CN103422476B - 一种前置斜尾墩的多通道掺气设施 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于水利水电工程溢洪道闸墩后水冠消除及过流面掺气保护的前置斜尾墩的多通道掺气设施。由布置于溢洪道闸墩后的斜尾墩、掺气设施组成，斜尾墩在闸墩的尾部，斜尾墩断面后紧接掺气设施，斜尾墩与掺气设施底空腔形成的起始断面完全重合。掺气设施可选用“挑坎+跌坎”、“挑坎+掺气槽”等组合方式。本发明有效消除闸墩后水冠现象的同时，可增加气体补给通道，形成底空腔与斜尾墩墩尾天然空腔互相贯穿的三维立体掺气空腔，增大空腔内气体的掺入面积，亦相应增加了水体掺气量、气水比及过流面掺气浓度；多通道进气亦利于全断面掺气充分及均匀，减小两侧通气井的风速，进一步加强掺气设施的掺气保护功能。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程泄水建筑技术领域，具体地说是应用于溢洪道闸墩后的水冠消除及过流面掺气减蚀保护的引流及掺气设施。
背景技术
溢洪道是水利水电工程最常见的泄水建筑物，大部分溢洪道由于过流宽度大，中间需要设置闸墩。闸孔水流在闸墩后汇集碰撞后，将产生严重的水冠现象，使得溢洪道水流流态恶化，增大边墙高度及工程投资，因此消除溢洪道闸墩后的水冠是溢洪道水力设计重要内容。对于高水头水利水电工程，溢洪道闸墩后的水流流速高于20m/s时，常布置掺气设施以保证高流速区过流面充分掺气，避免过流面发生空化空蚀。通过掺气设施形成底空腔的强迫掺气是目前最常见的一种方式，溢洪道边墙两侧布置的通气井则实现气体的补给功能。对于泄槽较宽的溢洪道而言，基于左右边墙两侧通气井补气的底空腔掺气可能造成整个断面掺气不均匀及充分，可能存在的掺气盲区使过流面存在空化空蚀隐患，采用两孔闸门之间设置中隔墙以增加掺气通道的方法加大了工程投资。如果能将斜尾墩水冠消除功能与掺气设施联系起来，设计前置斜尾墩的多通道掺气设施，以增加气体补给通道，形成底空腔与斜尾墩墩尾天然空腔互相贯穿的三维立体掺气空腔，增大空腔内气体的掺入面积，进一步加强传统掺气设施的掺气保护功能，保证溢洪道的泄洪安全，具有重要的理论价值与工程意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于溢洪道闸墩后的水冠消除及过流面掺气减蚀保护的前置斜尾墩的多通道掺气设施。
本发明的技术方案为：前置斜尾墩的多通道掺气设施主要由布置于溢洪道闸墩后的斜尾墩、掺气设施组成，斜尾墩在闸墩的尾部，斜尾墩断面后紧接掺气设施，斜尾墩与掺气设施底空腔形成的起始断面完全重合。
掺气设施可选用“挑坎+跌坎”、“挑坎+掺气槽”等组合方式。斜尾墩根据闸墩宽度、水流特征参数构造。
本发明与现有的消除水冠或实现单一掺气减蚀功能构造体比较，其最大特点及优势是，通过对构造体形中斜尾墩的创新设计及巧妙布置，避免了水流在斜尾墩上表面逐渐交汇形成淹没，保证各闸孔下泄水流在掺气设施前不交汇。斜尾墩的墩尾被布置在掺气空腔起始位置，各闸孔几股水流在墩尾一定距离后交汇，交汇点与墩尾断面两侧形成棱柱形沿水深方向的三维天然掺气空腔，并与掺气设施形成的底空腔相贯通，且掺气设施底空腔、斜尾墩后天然掺气空腔同时形成。
本发明有效地将水冠消除与过流面掺气减蚀有机组合起来，产生了流态改善、溢洪道过流面掺气减蚀同时实现及加强的功能。有效消除闸墩后水冠现象的同时，可增加气体补给通道，掺气通道个数=两侧通气井+斜尾墩个数；形成互相贯通的三维立体掺气空腔，增大了空腔内气体的掺入面积，利于水流全断面掺气充分、均匀及底部掺气空腔掺气，增大水体掺气量及气水比，加大掺气坎后过流面的掺气浓度，进一步加强掺气设施掺气保护功能。同时，前置斜尾墩的多通道掺气设施可减小两侧通气井的风速，缩小通气井净空面积，利于工程泄水建筑的布置。
本发明具有以下有益效果：
1、设置了本发明所述前置斜尾墩的多通道掺气设施后，可明显消除闸墩后水冠，避免水冠不稳定及超过边墙的恶劣流态，降低溢洪道边墙高度，降低工程造价。
2、可在斜尾墩后形成底空腔与墩尾天然空腔相互贯穿的三维立体掺气空腔，增加掺气设施的进气通道数量，利于水流纵向及底部掺气空腔的掺气，增大空腔内气体的掺入面积，亦相应增加了水体掺气量、气水比及过流面掺气浓度，利于全断面掺气充分及均匀，减小两侧通气井的风速，更好地实现过流面的掺气保护作用，避免过流面发生空化空蚀。
附图说明
图1是本发明的前置斜尾墩的多通道掺气设施构造（平面）图；
图2是本发明的前置斜尾墩的多通道掺气设施构造（剖面）图；
图3是本发明的斜尾墩结构示意（平面）图。
图4是本发明的斜尾墩结构示意（剖面）图。
图5是本发明用于大型水利水电工程三孔溢洪道的前置斜尾墩的多通道掺气设施构造（平面）图。
图6是本发明用于大型水利水电工程三孔溢洪道的前置斜尾墩的多通道掺气设施构造（剖面）图。
图中，1―闸墩，2―边墙，3―掺气设施，4―通气井，5―小挑坎，6―斜尾墩，7―跌坎，8―过流面，9―左右边墙水面线，10－底部掺气空腔，11―左掺气道，12―右掺气道，13―水股交汇点，14―与底空腔贯穿的墩尾掺气通道及空腔，15-底空腔轮廓线。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2所示（最基本两孔闸门溢洪道），本发明的前置斜尾墩的多通道掺气设施主要由布置于溢洪道闸墩1后的斜尾墩6、掺气设施3组成，斜尾墩在闸墩的尾部，斜尾墩断面后紧接掺气设施，斜尾墩与掺气设施底空腔形成的起始断面完全重合。两孔以上溢洪道的前置斜尾墩的多通道掺气设施可以依次增加此构造体，构造体个数=闸孔个数-1。
斜尾墩根据闸墩宽度、水流特征参数构造，由六面体构成（见图3、4）。下部平面与溢洪道闸墩后过流面重合，下部平面的坡度为1：a，其中a为溢洪道闸墩后过流面的坡度值。上部平面坡度为1：b，根据设计洪水位水面线坡度确定，b为水面线的坡度值，保证闸孔水流在斜尾墩前不会交汇，即斜尾墩墩首断面、墩尾断面均高于水深。斜尾墩平面两侧向中间的收缩角为α，为保证充分调整水流流向，角度α以5°～7.5°范围为佳。斜尾墩墩首断面高为H1，为洪水位水深值的1.1倍；墩首断面宽度为B1，B1为溢洪道闸墩1的宽度，与闸墩尾部相连接。斜尾墩墩尾断面高度为H2，为洪水位水深值1.1倍，墩尾断面宽度为B2，设计范围为0.5m～1.2m之间，与掺气设施底空腔形成的起始断面完全重合。
掺气设施可选用“挑坎+跌坎”、“挑坎+掺气槽”等组合方式，本发明以“挑坎+跌坎”形式（其它掺气设施以此类似布置）。
实施例2：
大型水利水电工程溢洪道的前置斜尾墩的多通道掺气设施如图5、图6所示。此溢洪道由三个闸孔、两个闸墩构成，每个闸孔净宽为9m、闸墩宽度为4m，溢洪道泄槽宽为35m。
斜尾墩墩首高度H1=12.02m，墩尾高度H2=7.02m；斜尾墩墩首宽度B1=4m，墩尾宽度B2=0.95m。斜尾墩平面收缩角度α=6°；下平面坡度为1：a=1：0.75（根据过流面坡度确定）；上平面坡度为1：b=1：0.6（根据设计洪水位水面线确定）。
掺气挑坎高度为0.92m，跌坎高度为2m，通气井进气口宽度为1.5m，通气井进气口高度为1.5m，通气井净空宽度为1.5m，通气井面积为2.25m2。
基于大比尺（1：35）模型试验表明，本实例所述的前置斜尾墩的多通道掺气设施有效消除了水冠，很好改善了溢洪道内水流流态。同时在斜尾墩后形成了立体三维掺气空腔，增加两个天然通气通道，增加了水流掺气量、气水比及过流面掺气浓度，同时亦减小了两侧通气井的风速，加强了掺气设施的掺气减蚀保护功能。
Claims (3)
1.一种前置斜尾墩的多通道掺气设施，其特征在于前置斜尾墩的多通道掺气设施主要由布置于溢洪道闸墩后的斜尾墩、掺气设施组成，斜尾墩在闸墩的尾部，斜尾墩断面后紧接掺气设施，斜尾墩墩尾断面与掺气设施底空腔形成的起始断面完全重合。
2.根据权利要求1所述的前置斜尾墩的多通道掺气设施，其特征在于掺气设施选用“挑坎+跌坎”或“挑坎+掺气槽”的组合方式。
3.根据权利要求1所述的前置斜尾墩的多通道掺气设施，其特征在于斜尾墩由六面体构成，下部平面与过流面重合，上部平面根据设计水位水面线确定，保证闸孔水流在斜尾墩上平面不交汇，两侧平面以5°～7.5°角度向中间收缩；斜尾墩的墩尾断面宽度为0.5m～1.2m。
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