CN105220662A - 一种“燕尾坎+贴坡”掺气方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种“燕尾坎+贴坡”掺气方法及结构，主要解决小底坡、低Fr数泄水流道掺气空腔积水，掺气效果差的难题。掺气结构主要由“燕尾”挑坎、下游贴坡及连接段组成。在常规二维连续直线挑坎末端开V型缺口（形似燕尾，故称其为燕尾坎），调整坎顶水舌抛射角度和坎后水舌落点分布，有利于统一射流冲击角；在小底坡上水舌落点处设置一较陡贴坡，使得射流冲击角在产生回溯水流的临界值之内，可消除底板水舌落点处产生的回流积水；贴坡上游端与上游挑坎通过连接段衔接，一般为平坡或正坡。燕尾坎、贴坡、连接段三者之间通过不同衔接方式构成完善的体系。本发明结构简单、耐空化空蚀、通用性强，掺气空腔大、稳定、无积水。

Description

一种“燕尾坎+贴坡”掺气方法及结构

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种泄水流道掺气体型设置方法，尤其是解决大单宽、小底坡、低Fr数长明流泄水流道的掺气难题。

背景技术

隧洞泄洪在水利水电工程中被广泛采用，按照布置形式可分为龙抬头式、龙落尾式和一坡到底等方式。进出口高差较大时，常采用龙抬头和龙落尾式；高差较小时，纵向落差受限，洞身坡度较缓。无论哪种布置型式，由于泄洪隧洞一般单宽流量大、流速高，易产生空化空蚀现象，需要设置掺气减蚀设施。根据布置形式不同，掺气设施可分为坎式、槽式、突扩式、贴坡式和混合式。其中，掺气坎（槽）具有体型简单、对水流扰动小、便于通气孔布置等特点，工程上常采用布置掺气坎（槽）的方法解决泄水流道掺气减蚀问题。

对于陡坡水流（如龙抬头或龙落尾段），底板坡度大、流速高、Fr数大，在隧洞底板上设置掺气坎容易形成稳定空腔，不易产生回流积水，掺气效果好。但对于大单宽、小底坡、低Fr数泄流建筑物设置掺气坎极其困难：单宽流量大，水深大，受重力影响显著，挑坎处水流底部静压大，出坎水流运动轨迹对挑坎体型十分敏感；底坡小，纵向落差小，流速相对陡坡小很多，掺气坎平面与水平面夹角小，甚至为反坡，落点处流速方向与底板夹角（射流冲击角）较大，水舌冲击底板后产生回溯水流，回流积水经常封堵掺气槽而使掺气设施功能失效，同时水舌落点处底板受到冲击力较大而容易破坏；低Fr数水流掺气特性明显不同于高Fr数流动情况，重力影响十分明显，坎上抛射水体下缘曲线曲率大，边墙对水流阻力影响不可忽略，泄流道中心和边墙水舌挑距落点差异较大，水舌下缘面落点呈现出两侧近、中间远的“凸”型分布，且不同位置流速与底板夹角也不一致，当底板坡度较缓时，水舌射流冲击角度在临界值附近，回溯水流产生对水舌落点分布及射流冲击角非常敏感。这种水流条件与一般陡坡上设置掺气坎有着本质的区别，若按照陡坡掺气坎（槽）体型，很难形成稳定的空腔，水舌落点处产生回溯水流，空腔积水严重时会淹没通气孔导致掺气设施失效，影响泄水建筑物安全运行。众多已建和在建隧洞工程特别是大型长泄洪洞一般具有流量大、Fr数低、底坡较缓、洞身长的特征，比如二滩泄洪洞单宽流量286m²/s、底坡7.9%、Fr数4.6、长度924m，虽然设置了掺气设施，但是底板和侧墙依然观测到了不同程度的空化空蚀破坏的现象，在建的古水水电站泄洪洞单宽流量223m²/s、底坡仅3.3%、Fr数约3.0、长度2508m，沿程设计常规掺气坎13个，试验观测到掺气坎空腔气压极不稳定，腔内回流积水深、水面晃动、间歇性淹没，长明流泄洪洞由于距离长常需采用多道掺气设施，沿程水深、流速相差较大，掺气坎体型也不能完全复制，为了保持整个洞内良好的流态，水面不能触顶，掺气坎挑角也不宜太大。

因此，如何有效解决大单宽、小底坡、低Fr数泄洪流道掺气问题是防止泄水建筑物空化空蚀破坏和安全运行的重要保障，需引起关注。

发明内容

本发明提出一种“燕尾坎+贴坡”掺气方法及结构，主要解决小底坡、低Fr数泄水流道掺气空腔积水，掺气效果差的难题。另外，此方法和原理对于陡坡掺气问题同样适用。

本发明具体采用如下技术方案：

本发明提出的“燕尾坎+贴坡”掺气方法及结构，特别适用于解决大单宽、小底坡、低Fr数泄水流道的掺气难题。此掺气方法及结构由“燕尾型”挑坎、下游贴坡及连接段组成。

二维燕尾型挑坎——底坡坡度小、水流Fr数低、单宽流量大的明流渠道水流，受重力和边壁阻力影响影响突出，坎上流速横向分布不均，常规二维直线挑坎后抛射水舌下缘面沿中心和两侧运动轨迹差异较大，中心抛射距离远而高、两侧近而低，落点并非在同一直线上，而是呈现出两侧近、中间远的“凸”型分布。不同落点处流速与底板夹角（射流冲击角）不一致，当底板坡度较缓时，水舌射流冲击角度较大，即使采用坡度大于原底板的下游贴坡后，回溯水流对水舌落点分布及射流冲击角依然十分敏感，因此对于小底坡掺气坎，优化挑坎体型来减轻空腔回流积水十分必要。试验研究发现，边壁由于阻力影响容易产生滑落积水并形成“积水源”，为了避免边壁“积水源”，增加两侧水舌挑距，使得两侧落点与中心水舌落点齐平或者稍微大于中心挑距，有利于消除空腔积水。以往多采用垂向变化的三维异型挑坎，如U型、V型、凹型等，均是为了增加两侧挑距。但是三维体型复杂，过流面有突变，对抛出水体产生垂向扰动，适应范围也小。本发明在常规连续二维直线挑坎末端对称于流道中心线开“燕尾”槽，称其为燕尾坎，让中心水体比两侧水体提前挑出，且减小中部水流出坎流速方向与底板夹角，使抛射水舌下缘面的中部比两侧曲线曲率更小，且挑距稍短，可减小中部流速较高水体的射流冲击角（即落水点处抛射水舌与底板夹角），有利于统一抛射水舌与贴坡的射流冲击角。燕尾坎开槽深度需物理模型试验研究确定，目的是调整坎后水舌挑距尽量相同或中间比两侧稍近，落点呈“一”或“V”字型分布。

下游贴坡——掺气空腔积水由抛射水舌冲击下游流道底板及侧墙回溯或滑落产生。当落入底板水舌流速方向与底板夹角（射流冲击角）较大时，落点处产生向上游回溯水股和向下游水体，前者形成空腔积水且不能及时排走；当射流冲击角小于产生回溯水流临界值时，抛射水舌下缘面与流道底板几乎相切，空腔末端形成狭长空腔，不易产生漩滚水流，空腔出现负压，即使产生积水也会被向下游水流“带走”，此时，水舌落点处冲击力也最小。因此，只要保证抛射水舌下缘面与落点处底板夹角（射流冲击角）小于产生回溯水流的临界值，形成有负压的狭长空腔，即可保持空腔无积水状态。一般情况下，小底坡上射流冲击角比陡坡大得多，必然会产生回溯水流，本发明在下游底板原水舌落点处人为设置比底坡陡的贴坡，通过调整贴坡坡度，抛射水体基本落于较陡的贴坡上，保证冲击射流角小于产生回溯水流的临界值，可避免回溯水流产生。贴坡上游端位置直接关系掺气效果好坏，一般上游端比常遇水位下水舌下缘面稍下，高程需考虑中部连接段坡度并留出空腔位置，贴坡与流速方向夹角越小越好。

连接段——确定上游“燕尾坎”和下游贴坡体型后，需要连接燕尾坎及下游贴坡，以免积水填充掺气空腔，称之为连接段，一般为稳定掺气空腔的下轮廓线。为了使静水条件下空腔无积水，连接段一般为正坡或平坡。连接段高程一般低于“燕尾坎”顶0.5m~3m，以留出掺气孔位置，其长度由贴坡起始点位置决定。连接段与下游贴坡相互制约：在流道底板坡度、燕尾坎体型及下游贴坡坡度一定情况下，连接段越长，下游贴坡衔接点高程越低，反之亦成立。设计时有一定的适应范围，以常遇水位时通气效果最佳为宜，兼顾其他水位情况。当库水位低于常遇水位时，水舌落点可能会落在连接段上，此时可能会产生轻微积水，但不影响通气功能。

为了增大适应范围和平顺水流，贴坡与连接段可采用剖面图呈点或直线或凸型曲线（圆弧、抛物线或多次曲线）衔接，贴坡与下游原底板可采用剖面图呈点或直线或凹型曲线（圆弧、抛物线或多次曲线）连接。

设计方法及步骤：①根据来流条件（Fr数、流速、水深等）和流道底板坡度按照一般设计方法设计二维直线挑坎（坡度、坎高），保证过坎水舌底缘抛物线与底板形成一定掺气空间，并在挑坎末端开“燕尾”型槽，槽深度使过坎水舌挑距一致或中间比两侧稍近状态为宜。②根据水舌挑距、射流冲击角即水舌落点分布形态初步确定下游贴坡坡度及衔接点位置及高程，以使水舌在贴坡上落点约在贴坡和连接段区域为宜，衔接点位置高度H2需满足中间连接段为正坡或者平坡，以避免积水。③初步确定贴坡和连接段后，通过试验观测水舌落点位置及空腔回水情况，以进一步优化衔接点位置、高程，直到空腔稳定、无积水的状态。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图2是实施例1的剖面图。

图3是实施例1的平面图。

图4是实施例2的结构示意图。

图5是实施例3的结构示意图

图6是实施例3的剖面图。

图7是实施例3的平面图。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，本实施例掺气结构由上游端的末端开燕尾槽的挑坎（图2中燕尾坎段，坡度i₁）、下游端的比泄水流道底板坡度大的贴坡（图2中贴坡段，坡度i₃）以及连接挑坎和贴坡的连接段（图2中连接段，坡度i₂）组成。贴坡与连接段及下游原底板用点连接方式（剖面图上呈点连接，平面图上呈直线连接）。连接段为平坡（i₂=0）。

实施例二

如图4所示，本实施例掺气结构与实施例一类似，不同在于贴坡与上游连接段采用凸型圆弧曲线连接，贴坡与下游底板采用凹型圆弧曲线连接（剖面图上呈圆弧曲线连接，平面图上呈曲面连接）。衔接形式还可以是剖面呈直线（剖面图上呈直线连接，平面图上呈平面连接）或其他曲线连接。

实施例三

如图5-7所示，本实施例掺气结构与实施例一类似，不同在于贴坡后底板坡度小于上游底板坡度(i₄﹤i₀），贴坡与上游连接段采用凸型圆弧曲线连接，贴坡与下游底板采用凹型圆弧曲线连接，连接段坡度为正坡（i₂>0）。

Claims (10)

1.一种“燕尾坎+贴坡”掺气方法，其特征在于在常规连续二维直线挑坎末端开燕尾槽，形成燕尾坎，让中心水体比两侧水体提前挑出，减小中部出坎流速方向与底板夹角；在原冲击水舌落点处设置比泄水流道底板坡度大的贴坡，在挑坎和贴坡之间设置连接段衔接，使空腔积水流向下游。

2.如权利要求1所述的“燕尾坎+贴坡”掺气方法，其特征在于燕尾槽的开槽深度满足坎后水舌挑距尽量相同或中间比两侧稍近，落点呈“一”或“V”字型分布。

3.如权利要求1所述的“燕尾坎+贴坡”掺气方法，其特征在于贴坡与冲击水舌落点流速夹角小于等于产生回溯水流的临界夹角值。

4.如权利要求1所述的“燕尾坎+贴坡”掺气方法，其特征在于连接段高程低于挑坎顶高程。

5.一种“燕尾坎+贴坡”掺气结构，其特征在于由上游端的末端开燕尾槽的挑坎、下游端的比泄水流道底板坡度大的贴坡以及连接挑坎和贴坡的使空腔积水流向下游的连接段组成。

6.如权利要求5所述的“燕尾坎+贴坡”掺气结构，其特征在于燕尾槽的开槽深度满足坎后水舌挑距尽量相同或中间比两侧稍近，落点呈“一”或“V”字型分布。

7.如权利要求5所述的“燕尾坎+贴坡”掺气结构，其特征在于贴坡与冲击水舌落点流速夹角小于等于产生回溯水流的临界夹角值。

8.如权利要求5所述的“燕尾坎+贴坡”掺气结构，其特征在于水舌落点和贴坡与连接段衔接点相切。

9.如权利要求5所述的“燕尾坎+贴坡”掺气结构，其特征在于连接段高程低于挑坎顶高程。

10.如权利要求5所述的“燕尾坎+贴坡”掺气结构，其特征在于连接段为平坡或正坡。