CN103758091B - 缓坡明渠有压进口掺气方法及掺气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种缓坡明渠有压进口掺气方法及其实施装置，通过在缓坡明渠有压进口的末端、有压水体内设置一其内部空腔与大气连通的断面为楔形的掺气器（1），楔形掺气器以楔端迎着水流来流方向、楔底背向水流来流方向悬空安置在过流洞两侧洞体（4）上，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，楔形掺气器空腔内的空气由位于楔形掺气器楔底上的通气孔（2）进入由楔底和上下两部分水流形成的空间，再掺入水流中。采用本发明对缓坡明渠有压进口进行掺气，可以使水流一进入明渠就得到大量掺气并快速掺入到渠道底部，具有不受缓坡坡度限制的特点，能有效提高缓坡明渠过流壁面掺气减蚀效果。

Description

缓坡明渠有压进口掺气方法及掺气装置
技术领域
本发明属于水利工程中的掺气减蚀技术领域，具体涉及一种缓坡明渠有压进口掺气方法及掺气装置。
背景技术
我国是一个水力资源丰富的国家，在水力资源的开发与利用中，经常会遇到由高速水流所引起的一系列问题，特别是高速水流泄水建筑物过流面遭空蚀破坏。掺气减蚀措施的应用在一定程度上解决了上述问题，但是掺气效果往往受到渠道坡度的限制。对于坡度较陡的渠道，通过在渠道底部设计掺气坎进行掺气，取得了比较好的掺气减蚀效果，得到了广泛的应用，但当水流的沸汝德数小于4.3～4.5，渠道坡度缓于1：8～1：10时，掺气坎的底部空腔内容易回水，从而影响掺气效果，渠道仍然会发生空化空蚀破坏。而目前泄洪洞往往采用缓坡接陡坡的模式，缓坡段的坡度一般只有2%～5%，当水流速度接近30m/s时，缓坡段就可能发生空化空蚀破坏。对于如此缓的坡度，即使设置了掺气坎，其效果也会因为坡度的限制存在上述底部空腔回水的问题，何况如此缓的坡度掺气坎的设置难度很大，不利于施工。而表面自掺气，无法在距有压进口较短的距离内实现有效的掺气，水层较厚时气体也不能掺入到渠道底部，渠道过流壁面避免不了空化空蚀破坏。因此现有技术对缓坡明渠过流壁面的空化空蚀问题还未能很好的解决。
发明内容
针对现有缓坡明渠过流壁面掺气方法的不足，本发明的目的旨在提出一种缓坡明渠有压进口掺气方法及掺气装置，使水流一进入明渠就得到大量掺气并快速掺入到渠道底部而不受缓坡坡度限制，以提高缓坡明渠过流壁面掺气减蚀效果。
本发明所述缓坡明渠有压进口掺气方法，通过在缓坡明渠有压进口的末端、有压水体内设置一其内部空腔与大气连通的断面为楔形的掺气器，楔形掺气器的楔端迎着水流来流方向，楔底背向水流来流方向，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，楔形掺气器空腔内的空气由位于楔形掺气器楔底上的通气孔进入由楔底和上下两部分水流形成的掺气空间，掺气空间内的空气在水流的卷吸作用下掺入水流，实现缓坡明渠有压进口水流掺气。
上述缓坡明渠有压进口掺气方法，楔形掺气器空腔内的空气优先考虑通过楔形掺气器两端的进气孔口与大气连通；位于楔形掺气器两端的所述进气孔口优先考虑通过位于过流洞两侧洞体内的管孔与大气连通。
本发明提供的实施上述缓坡明渠有压进口掺气方法的装置，其主要构成为：在缓坡明渠有压进口的末端设置一楔形掺气器，所述楔形掺气器为空腔楔形断面结构，掺气器空腔体上设计有使空气进入空腔的进气孔口，楔底分布有若干通气孔，楔形掺气器以楔端迎着水流来流方向、楔底背向水流来流方向悬空安置在过流洞两侧洞体上，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，楔形掺气器空腔体上的进气孔口与大气连通。
上述缓坡明渠有压进口掺气装置，所述进气孔口优先考虑设计为两个，分别位于楔形掺气器的两端，通过位于过流洞两侧洞体壁内的管孔与大气连通。连通大气位于过流洞两侧洞体壁内的管孔，可进一步考虑设计成其进口不低于库区水面。
上述的缓坡明渠有压进口掺气装置，所述楔形掺气器最好水平设置在有压水体过流洞两侧洞体上。
上述的缓坡明渠有压进口掺气装置，楔形掺气器上下两侧的楔形壁最好为流线型曲面结构，使楔形掺气器上下两侧的流道面积都是沿程减小，以保证水体过流楔形体时使楔形体表面保持正压，从避免出现空化空蚀破坏。
为了使掺入水体中的空气更靠近明渠底板，下方的水层越薄越好，但是如果下方的水层太薄，将使回水加重，从而影响掺气效果，即掺入水中的空气量会减小。当下方水流过厚时，上方水舌会相对较小，那么对它的冲击效果便大大减弱，无法充分地卷入空气，影响掺气效果。因此，所述楔形掺气器的安装位置距过流洞洞底的距离最好不小于0.5m，同时最好使其下方的水流出口高度与其上方的水流出口高度比为（1:1）～（1:4）。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、由于本发明方法在缓坡明渠有压进口的末端、有压水体内设置一其内部空腔与大气连通的断面为楔形的掺气器，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，空气由位于楔形掺气器楔底上的通气孔进入由楔底和上下两部分水流形成的掺气空间，掺气空间内的空气在水流的卷吸作用下掺入水流，实现水流掺气，空腔内空气被水流带走后空腔形成负压，空气便经楔形掺气器源源补入，形成连续不断的掺气过程，从而连续充分掺气。同时由于楔形体到明渠底板的垂直距离很近，明渠底板上的水层较薄，上方水流的下表面和下方水流的上表面发生的自掺气很容易发展到明渠底部，加之上方水流以射流流出后回落到下方水流上造成冲击而强迫卷吸掺气，提高掺气浓度，进一步使气体发展到明渠底部，因而能避免过流壁面发生空化空蚀而不受坡度限制，提高掺气减蚀效果。
2、本发明方法中，楔形掺气器将水流分成两股后，由于上方水流被挑离形成射流，回落到下方水流上时相当于落在高速向下游运动的底板上，从而将回水带向下游，保证了掺气空腔不被回水淹没，因而在明渠坡度较缓的情况下也能保证较好的掺气效果，避免缓坡明渠过流壁面发生空蚀空化。
3、本发明方法中，楔形掺气器掺气后，在上下水流撞击过程中又会强迫卷吸掺气，相当于二次掺气，因而能避免掺气浓度由于重力影响沿流程减小，从而延长掺气保护长度。
4、本发明方法设计巧妙，楔形掺气器结构简单，易于实施，可在有压进口接缓坡明渠条件中获得广泛应用。
附图说明
图1为安装有本发明楔形掺气器的有压进口末端处于关闭状态的示意图。
图2为安装有本发明楔形掺气器的有压进口末端处于开启状态的示意图。。
图3为图2中A-A向结构示意图。
图4为图1、2中的楔形掺气器放大结构示意图。
在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1—楔形掺气器，2—通气孔，3—进气孔口，4—洞体。
具体实施方式
下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。
实施例1
本实施例的缓坡明渠有压进口掺气装置的结构如图1、2、3和4所示，在缓坡明渠有压进口的末端，距过流洞洞底距离0.5m处设置一楔形掺气器1，且使其下方的水流出口高度与其上方的水流出口高度比为1:1。所述楔形掺气器为空腔楔形断面结构，以楔端迎着水流来流方向、楔底背向水流来流方向的方式水平设置在过流洞两侧洞体4上，楔形掺气器上下两侧楔形壁面为流线型曲面，掺气器空腔体两端设计有使空气进入空腔的进气孔口3，楔底分布有若干通气孔2，掺气器空腔两端的进气口3通过穿过过流洞两侧洞体的通气管道与大气连通，通气管道上设计有在过流洞闸门关闭时防止水流从通气管道外流的控制阀门。本实施例缓坡明渠有压进口掺气装置的运行过程，过流洞闸门打开水流从有压进口末端进入缓坡明渠，水体流经本发明提供的楔形掺气器被分成上下两部分，之后打开通气管道上的控制阀门，外界的空气经通气管道由掺气器空腔体两端的进气口3进入掺气器空腔，再由掺气器楔底分布的通气孔2进入由楔底和上下两部分水流形成的掺气空间，掺气空间内的空气在水流的卷吸作用下掺入水流，实现缓坡明渠有压进口水流掺气，由于掺气空间为负压，因此外界的空气便源源不断的补入，实现连续不断掺气。
实施例2
本实施例的缓坡明渠有压进口掺气装置，其结构与实施例1基本相同，所不同的地方是，楔形掺气器1设置在距过流洞洞底1.0m处，楔形掺气器下方的水流出口高度与上方的水流出口高度比为1:4。位于掺气器空腔体两端的空气进气孔口3，通过位于过流洞两侧洞体壁内的管孔与大气连通，空气进口高于于库区水面。

Claims (10)

1.一种缓坡明渠有压进口掺气方法，其特征在于，通过在缓坡明渠有压进口的末端、有压水体内设置一其内部空腔与大气连通的断面为楔形的掺气器(1)，所述楔形掺气器的楔端迎着水流来流方向，楔底背向水流来流方向，悬空安置在过流洞两侧洞体上，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，楔形掺气器空腔内的空气由位于楔形掺气器楔底上的通气孔(2)进入由楔底和上下两部分水流形成的掺气空间，掺气空间内的空气在水流的卷吸作用下掺入水流，实现缓坡明渠有压进口水流掺气。
2.根据权利要求1所述缓坡明渠有压进口掺气方法，其特征在于，楔形掺气器空腔内的空气通过楔形掺气器两端的进气孔口(3)与大气连通。
3.根据权利要求2所述缓坡明渠有压进口掺气方法，其特征在于，楔形掺气器两端的进气孔口(3)通过位于过流洞两侧洞体(4)内的管孔与大气连通。
4.实施权利要求1或2或3所述缓坡明渠有压进口掺气方法的装置，其特征在于，在缓坡明渠有压进口的末端设置一楔形掺气器(1)，所述楔形掺气器为空腔楔形断面结构，掺气器空腔体上设计有使空气进入空腔的进气孔口(3)，楔底分布有若干通气孔(2)，楔形掺气器以楔端迎着水流来流方向、楔底背向水流来流方向悬空安置在过流洞两侧洞体上，使流出有压进口的水流分为上下两部分进入缓坡明渠，楔形掺气器空腔体上的进气孔口(3)与大气连通。
5.根据权利要求4所述的缓坡明渠有压进口掺气装置，其特征在于，所述进气孔口(3)为两个，分别位于楔形掺气器两端，通过位于过流洞两侧洞体(4)壁内的管孔与大气连通。
6.根据权利要求5所述的缓坡明渠有压进口掺气装置，其特征在于，连通大气位于过流洞两侧洞体(4)壁内的管孔，其进口不低于库区水面。
7.根据权利要求4所述的缓坡明渠有压进口掺气装置，其特征在于，所述楔形掺气器水平设置在有压水体过流洞两侧洞体(4)上。
8.根据权利要求4所述的缓坡明渠有压进口掺气装置，其特征在于，楔形掺气器上下两侧的楔形壁为流线型曲面结构。
9.根据权利要求4至8之一所述缓坡明渠有压进口掺气装置，其特征在于，所述楔形掺气器的安装位置距过流洞洞底的距离不小于0.5m。
10.根据权利要求9所述的缓坡明渠有压进口掺气装置，其特征在于，所述楔形掺气器设置在使其下方的水流出口高度与其上方的水流出口高度比为1:1～1:4的位置。
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