CN102966082B - 底板下弯式掺气设施 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及泄洪建筑领域，是底板下弯式掺气设施。它至少包括掺气坎、通气孔、底板下弯段和反弧段，其特征是：掺气坎、底板下弯段和反弧段依次设置构成整体，该拼接整体是底板的一部分；通气孔设置在掺气坎的下游两侧，通气孔与通风井、通风廊道或直接与大气连通；掺气坎采用挑坎与跌坎的组合型式；底板下弯段是一段圆弧曲线，半径为80米至150米，圆心角为6°至10°，底板下弯段的上游与掺气坎的下游连接，底板下弯段的下游与反弧段的上游连接；反弧段的半径取值为断面水深的3至6倍。本发明不仅适用于较缓底坡的泄流建筑物，而且适用较陡的底坡，使其在各种水深时都能保持良好的水流流态。
Description
技术领域
本发明涉及泄洪建筑领域，是底板下弯式掺气设施。
背景技术
具有高水头的泄洪建筑物，其过流边壁容易发生空化空蚀破坏，工程中通常需要设置掺气设施，以促使水流掺气，防止壁面空蚀破坏的发生。
保持一个稳定的进气空腔是掺气设施能够发挥其正常功能的前提，如果空腔不稳或是进气通道被积水堵塞，则掺气设施不但起不到掺气减蚀的作用，反而会变成空化源，引起或加重建筑物的空化空蚀破坏。因此，消除空腔回水，确保通气顺畅是掺气设施成败的关键。研究表明，空腔回水的产生与泄槽的底坡有关，底坡越缓，空腔内越容易产生回水。国内学者曾研究提出了U型坎、V型坎、凸型坎等异形掺气坎形式，能够在一定程度上消除空腔回水。但是，这些研究都是从改变掺气坎的形状入手，仍然受到泄槽底坡的限制，其适用的底坡范围较小。对于底坡较缓的泄水建筑物，特别是由导流洞改建成的泄洪洞，底坡一般较缓，如何避免掺气槽空腔积水仍然是设计和试验研究中面临的一个难题。
另外，对于底坡较大的溢洪道等泄流建筑物，虽然掺气空腔内不易产生积水，但掺气坎的设置改变了原有泄槽的水面线，必将对其下游泄槽的流态产生影响。因此，当泄槽内水深变化较大时，掺气坎的设置会面临这样一个问题：即如果水深较大时能形成足够的掺气空腔，则水深较小时，掺气坎下游往往形成较强的溅水，流态较差；反之，如果水深较小时泄槽流态较好，则水深较大时又不能形成足够的掺气空腔，掺气保护长度减小。所以，如何设置合理的掺气设施，使其能较好地适应泄槽水深的变化，既能保证良好的掺气效果，又能尽量使其下游泄槽水流平顺，不产生溅水，是掺气设施体型研究的又一个难题，而这个问题利用常规的掺气坎甚至异形掺气坎都是无法解决的。
发明内容
本发明的目的是提供一种底板下弯式掺气设施，它不仅适用于较缓底坡的泄流建筑物，能够消除掺气空腔积水，而且适用于较陡的底坡，能使其在各种水深时都能保持良好的水流流态。
本发明的技术方案是底板下弯式掺气设施，它至少包括掺气坎、通气孔、底板下弯段和反弧段，其特征是：掺气坎、底板下弯段和反弧段依次设置构成整体，该拼接整体是泄洪建筑物底板的一部分；通气孔设置在掺气坎的下游两侧，通过侧墙埋管与通风井、通风廊道或直接与大气连通；掺气坎采用挑坎与跌坎的组合型式；底板下弯段是一段圆弧曲线，半径为80米至150米，圆心角为6°至10°，底板下弯段的上游与掺气坎的下游连接，底板下弯段的下游与反弧段的上游连接；反弧段的半径取值为断面水深的3至6倍。
所述的掺气坎的挑坎高度为0.1米至0.5米，挑坎挑角为5°至7°，挑砍高度与单宽泄量成正比，挑坎挑角为5°至7°；跌坎高度为0.3米至1.5米，跌坎高度与流速成反比。
所述的通气孔是矩形或圆形端面的孔，它设置在掺气坎的下游两侧，并与通风井、通风廊道或直接与大气连通，通气孔的断面积应满足风速不大于60米/秒。
所述的底板下弯段是一段圆弧曲线，半径为80米至150米，圆心角为6°至10°，半径与水流Fr数成正比，圆心角与水流Fr数成反比。
所述的反弧段的半径取值为断面水深的3至6倍，其半径与流速成正比。
所述的掺气坎与底板下弯段之间可以设置一段水平段，其长度为3.5米至10米，长度与水流Fr值成正比，水平段使掺气坎挑射水落在底板下弯段的中后部。
本发明的特点是将传统的掺气坎改为具有底板下弯段的掺气设施，一方面，由于下弯段底板形状与掺气坎挑射水流底缘形状接近，因此减小了射流冲击角，可以有效避免空腔回水的产生，减小水舌对底板的冲击，使下游流态大大改善，消除水深较浅时的水翅和溅水现象；另一方面，由于下弯段底坡是连续变化的，因此其所适应的水头和水深的变化范围也较大。与常规的掺气坎及异形坎相比，本发明具有以下优点：(1)它既能解决较缓底坡上设置掺气设施时的空腔积水难题，又能改善下游泄槽的水流流态；(2)它适用的水头及水深变化范围较广，而且适用的底坡范围也较大，不仅适用于底坡较陡的溢洪道，也适用于底坡较缓的泄洪洞。
附图说明
下面将结合实施例对本发明作进一步的说明：
图1是底板下弯式掺气设施的结构示意图；
图2是底板下弯式掺气设施的纵剖面结构示意图；
图3是底板下弯式掺气设施的平面图。
图中：1、掺气坎；2、通气孔；3、底板下弯段；4、反弧段；5、底板；6、侧墙埋管。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2和图3所示，底板下弯式掺气设施是泄洪建筑底板5的一部分，即底板下弯式掺气设施整体嵌入底板5内。
底板下弯式掺气设施，它至少包括掺气坎1、通气孔2、底板下弯段3和反弧段4，掺气坎1、底板下弯段3和反弧段4依次拼接，即掺气坎1上游与底坡5上端连接，其下游与底板下弯段3的上游连接，反弧段4的上游与底板下弯段3的下游连接，反弧段4的下游与底坡5下端连接，通气孔2设置在掺气坎1的下游两侧。
其中，掺气坎1采用挑坎与跌坎组合的型式，挑坎高度为0.1米至0.5米，挑坎挑角为5°至7°，单宽泄量大时挑坎高度取大值。跌坎高度为0.3米至1.5米，流速小时跌坎高度取大值。
通气孔2是矩形或圆形断面的孔，它设置在掺气坎1的下游两侧，并与通风井、通风廊道或直接与大气连通，通气孔2的断面积应满足风速不大于60米/秒。
底板下弯段3是一段圆弧曲线，半径为80米至150米，圆心角为6°至10°，水流Fr数大时半径取大值，圆心角取小值。
反弧段4的半径取值为断面水深的3至6倍，其半径与流速成正比，即流速越大半径取值越大。
水流由底板5上端流下，经过掺气坎1将水流挑起并落在底板下弯段3上，水流与底板下弯段3的前半段之间脱空而产生负压，由两侧通气孔2将空气吸入，水流与吸入的气体掺混后经过反弧段4平稳流向后续底坡5。
实施例2
本实施例的结构与实施例1的基本相同，不同的是在掺气坎1与底板下弯段3之间设置一段水平段，其长度为3.5米至10米，其长度与水流Fr值成正比，即水流Fr值越大长度越大，水平段使掺气坎1挑射水落在底板下弯段3的中后部。
本发明不仅适用于较缓底坡的泄流建筑物，能够消除掺气空腔积水，而且适用较陡的底坡，能使其在各种水深时都能保持良好的水流流态。
Claims (1)
1.底板下弯式掺气设施，它至少包括掺气坎（1）、通气孔（2）、底板下弯段（3）和反弧段（4），其特征是：掺气坎（1）、底板下弯段（3）和反弧段（4）依次拼接设置构成整体，该拼接整体是底板（5）的一部分；通气孔（2）设置在掺气坎（1）的下游两侧，通气孔（2）通过侧墙埋管（6）与通风井、通风廊道或直接与大气连通；底板下弯段（3）的上游与掺气坎（1）的下游连接，底板下弯段（3）的下游与反弧段（4）的上游连接；所述的掺气坎（1）由挑坎和跌坎组合而成，其中挑坎高度为0.1米至0.5米，挑砍高度与单宽泄量成正比，挑坎挑角为5°至7°；跌坎高度为0.3米至1.5米，跌坎高度与流速成反比；所述的通气孔（2）是矩形或圆形断面的孔，它设置在掺气坎（1）的下游两侧，并通过侧墙埋管（6）与通风井、通风廊道或直接与大气连通，通气孔（2）的断面积应满足风速不大于60米/秒；所述的底板下弯段（3）是一段圆弧曲线，半径为80米至150米，圆心角为6°至10°，半径与水流Fr数成正比，圆心角与水流Fr数成反比；所述的反弧段（4）的半径取值为断面水深的3至6倍，其半径与流速成正比；所述的掺气坎（1）与底板下弯段（3）之间设置一段水平段，其长度为3.5米至10米，长度与水流Fr值成正比，水平段使掺气坎（1）挑射水落在底板下弯段（3）的中后部；底板下弯式掺气设施整体嵌入底板内。
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