CN102828495B - 一种侧向掺气坎的水翅防治方法及平直出流侧向掺气坎 - Google Patents

一种侧向掺气坎的水翅防治方法及平直出流侧向掺气坎 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种侧向掺气坎的水翅防治方法及平直出流侧向掺气坎。一种侧向掺气坎的水翅防治方法，在泄水建筑物底部及侧面分别设置底掺气坎和楔形掺气坎，再对楔形掺气坎进行等高（厚）延伸并形成条形掺气坎，最后，利用条形掺气坎抑制水翅的产生。一种平直出流侧向掺气坎，包括：楔形掺气坎，及在楔形掺气坎末端连接等高（厚）的条形掺气坎。本发明用于在满足一定掺气效果的条件下，减免水翅发生，保障工程安全运行。对于水利水电工程泄水建筑物的设计和运行均有良好的应用。

Description

一种侧向掺气坎的水翅防治方法及平直出流侧向掺气坎
技术领域
本发明涉及运用于水利水电工程泄水建筑物中的一种侧向掺气坎的水翅防治方法及侧向掺气坎的结构体型，主要用于在满足一定掺气效果的条件下，控制并减免水翅危害，满足工程安全的需要。
背景技术
在水利水电工程中，为了实现库区和下游河道水流的衔接，常常需要布置溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物来宣泄洪水。近年来随着水利水电工程建设的发展，坝高的增加，泄量的加大，高速水流问题，特别是空化空蚀问题日趋突出，由此引起的空蚀破坏时有发生。例如，2001年二滩水电站1号泄洪洞，在泄洪量约为2500m3/s，经过大约1800小时的运行，汛后检查中发现，1号洞2号掺气坎下游约400m范围内的边墙和地板遭到了严重空蚀破坏，边墙和底板混凝土全部剥离，基岩外露，局部空蚀冲坑深度达19m。目前对泄水建筑物空蚀问题的解决方法是在泄水建筑物原有的底掺气坎基础上，增设侧掺气坎，通过人工强迫掺气来减免空蚀破坏。侧掺气坎的结构和主要参数见图1，其中，trl是侧掺气坎高度，αl是侧掺气坎的坡度，Lc是侧空腔长度。需要说明的是，对于这种具有侧向掺气和底部掺气的三维掺气设施，控制侧掺气坎后的掺气空腔长度Lc是非常重要的。当侧掺气空腔和底部掺气空腔不匹配时，将会发生严重的水翅危害。
发明内容
本发明提出一种侧向掺气坎的水翅防治方法及平直出流侧向掺气坎结构，它可以在满足一定掺气效果的前提下，减免由于增设侧向掺气坎而引起的水翅危害，优化泄水建筑物水流流态，避免建筑物由于水翅引起的水流脉动及结构振动，提高掺气设施的空蚀防止效果。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种侧向掺气坎的水翅防治方法，在泄水建筑物底部及侧墙分别设置掺气坎，并且对原楔形侧向掺气坎进行等高等厚的尾部延伸，形成条形掺气坎，最后，利用条形掺气坎抑制水翅的产生。
本发明所述的一种平直出流侧向掺气坎，包括：楔形掺气坎，在楔形掺气坎末端连接有高度和厚度分别与楔形掺气坎的高度和厚度相等的条形掺气坎。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）结构简单；
（2）减免水翅效果显著；
（3）优化泄水建筑物水流流态；
（4）避免建筑物由水翅引起的水流脉动及结构振动；
（5）提高掺气设施的空蚀防止效果。
本发明用于水利水电工程的泄水建筑物中，以减免侧掺气坎引起的水翅危害，这对于空蚀防治和工程的运行安全是重要的。本发明的有效性已经试验验证，结构简单易行，可以在满足工程所需的掺气效果的前提下，减免水翅发生，提高泄水建筑物的安全性。
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是传统侧向掺气坎几何参数示意图。
图2是本发明提出的平直出流侧向掺气坎几何参数示意图。
图3是实施例1在不同水深条件下方案1和方案2的水翅高度对比。
图4是实施例1在水深为12.0m时方案1的水翅实验图片。
图5是实施例1在水深为12.0m时方案2的水翅改善效果图。
图6是实施例1在水深为16.0m时方案1的水翅实验图片。
图7是实施例1在水深为16.0m时方案2的水翅改善效果图。
图8是实施例2在不同水深条件下方案1和方案3的水翅高度对比图。
图9是实施例2在水深为12.0m时方案3的水翅改善效果图。
图10是实施例2在水深为16.0m时方案3的水翅改善效果图。
图11是实施例3在不同水深条件下方案4和方案5的水翅高度对比图。
图12是实施例3在水深为12.0m时方案4的水翅实验图片。
图13是实施例3在水深为12.0m时方案5的水翅改善效果图。
图14是实施例3在水深为16.0m时方案4的水翅实验图片。
图15是实施例3在水深为16.0m时方案5的水翅改善效果图。
图16是实施例4在不同水深条件下方案4和方案6的水翅高度对比图。
图17是实施例4在水深为12.0m时方案6的水翅改善效果图。
图18是实施例4在水深为16.0m时方案6的水翅改善效果图。
具体实施方式
本发明所述的一种侧向掺气坎的水翅防治方法，在泄水建筑物底部及侧墙分别设置掺气坎，再对原楔形侧向掺气坎进行等高等厚的尾部延伸，形成条形掺气坎2，控制侧向掺气坎的侧空腔长度，保持与底空腔匹配，抑制水翅的产生。
本发明所述的一种平直出流侧向掺气坎，参照图2，包括：楔形掺气坎1，在楔形掺气坎1末端连接有高度和厚度分别与楔形掺气坎1的高度和厚度相等的条形掺气坎2；条形掺气坎2的坎高trl为0.1m–0.4m，条形掺气坎2的平直出流段长Ll约为10-20倍的坎高trl，楔形掺气坎1的侧坎坡度αl为1:10–1:30。
图1是传统侧向掺气坎结构示意图。水流经侧掺气坎斜坡段收缩，由于惯性力的作用水流按照侧掺气坎坡度αl收缩，经过一段距离后沿程逐渐扩散，最终达到侧边墙形成空腔，空腔长度Lc受侧掺气坎的坎高trl和坡度αl的支配。本项发明在传统侧向掺气坎末端增设平直段，使水流经末端整流后，以平直出流的方式离开侧向掺气坎（见图2），从而控制了坎后空腔长度Lc的大小，减免水翅发生，优化泄水建筑物水流流态，避免建筑物的水流脉动及结构振动，提高掺气设施的空蚀防止效果。
下面结合4个工程实施例对本发明作出更为详细的说明。
某工程溢洪道为开敞式布置，堰顶高程448.00m，孔口宽14.00m，溢流堰采用WES实用堰，堰面曲线方程为：y=0.037x1.85，其原点高程为：448.00m，原点桩号为：溢0+004.66，上游接椭圆曲线：x2/4.662+(2.74-y)2/2.742=1，下游与坡比为：1：0.80的泄槽陡坡段相接。设弧形工作闸门，由液压启闭机启闭，弧门上游设叠梁式检修闸门，由坝顶门式起闭机启闭。
工程各特征水位为，死水位：427.00m；正常蓄水位：470.00m；设计洪水位：471.90m；校核洪水位：475.14m。
采用上述工程，以比尺为1:40的物理模型，在相同的实验条件下，仅改变侧向掺气坎的结构型式，验证本发明的有效性。
实施例1
运用上述物理模型，在已有的底部掺气坎的基础上，设计对比方案1和方案2。方案1中侧掺气坎采用传统侧向掺气坎结构形式，方案2中侧掺气坎采用平直出流侧向掺气坎结构形式。方案1和方案2的侧掺气坎的坎高trl均为0.2m，坎坡度αl均为1:30，方案2中平直段长度Ll与侧坎高trl的比值为10:1。实验得到的在各水位下方案1和方案2的水翅高度数据和对比结果见表1和图3。
在水深为12.0m和16.0m时，方案1和方案2的实验照片见图4–图7，图中椭圆标记处为产生的水翅。由表1和图3，图4–图7可见，在水深为12.0m和16.0m时，方案1的水翅高度分别为12.0m和10.4m，远高于方案2在同样的水深下所对应的水翅高度5.6m和5.2m。该实施例表明，本发明能有效减免水翅的发生，优化水流流态，避免建筑物的水流脉动及结构振动，提高掺气设施的空蚀防止效果。
表1
实施例2
实验物理模型同实施例1，在方案1的基础上，设计了对比方案3。方案3中侧掺气坎采用平直出流侧向掺气坎结构形式。方案3的侧坎高trl为0.2m，侧坎坡度αl为1:30，平直段长度Ll与侧坎高trl的比值为20:1。实验得到的在各水位下方案3的水翅改善效果与方案1对比结果见表2和图8。
表2
在水深为12.0m和16.0m时，方案3实验照片见图9和图10，图中椭圆标记处为水翅改善的效果。由表3和图8，图4和图9、图6和图10可见，在水深为12.0m和16.0m时，方案3水翅改善后，其高度分别为4.4m和3.6m，远小于方案1的水翅12.0m和10.4m。该实施例证明，本发明能有效减免水翅的发生，优化水流流态，避免建筑物的水流脉动及结构振动，提高掺气设施的空蚀防止效果。
实施例3
实验物理模型同实施例1，设计了对比方案4和方案5。方案4中侧掺气坎采用传统侧向掺气坎结构形式，方案5中侧掺气坎采用平直出流侧向掺气坎结构形式。方案4和方案5的侧坎高trl均为0.3m，且侧坎坡度αl均为1:30，方案5中平直段长度Ll与侧坎高trl的比值为10:1。实验得到的在各水位下方案4和方案5的水翅高度结果见表3和图11。
表3
在水深为12.0m和16.0m时，方案4和方案5的实验照片见图12–图15，图中椭圆标记处为产生的水翅。由表3和图11，图12和图13，图14和图15可见，在水深为12.0m和16.0m时，方案4的水翅高度分别为14.4m和12.0m，远高于方案5在同样水深下所对应的水翅高度5.2m和2.8m；当水深为24.0m和26.8m时，方案4中仍然存在较大水翅，水翅高度达到7.2m和6.0m，而此时方案5中已几乎没有水翅（见图11）。该实施例表明，本发明能有效减免水翅的发生，优化水流流态，避免建筑物的水流脉动及结构振动，提高掺气设施的空蚀防止效果。
实施例4
实验物理模型同实施例1，对比方案4，设计了方案6。方案4中侧掺气坎采用传统侧向掺气坎结构形式，方案6中侧掺气坎采用平直出流侧向掺气坎结构形式。方案6的侧坎高trl为0.3m，侧坎坡度αl均为1:30，平直段长度Ll与侧坎高trl的比值为20:1。实验得到的在各水位下方案4和方案6的水翅高度结果见表4和图16。
表4
在水深为12.0m和16.0m时，方案6的实验照片见图17和图18，图中椭圆标记处为产生的水翅。由表4和图16，图12和图17，图14和图18可见，在水深为12.0m和16.0m时，方案4的水翅高度分别为14.4m和12.0m，远高于方案6在同样水深下所对应的水翅高度4.4m和2.8m；当水深为24.0m和26.8m时，方案4中水翅高度仍然有7.2m和6.0m，而此时方案6中已几乎没有水翅（见图16）。该实施例表明，本发明能有效减免水翅的发生，优化水流流态，避免建筑物的水流脉动及结构振动，提高掺气设施的空蚀防止效果。

Claims (2)

1.一种侧向掺气坎的水翅防治方法，其特征在于，在泄水建筑物底部及侧面分别设置底掺气坎和楔形掺气坎(1)，再对楔形掺气坎(1)进行等高等厚的尾部延伸并形成条形掺气坎(2)，最后，利用条形掺气坎(2)抑制水翅的产生，所述的楔形掺气坎(1)的坎坡度αl为1:30，条形掺气坎(2)的平直段长度Ll与侧坎高trl的比值为10:1或20:1，条形掺气坎(2)的坎高trl为0.2m或0.3m。
2.一种平直出流侧向掺气坎，包括：楔形掺气坎(1)，其特征在于，在楔形掺气坎(1)末端连接有高度和厚度分别与楔形掺气坎(1)的高度和厚度相等的条形掺气坎(2)并利用条形掺气坎抑制水翅的产生，所述的楔形掺气坎(1)的坎坡度αl为1:30，条形掺气坎(2)的平直段长度Ll与侧坎高trl的比值为10:1或20:1，条形掺气坎(2)的坎高trl为0.2m或0.3m。
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