CN104195997B - 一种适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，所述掺气挑坎设置在泄洪洞水流控制闸门后方1～2倍泄洪洞洞径处，掺气挑坎坎口两侧向外突扩，增大泄洪洞通流断面。本发明提出的闸坎分置式掺气技术方案，可彻底消除掺气坎后的清水区，使掺气空腔不再受闸门开度的影响，无论闸门的开启方式如何，水流的流态均清晰、稳定，大大提高了弧形闸门后的防空蚀性能，并使闸门运行灵活性得到大幅提升。

Description

一种适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构

技术领域

本发明涉及水利工程泄洪洞过流壁面保护技术领域，特别涉及一种适用于高水头泄洪洞过流壁面空化空蚀保护的掺气挑坎布置结构。

背景技术

对于高水头泄洪洞，工程上都是采取在泄洪洞中设置闸门，使泄洪洞中的水流由有压流变为明流，所述闸门通常为弧形闸门。水流经弧形闸门至泄洪洞有压出口时的流速已很大，但水流在由有压流变为明流前后，泄洪洞过流壁面水流工况则完全不同。在水流由有压流变为明流之前，由于泄洪洞过流壁面所受水流压力很大，泄洪洞过流壁面不会发生空化空蚀破坏；而在水流由有压流变为明流之后，由于水流压力突然减小，泄洪洞过流壁面存在空化空蚀破坏的危险，当泄洪洞过流壁面的空化数达到临界值，泄洪洞过流壁面会发生空化空蚀破坏。这在工程上是不允许的。为了保护泄洪洞过流壁面不发生空化空蚀破坏，工程上通常将弧形闸门处的泄洪洞设计成突扩突跌掺气结构，通过向水流掺入空气，解决高水头泄洪洞弧形闸门后的空蚀破坏问题。

工程运行实际结果表明，通过掺气挑坎掺入到水中的空气需经过一段距离后才能发展到整个断面，为了使过流断面的侧墙也得到掺气的保护，在设置掺气坎的位置，将两侧的边墙也同时突扩，从而可形成全断面掺气，保护整个过流壁面的安全。结合偏心铰弧形闸门的水流密封需求，工程上常在弧形闸门处采用突扩突跌的方案，解决高水头泄洪洞弧形闸门后明流过流壁面空蚀破坏问题。现有技术的突扩突跌掺气方案，在弧形闸门与泄洪洞底部相接的位置设置掺气挑坎，掺气挑坎两侧设置同时作为闸门密封面的逐渐下沉的弧形突扩侧墙，掺气挑坎的上边缘与弧形闸门的下门面匹配，掺气挑坎两侧的弧形突扩侧墙与弧形闸门两侧的门面匹配，共同构成密封水流的密封，如图1-A及图1-B所示。这种掺气挑坎与弧形闸门为一体结构的突扩突跌方案，由于掺气挑坎两侧的突扩侧墙为弧形突扩侧墙，因此在掺气挑坎两侧形成的侧空腔形态较差，下游泄洪洞两侧的过流壁面中部所对应的水区不能得到有效掺气，清水区难以消除，并且在弧形闸门局部开启时底部空腔的长度变短，空腔内回水加剧，有时甚至堵住位于底部空腔侧面的进气口，出现严重水翅等(如图1-E所示)。这种掺气结构的布局，很难通过单纯增加突扩尺寸解决以上问题。实际工程中采用这种方案的掺气布局结构，已经发生多起闸门局部开启时破坏的实例。

发明内容

针对现有技术中紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎存在的问题，本发明目的旨在提供一种将泄洪洞闸门与掺气挑坎分开设置的掺气挑坎布置结构，以解决现有技术中紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎存在的水流掺气效果差，对泄洪洞明流过流壁面进行有效保护等问题。

本发明的上述目的，可通过由下述技术方案构成的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构来实现。

本发明提供的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，所述掺气挑坎设置在泄洪洞水流控制闸门后方1～2倍泄洪洞洞径处，掺气挑坎坎口两侧向外突扩，增大泄洪洞通流断面。

在本发明的上述技术方案中，掺气挑坎的坎阶面最好为垂直坎底面的平面；掺气挑坎坎口两侧向外突扩的突扩侧墙最好垂直于泄洪洞轴线方向；掺气挑坎两侧的突扩侧墙与掺气挑坎的坎阶面最好位于同一垂直平面内；掺气挑坎的坎底最好为一平面。

本发明特别优选的技术方案，泄洪洞水流控制闸门采用弧形闸门，掺气挑坎为直平结构，即掺气挑坎的坎底面为一直平面，掺气挑坎的坎阶面与两侧的突扩侧墙位于垂直坎底的同一平面内。

采用本发明的掺气挑坎布置结构向水流掺入空气，是由设置在水流流经掺气坎形成的空腔内的进气口，通过设置在掺气挑坎下游泄洪洞边墙体内的进气孔道与大气连通，构成掺气通道，向掺气挑坎下游的水流掺入空气。

本发明提供的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构方案，是基于发明人深入研究了现有技术的高水头泄洪洞明流过流壁面的掺气保护布局结构存在的问题而完成的。发明人深入研究了现有技术紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎泄洪洞有压出口附近的水流压力分布，图1-C为泄洪洞有压出口附近水流压力分布示意图，其中(i)为沿水流方向中间水流的压力分布；(ii)为沿水流方向边墙壁面上的水流压力分布。水流流经有压出口4，由有压流变为明流，中间水流的压力在有压出口前达到P₁，此时压力较大(一般为数十米)。水流流经有压出口后，由于掺气挑坎2两侧边壁突然外扩，壁面水流压力P₂突然变为0，而使中间水流扩散较急剧，具有较大的扩散角α。较大的扩散角α一方面会缩短侧空腔5，影响水流掺气，同时水流与壁面接触的冲击角较大。较大的冲击角，当水流撞击壁面后，部分水流以一定交角归入主流形成较大冲击压力阻碍水流掺气，另一部分水流反向进入侧空腔内引起回旋流，该回旋流会冲击突扩侧墙并阻碍侧空腔通气。

发明人深入研究了现有技术紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎弧形闸门全开和局部开启情况下的游流态，图1-D为弧形闸门全开情况下的下游流态示意图，图1-E为弧形闸门局部开启情况下的下游流态示意图。在弧形闸门全开情况下，水流在流至泄洪洞有压出口前，上下层的水流流线有向中间靠拢的趋势，因此中间层的水流压力最大。流经有压出口后，中间层的水流较上层和下层水流先到达侧壁，并且在最先接触侧壁的位置形成侧冲击带6。最先触壁的中间层水流，一部分向下进入底空腔10形成回水11，减小了底空腔的长度，影响水流掺气，另一部分向上形成水翅7。由于上述两方面原因，掺气水流被分流，带走大量掺气，使得部分边墙壁上的水流不能有效掺气(即边墙壁上的清水区难以消除)，大大减弱了掺气效果。在弧形闸门局部开启(0.2～005倍开度)情况下，有压出口前的水流流线向下倾角更大，水流中间层的压力相比于闸门全开时更大，因此泄洪洞下游边墙壁会受到更大的冲击，并且底空腔长度更短、底空腔内回水进一步加剧，有时甚至堵住底空腔侧面的进气口，出现严重水翅等。现有技术紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎的结构布局，通过单纯增加突扩侧墙尺寸很难解决以上问题。实际工程中采用这种方案，已经发生多起闸门局开时破坏的实例。

本发明针对现有技术紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎，掺气挑坎与弧形闸门一体化设计存在的问题，提出了闸坎分置式掺气方案，即将掺气挑坎设置在泄洪洞水流控制闸门后方1～2倍泄洪洞洞径处，水流经掺气挑坎后，水流与掺气挑坎、泄洪洞底部形成底空腔10，与突扩侧墙3、泄洪洞边墙壁形成侧空腔5，在明流段进行掺气。在本发明提出的闸坎分置式掺气方案中，由于水流的压力在有压出口变为明流时得到了一次释放和调整，经调整后的水流在到达掺气挑坎前，同一水深处水流内部的压力与泄洪洞壁面水流压力均调整为P₃。泄洪洞边墙壁面水流压力在突扩侧墙位置变为0。由于P₃较有压出口前的同一水深处水流压力P₁明显减小很多，因此在突扩侧墙位置，横断面上的压差较小，水流的扩散相对较为缓和，扩散角α′较小，致使侧空腔相对于紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎时的侧空腔长度增加，且水流与泄洪洞壁面的冲击角较小。侧空腔增大，增加了水流与空腔内气体的接触面积，有助于水流掺气；同时水流与泄洪洞边墙壁面的冲击角较小，水流与泄洪洞边墙壁面接触后能够相对平顺的流向下游，也不会形成较大的冲击力阻碍掺气。另外，由于水流在到达掺气挑坎前已接近均匀流，因此其流线基本相互平行，无明显的挤压作用，因此同一断面不同高度处的水流在突扩侧墙位置的扩散角基本相同，因此水流几乎同时达到泄洪洞边墙壁面，中间水流不会上下分离，即不会造成严重的空腔回水和水翅，进而保证水流充分掺气。

本发明提出的闸坎分置式掺气技术方案，可彻底消除掺气坎后的清水区，使掺气空腔不再受闸门开度的影响，无论闸门的开启方式如何，水流的流态均清晰、稳定，大大提高了弧形闸门后的防空蚀性能，并使闸门运行灵活性得到大幅提升。

本发明提供的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，将掺气挑坎设置在泄洪洞控流闸门后方1～2倍泄洪洞洞径处，这种布置方式，完全颠覆了传统泄洪洞掺气挑坎的布置方式，带来了以下十分突出的技术效果。

1、将掺气挑坎设置在泄洪洞控流闸门后方1～2倍泄洪洞洞径处，经有压出口后的水流在到达掺气挑坎前调整为压力较小的均匀流，因此在突扩侧墙位置，横断面上的压差较小，水流的扩散相对较为缓和，从而增加了侧空腔的长度，并减小了水流与泄洪洞边墙壁面的冲击角；增大了的侧空腔，增加了水流与气体的接触面积，有助于水流掺气；同时水流与泄洪洞边墙壁面的冲击角较小，水流与泄洪洞边墙壁面接触后能够相对平顺的流向下游，也不会形成较大的冲击力阻碍掺气。

2、水流的流动在到达掺气挑坎前已接近均匀流，因此其流线基本相互平行，无明显的挤压作用，因此同一断面不同高度处的水流在突扩侧墙位置的扩散角基本相同，因此水流几乎同时达到泄洪洞壁面，中间水流不会上下分离，即不会造成严重的空腔回水和水翅，进而保证水流充分掺气。

3、将掺气挑坎设计成沿轴向为直线型结构，不需要考虑与闸门结构的配合问题，大大减小了工程量，节省了人力和物力，降低了施工成本。

本发明提出的闸坎分置式掺气方案，可适用于任何需要掺气的泄洪洞。

附图说明

图1-A为紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎时轴向剖面示意图；

图1-B为紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎时俯视示意图；

图1-C为紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎时泄洪洞有压出口附近水流压力分布示意图；

图1-D为紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎时闸门全开情况下的下游流态示意图；

图1-E为紧接泄洪洞闸门设置掺气挑坎时闸门局部开启情况下的下游流态示意图；

图2-A为本发明的泄洪洞闸门与掺气挑坎分置式结构剖面示意图；

图2-B为本发明的泄洪洞闸门与掺气挑坎分置式结构俯视示意图；

图2-C为采用本发明的泄洪洞闸门与掺气挑坎分置式结构时泄洪洞有压出口附近水流压力分布示意图；

图2-D为采用本发明的泄洪洞闸门与掺气挑坎分置式结构时闸门全开情况下的下游流态示意图；

图2-E为采用本发明的泄洪洞闸门与掺气挑坎分置式结构时闸门局开情况下的下游流态示意图。

在上述附图中，各附图标号标识的对象分别为：1-水流控制闸门；2-掺气挑坎；3-突扩侧墙；4-有压出口；5-侧空腔；6-侧冲击带；7-水翅；8-清水区；9-掺气水流；10-底空腔；11-回水；12-进气孔。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例，并通过实施例对本发明作进一步的具体描述。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于本领域的技术人员将本发明用于具体试验，根据特定的实验进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

本实施例的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，如附图2-A至2-E所示，泄洪洞泄洪水头为80米，控制泄洪洞水流由有压流变为明流的水流控制闸门1为弧形闸门，设置在泄洪水头20米处，在泄洪洞水流控制弧形闸门后方1.5倍泄洪洞洞径处设置掺气挑坎2，掺气挑坎坎口两侧设计有向外突扩的突扩侧墙3，增大泄洪洞水流通流断面，掺气挑坎整体为直平结构，即掺气挑坎的坎底面为一直平面，掺气挑坎的坎阶面与两侧的突扩侧墙3位于垂直坎底的同一平面内，在水流流经掺气坎形成的侧空腔5内设置空气进气口，空气进气口通过设置在掺气挑坎下游泄洪洞边墙体内的进气孔12与大气连通，构成掺气通道，水流从有压出口4流出后，向掺气挑坎下游的水流掺入空气，以保护掺气挑坎下游泄洪洞边墙壁面空蚀破坏。

Claims (7)

1.一种适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，所述掺气挑坎(2)设置在泄洪洞水流控制闸门(1)后方1～2倍泄洪洞洞径处，掺气挑坎坎口两侧向外突扩，增大泄洪洞水流通流断面。

2.根据权利要求1所述的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，所述掺气挑坎的坎阶面为垂直坎底面的平面。

3.根据权利要求1或2所述的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，掺气挑坎坎口两侧向外突扩的突扩侧墙(3)垂直于泄洪洞轴线方向。

4.根据权利要求3所述的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，掺气挑坎两侧的突扩侧墙与掺气挑坎的坎阶面位于同一垂直平面内。

5.根据权利要求4所述的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，所述掺气挑坎的坎底为一平面。

6.根据权利要求1或2所述的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，所述泄洪洞水流控制闸门为弧形闸门。

7.根据权利要求5所述的适用于高水头泄洪洞的掺气挑坎布置结构，其特征在于，所述泄洪洞水流控制闸门(1)为弧形闸门。