CN104141291A - 齿槽式掺气挑坎 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿槽式掺气挑坎。本发明的目的是提出一种新的齿槽式掺气挑坎，它可以增大水舌与空腔的接触面积、增强挑流水舌下缘的紊动掺混效果，提高挑坎的掺气量，延长掺气坎的保护长度，同时也可以与掺气槽和突跌组合使用。本发明的技术方案是：一种齿槽式掺气挑坎，在泄水建筑物底板上设有挑坎体，其特征在于：所述挑坎体沿水流方向的末端设置槽口，形成齿坎和槽坎，齿坎坎高h1＞槽坎坎高h2＞0。本发明适用于水利工程中泄水建筑物的掺气减蚀。

Description

齿槽式掺气挑坎

技术领域

本发明涉及一种齿槽式掺气挑坎。适用于水利工程中泄水建筑物的掺气减蚀。

背景技术

随着我国高坝建设的发展，高水头泄水建筑物的水流流速越来越大，高速水流问题日益突出。其中，尤以高速水流引起空化空蚀对水工建筑物的危害最为严重，可能直接影响建筑物的正常运行，甚至造成建筑物的失事。

众多的试验和工程实践已经证明，掺气减蚀是防止混凝土过流面空蚀破坏最经济、最有效的方法。试验研究指出，水流中掺气浓度达到2％左右时，空蚀已可大大减轻；掺气浓度达到7％左右时可免除空蚀。因此，高效的掺气设施对避免泄水建筑物空蚀破坏，确保工程安全运行具有重要意义。

目前工程上采用的人工掺气设施有坎式、槽式及各种组合型式等，如图1～图4所示，其中掺气坎的以及含有掺气坎的组合型式掺气设施应用最为广泛。通常为了增加挑坎的掺气量，一般采取增加射距的措施，由此需要增加坎高或局部加大坎下游底坡。试验证实：在大单宽流量条件下，过多的增大坎高或加大坎下底坡，将加剧水面波动，恶化下游水流流态，对长明流洞，会使洞身安全余幅减小而需加高洞身，增加工程量。

为在坎高相当的情况下，增加掺气坎的掺气量，专利号为200610085938.3的中国专利提出了“一种差动式掺气挑坎”，通过在传统掺气坎上增设小挑坎，使水流在脱离挑坎末端后从不同的角度射出，增强水流底部的紊动，从而卷席更多的空气，增大水流底部的掺气浓度(见图23)。但差动式掺气坎体型复杂，过流面凹凸相间，坎上流态复杂，在高速水流作用下，挑坎本身容易引起空蚀破坏，对掺气设施运行的可靠性有一定影响，进而危害泄水建筑物的安全运行。

发明内容

本发明提出一种新的齿槽式掺气挑坎，它可以增大水舌与空腔的接触面积、增强挑流水舌下缘的紊动掺混效果，提高挑坎的掺气量，延长掺气坎的保护长度，同时也可以与掺气槽和突跌组合使用。

本发明所采用的技术方案是：一种齿槽式掺气挑坎，在泄水建筑物底板上设有挑坎体，其特征在于：所述挑坎体沿水流方向的末端设置槽口，形成齿坎和槽坎，齿坎坎高h1＞槽坎坎高h2＞0。

沿水流方向齿坎宽度逐渐减小。

沿水流方向齿坎前后等宽。

所述槽坎的下游面与泄水建筑物底板的夹角为钝角。

所述槽坎的下游面与泄水建筑物底板垂直。

本发明的有益效果是：本发明在传统掺气坎的末端局部增加槽口，齿槽式挑坎的末端位置和高度均不同，使水流从不同的出射点和出射高度射出，出射水流产生不同的射流轨迹，射流掺气底面由传统掺气坎的平面变为凹凸的曲面，空腔水气接触面面积增大；同时不同挑坎水舌轨迹和落点相互错开，使水流加剧紊动，从而卷吸更多的空气，增大水流底部的掺气浓度。

本发明在掺气坎末端设置槽口，坎上过流面平滑，坎上流态简单，不易出现空蚀，且施工方便、成本较低，能明显提高掺气量，延长掺气坎的保护长度，提高泄水建筑物运行的安全性，降低工程造价。

附图说明

图1为传统掺气挑坎的示意图。

图2为传统掺气挑坎与突跌的组合型式示意图。

图3为传统掺气挑坎与掺气槽的组合型式示意图。

图4为传统掺气挑坎与掺气槽和突跌的组合型式示意图。

图5为实施例1的掺气挑坎的示意图。

图6为实施例1的掺气挑坎与突跌的组合型式示意图。

图7为实施例1的掺气挑坎与掺气槽的组合型式示意图。

图8为实施例1的掺气挑坎与掺气槽和突跌的组合型式示意图。

图9为实施例1试验对象某工程泄洪洞纵剖图。

图10为实施例1试验对象某工程泄洪洞的平面图。

图11为实施例1中不同方案断面Ⅰ沿水深掺气浓度分布。

图12为实施例1中不同方案断面Ⅱ沿水深掺气浓度分布。

图13为实施例1中不同方案断面Ⅲ沿水深掺气浓度分布。

图14为实施例1中不同方案断面Ⅳ沿水深掺气浓度分布。

图15为实施例2的掺气挑坎的示意图。

图16为实施例2的掺气挑坎与突跌的组合型式示意图。

图17为实施例2的掺气挑坎与掺气槽的组合型式示意图。

图18为实施例2的掺气挑坎与掺气槽和突跌的组合型式示意图。

图19为实施例3的掺气挑坎的示意图。

图20为实施例3的掺气挑坎与突跌的组合型式示意图。

图21为实施例3的掺气挑坎与掺气槽的组合型式示意图。

图22为实施例3的掺气挑坎与掺气槽和突跌的组合型式示意图。

图23为现有技术中差动式掺气挑坎水舌示意图。

图24为实施例1中掺气挑坎水舌示意图。

具体实施方式

实施例1：如图5所示，本实施例为一种齿槽式掺气挑坎，挑坎体2设置于泄水建筑物底板1上，在挑坎体2沿水流方向的末端设置槽口，从而形成齿坎201和槽坎202，其中齿坎坎高h1＞槽坎坎高h2＞0。齿槽式掺气挑坎使水流在脱离挑坎后从不同的高度射出，掺气底面呈凹凸的曲面，空腔水气接触面面积增大(见图24)，同时，使水流加剧紊动，从而卷吸更多的空气，增大水流底部的掺气浓度。本实施例中槽坎202的下游面2021与泄水建筑物底板1的夹角为钝角。

采用某工程1：30比尺模型几种不同的掺气型式验证本实施例的有效性。

在相同的试验条件下，仅改变上、下游挑坎(1#挑坎、2#挑坎)的形状。试验共布置了4个掺气浓度测量断面(见图9、图10)，其中1#挑坎、2#挑坎后各2个，各断面位置见表1。

表1泄洪洞掺气测量断面位置

其中断面Ⅰ－断面Ⅱ位于1#挑坎和2#挑坎之间，断面Ⅲ-断面Ⅳ位于2#挑坎后。

试验采用某工程1:30模型，模型全部采用有机玻璃制作，掺气浓度采用放射性同位素掺气仪量测。试验进行了两组方案对比分析，方案No.1采用传统的掺气挑坎(如图1)，模型坎高2.0cm；方案No.2模型在方案No.1模型的基础上增加了3.33mm的槽口，形成齿坎高度2.0cm、槽坎高度1.67cm的齿槽式掺气坎(如图5)，且顺水流方向高、低坎宽度保持不变。

在上游水位为638.36m时，实测的各个断面不同水深的掺气浓度值如图11-14所示。在图11-14中，横坐标C表示掺气浓度，纵坐标Hl为相应断面水深，模型试验上游水位为638.36m。

由图11、图12可知，在传统的掺气挑坎上增加高3.3mm的槽口，形成齿槽式挑坎，1#挑坎后的各断面底部掺气浓度显著增加；同样从图13、图14可以看出，改为齿槽坎后，2#挑坎后的各断面底部掺气浓度也显著增加。由试验结果，齿槽式挑坎可以有效增加坎后水流底部的掺气浓度。

上述设计方案单独采用齿槽式掺气挑坎，根据工程实际需要，本发明还可以采用齿槽式掺气挑坎和掺气槽组合的型式(图7)，或者齿槽式掺气挑坎和跌坎组合的型式(图6)，或者齿槽式掺气挑坎与掺气槽、跌坎组合的型式(图8)。

实施例2：本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处仅在于本实施例采用的槽坎202的下游面2021与泄水建筑物底板1垂直的型式(见图15－图18)。

实施例3：本实施例结构与实施例2基本相同，不同之处仅在于本实施例采用顺水流方向齿坎、槽坎宽度改变的型式。如图19－22所示，沿水流方向齿坎201宽度逐渐减小。

Claims (5)

1.一种齿槽式掺气挑坎，在泄水建筑物底板(1)上设有挑坎体(2)，其特征在于：所述挑坎体(2)沿水流方向的末端设置槽口，形成齿坎(201)和槽坎(202)，齿坎坎高h1＞槽坎坎高h2＞0。

2.根据权利要求1所述的齿槽式掺气挑坎，其特征在于：沿水流方向齿坎(201)宽度逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的齿槽式掺气挑坎，其特征在于：沿水流方向齿坎(201)前后等宽。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的齿槽式掺气挑坎，其特征在于：所述槽坎(202)的下游面(2021)与泄水建筑物底板(1)的夹角为钝角。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的齿槽式掺气挑坎，其特征在于：所述槽坎(202)的下游面(2021)与泄水建筑物底板(1)垂直。