CN104775405A - 跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利水电领域，尤其涉及一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，包括：扇形通气腔，所述扇形通气腔设于跌坎出口，紧贴消力池的边墙布置，其顶部与表孔溢流面出口的底板平齐；所述扇形通气腔的前沿设有窄缝出口；所述窄缝出口的上游侧壁，紧靠泄洪道出口设有折流坎；所述扇形通气腔与通气管道连接，所述通气管道与鼓风设备连接。本发明通过在溢洪道和消力池的结合部位布置强迫掺气减蚀装置，将有压空气供给高速淹没射流起始部位的低压区，沿射流剪切带形成掺气水流保护层，能有效保护消力池边墙和底板免受空蚀破坏。

Description

跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置

技术领域

本发明属于水利水电领域，尤其涉及一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置。

背景技术

掺气减蚀技术已广泛应用于高水头泄水建筑物，现有的掺气设施一般布置溢洪道和泄洪洞内流速大于30m./s，水流空化数小于0.3的高流速区，掺气设施由掺气坎和通气井组成，通气井出口布设在坎后的掺气空腔内，空气经通气井直接进入底空腔。水流掺气主要依靠空腔段水流表面紊动卷吸空气进入水流，为了获得良好水流掺气效果，要求坎后必须具有一定的空腔长度，且掺气空腔内不能够积水。空腔内严重积水一方面阻塞通气井进气的有效面积，同时也缩短掺气空腔的有效长度，从而减弱水流掺气效果。现有的掺气设施前后建筑物的结构体型尺寸相近，上下游水流流态相同，在掺气坎后，借助高速水流的挑射作用能够形成稳定的掺气空腔。这种自然掺气的方式其运行效果受水流流态的影响明显，水位变化和闸门开度变化都会改变掺气设施的运行状态。

跌坎消力池可分为连续式跌坎和高低坎两种型式，无论是连续坎，还是高低坎，在一定泄流条件下在消力池内会形成淹没射流。这种流态在入射水股与消力池水体之间的交界部位，存在水流剪切带，容易引起水流剪切空化。这种体型的水流空化一般自跌坎出口开始，沿泄槽底板和边墙所在平面向消力池延伸。其中泄槽底板和边墙交界处的角部下游剪切空化尤为强烈。当剪切空化带靠近消力池的边墙和底板的情况下，其出口剪切空化会引起消力池边墙和底板发生空蚀破坏，危害消力池结构安全。

在泄洪建筑物易空化部位布置掺气设施是减免建筑物发生空蚀破坏的有效手段，在高水头泄水建筑物中广泛采用。但对高低坎或连续坎底流消能形式而言，由于消力池水位变幅大，高速射流周围充满下游水体，射流下游不具备形成自由空腔的条件，常规的掺气方式(依靠掺气设施形成的水气界面进行自掺气)在这种水流情况下不能正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，以解决上述问题。

本发明提供了一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，包括：扇形通气腔，扇形通气腔设于跌坎出口，紧贴消力池的边墙布置，其顶部与表孔溢流面出口的底板平齐；扇形通气腔的前沿设有窄缝出口；窄缝出口的上游侧壁，紧靠泄洪道出口设有折流坎；扇形通气腔与通气管道连接，通气管道与鼓风设备连接。

进一步，折流坎呈楔形，上窄下宽，下游立面呈三角形，下游立面与扇形通气腔的起始边在竖向对齐，折流坎底部的宽度略大于窄缝出口的宽度；折流坎顶部与下游消力池内水面齐平。

进一步，窄缝出口为弧形或三角形，弧形的中心角小于90°。

进一步，窄缝出口的孔口宽度为5.0～10.cm，孔口方向倾斜指向水面。

与现有技术相比本发明的有益效果是：通过在溢洪道和消力池的结合部位布置强迫掺气减蚀装置，将有压空气供给高速淹没射流起始部位的低压区，沿射流剪切带形成掺气水流保护层，能有效保护消力池边墙和底板免受空蚀破坏，从而解决了常规掺气设施不适应水流特征急变部位掺气减蚀的问题。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的平面结构示意图；

图3是图2中A的放大示意图。

具体实施方式；

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参图1至图3所示，图1是本发明的立体结构示意图；图2是本发明的平面结构示意图；图3是图2中A的放大示意图。

本实施例提供了一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，包括：扇形通气腔4，扇形通气腔4设于跌坎6出口，紧贴消力池的边墙5布置，其顶部与表孔溢流面出口的底板7平齐；扇形通气腔4的前沿设有窄缝出口2；窄缝出口2的上游侧壁，紧靠泄洪道出口设有折流坎1；折流坎1的顶部与消力池水面大致齐平；扇形通气腔4与通气管道3连接，通气管道3与鼓风设备(未示出)连接。

本实施例通过在溢洪道和消力池的结合部位布置强迫掺气减蚀装置，在鼓风设备的作用下，空气从通气管道经掺气窄缝出口进入消力池边墙附近水体，在侧向折流坎下游的低压区迅速扩散并向下游延伸，在近壁形成一层掺气保护层，对消力池边墙和底板具有良好的掺气减蚀作用。折流坎1的可保证其下游沿侧壁形成一定低压区，便于空气沿侧向发展扩散。在剪切水流与边壁之间形成的“保护层”可保护边壁免受剪切空化诱发的空蚀破坏。在跌坎高度较小，底板可能面临空蚀破坏的情况下，在跌坎尾部均匀布置多个小孔径导气口向底部水流剪切区供气，可在剪切水流与底板之间形成“保护层”。导气口采用小孔径圆管，每间隔1.5～2.0m布置一个导气口，导气口的个数根据跌坎宽度确定。

在本实施例中，折流坎1呈楔形，上窄下宽，下游立面呈三角形，下游立面与扇形通气腔4的起始边在竖向对齐，折流坎1底部的宽度略大于窄缝出口2的宽度，折流坎1顶部与下游消力池内水面齐平。下部宽度10cm即可。这种体型可防止因掺气快速上浮而降低防护效果。折坎立面高度按设计条件下的边孔出口水深考虑，保证设计运行工况下折流坎下游低压区不与水面贯通，影响掺气效果。

在本实施例中，窄缝出口2为弧形或三角形，弧形的中心角小于90°。

在本实施例中，窄缝出口2的孔口宽度为5.0～10.cm，孔口方向倾斜指向水面。

在本实施例中通气管道3可穿越混凝土边墙，与鼓风设备相接。

在本实施例中，鼓风设备可采用鼓风机，鼓风机的容量根据水流掺气减蚀需要的供气量大小确定，供气量可以按照掺气减蚀区单位宽度的流量估算，一般可取单位宽度流量的15％～20％，通气管道3的内径按照管道内平均风速不大于50m/s计算，窄缝出口2的体型尺寸根据泄洪建筑物的结构型式及淹没射流水流流态设计，也可用导气槽代替。

在本实施例中，通气管道3的布置，应力求通道顺畅，避免断面形状突变，尽量减小供气阻力，降低鼓风设备功耗。

下面将上述结构的强迫掺气装置布置于高低坎底流消能的边墙部位，对总水头约150m的坝身高低坎泄洪消能进行模型试验。具体设计如下：扇形通气腔4呈扁平结构，紧贴边墙5，位于跌坎6出口，其顶部位置与表孔出口的底板7平齐。扇形通气腔4的圆心角90度，起始边竖直布置，与跌坎6对齐，或利用跌坎立面作为起始边。窄缝出口2为圆弧形状，宽度7.5cm。侧壁的折流坎1紧贴侧壁布置，可与混凝土边壁浇筑为整体结构。折流坎1呈楔形，高度6m，长度4m，侧向收缩比下大上小，底部坡比1:20，顶部坡比为0，下游立面均呈三角形形状，底部宽度10cm。折流坎1下游立面与扇形通气腔4的起始边在竖向对其，底部宽度略大于窄缝出口2的宽度，顶部宽度为0，便于在正常泄流条件下在折流坎1下游形成稳定低压区，促进掺气在侧壁的发展。

本实施例通过提供了一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，具有以下有益效果：

1)通过窄缝出口对气流方向的控制，使通入水流的空气按照窄缝出口的控制随淹没射流剪切层流入需要保护边墙和底板区域，在相同掺气减蚀保护作用效果下，大大减小了向水流供气的需气量(现有的掺气设施进气口位于掺气空腔内即可，不能控制气流的方向)。

2)对跌坎消力池首部淹没射流剪切区的有效掺气，加强对消力池池首流态变化区域边墙和底板的掺气保护，可避免结构遭受空蚀破坏，以利工程安全运行(现有的掺气设施适用于溢洪道的泄槽和泄洪洞内的高流速区，掺气装置上下游的结构体型相差不大，水流流态相同，坎后必须形成稳定的掺气空腔。本装置适应于溢洪道与消力池的结合部位，掺气设施前后结构体型和水流流态完成不同，掺气设施前为高速急流，掺气设施后为淹没射流，掺气设施后不形成掺气空腔)。

3)借助窄缝出口与射流剪切区的压力差掺气对淹没射流剪切区实施掺气，不需要形成掺气空腔，水流掺气且运行状态稳定，掺气效果不受泄洪运行条件的影响，能够适应与不同的泄流运行条件(现有掺气设施主要依靠表层紊动水流层卷吸空气，因此坎后必须形成一定长度的掺气空腔)。

4)、该强迫掺气装置特别适用于高水头(60m以上)、大流量(3000m³/s量级)的跌坎底流式泄洪消能。

5)、该强迫掺气装置在下游水位较大变幅范围内，均能保证良好稳定掺气。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，其特征在于，包括：扇形通气腔，所述扇形通气腔设于跌坎出口，紧贴消力池的边墙布置，其顶部与表孔溢流面出口的底板平齐；所述扇形通气腔的前沿设有窄缝出口；所述窄缝出口的上游侧壁，紧靠泄洪道出口设有折流坎；所述扇形通气腔与通气管道连接，所述通气管道与鼓风设备连接。

2.根据权利要求1所述的跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，其特征在于，所述折流坎呈楔形，上窄下宽，下游立面呈三角形，下游立面与所述扇形通气腔的起始边在竖向对齐，所述折流坎底部的宽度略大于所述窄缝出口的宽度；所述折流坎的顶部与消力池内的水面齐平。

3.根据权利要求1所述的跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，其特征在于，所述窄缝出口为弧形或三角形，弧形的中心角小于90°。

4.根据权利要求3所述的跌坎底流消能强迫掺气减蚀装置，所述窄缝出口的孔口宽度为5.0～10.cm，孔口方向倾斜指向水面。