并不能保证不发生空蚀，由于自身难保，最终还是破坏了反弧段下游出水洞。本实施例在主掺气坎上游再增加侧掺气坎，以保护主掺气坎不受破坏。所述的侧掺气坎防蚀的作用原理是，在高速水流通过侧掺气坎时，在侧掺气坎后产生竖轴旋转的负压漩涡，这个负压涡流从侧掺气坎中埋设的通气管和斜井顶部的空气源同时吸吮空气，这些空气在水流的裹挟之下被输送到下游主掺气坎的侧壁上，可以防止主掺气坎的通气孔附近壁面发生空蚀。在侧掺气坎后形成的水气掺混的漩涡也起到一定的消能作用。

所述出水洞中的水流流出出水洞，与所述河道中的水流汇合，使河道中的水流在出水洞流出的水流高速射流的拖曳下，在出水洞潜水挑流坎作用下，挑流水舌的下方产生水平轴顺时针的漩涡流，并通过通气管掺入大量空气，在所述挑流水舌上方产生水平轴逆时针的漩涡流，进行紊动剪切作用，提高消能率，减轻对河道的冲刷，同时由于水下消能无溅起巨大的浪花和在高空中弥散水汽，大大减轻了雾化现象。由于本实施例所述的潜水挑流坎是一个立体三角形，出水洞所流出的水流经潜水挑流坎流出时产生一个倾斜的水舌，河道中水流受到所述水舌的拖曳，在水舌的下部靠下游产生近似水平轴的顺时针漩滚流，在水舌的上部靠上游产生近似水平轴的逆时针漩滚流，如图1所示，这两股旋滚流的共同作用，产生很好的消能效果。这样改建的出水洞挑流坎可以防止传统的挑流坎向空中射流掺汽扩散和急速降落时激起万丈高的水翅，防止使水汽弥散在海阔天空中，形成雾化现象，破坏生态植被和引起山体滑坡，同时也可以防止射流急速降落时造成河床的严重冲刷，不再会因冲刷堆积物引起水电站尾水位升高，降低发电量。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如侧掺气坎的形状、潜水挑流坎的形状等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (5)

1.一种斜井式泄洪洞的侧壁掺气坎和出口潜水挑流坎的消能工，所述的斜井式泄洪洞包括：入水口，所述入水口与斜井连接，所述的斜井与出水洞连接，所述的斜井与出水洞的连接处为反弧段，所述反弧段的起始处的底板上设置带有通气管的主掺气坎，其特征在于，在所述主掺气坎的上游的两侧壁设置相对而立的一对分别带有通气管的侧掺气坎；所述的出水洞的出口的位置设置在河道的洪水水位之下，所述出水洞的出口与所述河道水流的夹角小于90度并沿泄洪水流的方向扩大，形成喇叭形，所述出水洞的出口处底板上设置带有通气管的沿所述河道水流方向和所述泄洪水流方向逐渐抬起的潜水挑流坎。

2.根据权利要求1所述的消能工，其特征在于，所述的侧掺气坎的通气管，由主管和连接主管上的支管组成，所述的主管的进气口设置在侧掺气坎的顶部，所述支管的出气口设置在侧掺气坎的背水面；所述侧掺气坎的挑射角≤15度；两个侧掺气坎之间的过流面积不小于0.65倍的斜井截面积。

3.根据权利要求1或2所述的消能工，其特征在于，所述的潜水挑流坎的通气管联通沿潜水挑流坎的背水面设置，所述通气管的进气口设置在所述河道的最高洪水水位之上，并在潜水挑流坎的背水面均匀排列多个出气口。

4.根据权利要求3所述的消能工，其特征在于，所述的潜水挑流坎沿所述河道水流的挑射角小于15度，沿所述泄洪水流的挑射角≤30度。

5.一种使用权利要求4所述消能工的消能方法，所述方法的步骤如下：

水流通过入水口进入斜井；

水流接近斜井底部时，通过所述主掺气坎，在主掺气坎后产生负压吸允的大量空气，由高速水流带到反弧段的末端形成水气垫层，以抑制发生空蚀，导致对钢筋混凝土底板的破坏；

水流经过反弧段进入出水洞，在出水洞出口水流与河道水流小于90度的角度流入河道；

其特征在于：

在斜井中的水流在经过主掺气坎之前，流经侧掺气坎，水流在侧掺气坎背水面产生立轴涡流和负压，所述负压经通气管吸收大量洞顶空气，掺入水中形成水汽垫层，保证下游主掺气坎两侧壁不发生空蚀，同时侧掺气坎产生的立轴涡流也起到一定的消能作用；

所述出水洞中的水流流出出水洞，与所述河道中的水流汇合，使河道中的水流在出水洞流出的水流高速射流的拖曳下，在出水洞潜水挑流坎作用下，挑流水舌的下方产生水平轴顺时针的漩涡流，并通过通气管掺入大量空气，在所述挑流水舌上方产生水平轴逆时针的漩涡流，进行紊动剪切作用，提高消能率，减轻对河道的冲刷。