CN106337401A - 一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井，包括：进水口、井体和出水口，所述的井体中部设有溢流堰，将井体分为堰前段和堰后段，所述的进水口和出水口分别与堰前段和堰后段的底部连接，所述的堰前段为渐变扩散式，出水口正前方设置导流墩，所述的堰后段设置多层水平孔板和竖直孔板。本发明在堰前段采用渐变扩散式井体，在出水口处设立导流墩，在堰后设置多层孔板，通过井体体形上的改进和增加孔板等水工设施，可大大减少了虹吸井排出的水中的气泡，减少了对周围环境的影响。使用本发明所述的虹吸井和方法可以在排除气泡污染的干扰，实现相对清洁排水的前提下，大大减少虹吸井的工程量，降低建造成本，节约人力物力。

Description

一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井和方法

技术领域

本发明涉及一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井和方法，是一种水工设施和方法，是一种环保设施和方法。

背景技术

采用直流冷却方式的滨海火电或核电站，一般都设有排水虹吸井，以利用虹吸作用降低水泵扬程，节省能源。虹吸井内设有顶高程超过平均潮位的出流堰，以减轻外海潮位变化对虹吸井上游段的影响。这些堰多采用薄壁堰、实用堰和宽顶堰等堰顶自由溢流排水，造成堰后跌水过程中产生强烈的水气掺混，从而产生不易破灭的微黄色泡沫，形成泡沫污染区，飞溅的含盐水雾也会腐蚀排水口附近的金属结构物，而且许多电站设计时为了降低工程量，设计的虹吸井尺寸往往偏小，导致堰上水流的流态较差，更加剧了泡沫的产生。这些泡沫一旦随水流进入排水口附近海域，将会形成泡沫污染区，形成视觉污染，影响电站附近的海域环境。传统标准虹吸井体型为不设置导流墩的直角进水口。这种标准体型对于尺寸较大的虹吸井是合适的，虽然是直角进水口，但是如果虹吸井尺寸较大，水流运动路径较长，水流可以充分调整流线，使得过堰水体较为平顺。现有的虹吸井工程，为节省成本，降低土石方工程量，尺寸往往较小（可节省投资少则数千万，多则上亿），这带来的问题是：堰前流态很差，存在阵发性的水体壅高，过堰水体紊动强度大，对堰后消泡带来不利影响。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井和方法。所述的虹吸井和方法，在已有虹吸井的基础上，通过进行一些体形上的改进和增加一些水工设施，可大大减少了虹吸井排出的水中的气泡，减少了对周围环境的影响。

本发明的目的是这样实现的：一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井，包括：进水口、井体和出水口，所述的井体中部设有溢流堰，将井体分为堰前段和堰后段，所述的进水口和出水口分别与堰前段和堰后段的底部连接，所述的堰前段为渐变扩散式，出水口正前方设置导流墩，所述的堰后段设置多层水平孔板和竖直孔板。

进一步的，所述的导流墩为三角墩。

进一步的，所述的三角墩的顶角角度为90°-150°。

进一步的，各所述的水平孔板的上游端与溢流堰后壁连接，第一层水平孔板距离堰顶一段距离设置，其他层水平孔板依次向井底延伸平行排列；各所述的竖直孔板沿水流方向平行设置，各竖直孔板的底端与各层水平孔板的下游端保持一定距离设置，使各层水平孔板与各层竖直孔板形成L形。

进一步的，各所述的竖直孔板顶部平齐，竖直孔板顶部的高度高于堰顶高程+过堰水体水深。

进一步的，水平孔板和竖直孔板分别为三层。

进一步的，所述的水平孔板下游端与竖直孔板底端之间的距离为10-20cm。

进一步的，溢流堰上均布多个用于支撑孔板的支墩，所述支墩的高度与竖直孔板平齐。

进一步的，所述的支墩前后均采用圆弧。

一种使用上述虹吸井的堰流前导流式分级消能消泡方法，所述方法的步骤如下：

分流的步骤：用于水流从进水涵管流入井体时，在出口处遇到导流墩分为左右两股水流；

扩散的步骤：用于水流分为两股水流后在渐变扩散式堰前段的作用下水流扩散开来，引导水流均匀、平稳的到达堰顶；

孔板消能的步骤：用于水流经过堰顶进入第一层水平孔板和竖直孔板围护的第一层消能区，在第一层消能区中，在水平孔和竖直孔板的作用下，水流产生绕水平轴的旋流，旋转的水流产生消能作用，同时使水中溶解的空气析出形成气泡，同时水流通过水平孔板和竖直孔板上的孔进入第二层消能区，在第二层消能中，第二层水平孔板和第二层竖直孔板同样使水流产生绕水平轴的旋流，在消能的同时使得气泡在短距离之内，能上浮至水面、破裂；水流最终通过所有层的水平孔板和竖直孔板，流向出水口；

流出井体的步骤：用于经过消能和消泡的水流通过出水口进入出水涵管排出。

本发明产生的有益效果是：本发明在堰前段采用渐变扩散式的井体，在出水口处设立导流墩，在堰后设置多层孔板，通过井体体形上的改进和增加孔板等水工设施，可大大减少了虹吸井排出的水中的气泡，减少了对周围环境的影响。使用本发明所述的虹吸井和方法可以在排除气泡污染的干扰，实现相对清洁排水的前提下，大大减少虹吸井的工程量，降低建造成本，节约人力物力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述虹吸井的平面结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述虹吸井的立面结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井，如图1、2所示。本实施例包括：进水口1、井体2和出水口3，所述的井体中部设有溢流堰4，将井体分为堰前段201和堰后段202，所述的进水口和出水口分别与堰前段和堰后段的底部连接，所述的堰前段为渐变扩散式，出水口正前方设置导流墩5，所述的堰后段设置多层水平孔板6和竖直孔板7。

本实施例所述的虹吸井的堰前采用渐变扩散+导流墩的设计型式。集中于虹吸井中部的水体首先经过导流墩的分流作用向两侧扩散，再利用堰前渐变扩散的体形进一步引导水流均匀、平稳到达堰顶，提高堰前流态，使得进水口进入虹吸井的水体能够均匀扩散，且基本不增加工程量。

虹吸井堰前为渐变扩散式。所谓渐变扩散式是两侧的边墙与水流方向成一定的角度，形成喇叭形的扩口，使水流可以从集中的出口扩散开来，防止水流的壅塞。由于采用渐变扩散式井体，可以减少大量的土方量，降低工程成本。

并在靠近进水口位置设置导流墩，使得进水口进入虹吸井内的水体能够快速扩散，过堰水体稳定。导流墩可以是三角形导流墩，即水平截面的形状是三角形，三角形的顶角正对水流方向，三角形的顶角的角度在90°-150°之间。导流墩也可以是其他形状的导流墩。

溢流堰设置在虹吸井的中部，拦腰将虹吸井分割量部分：堰前段和堰后段。溢流堰的高度与常规的虹吸井溢流堰高度相仿。

堰后设置多层“L”型阻流孔板，用于分层消能，减少堰后水体跌落过程中的水气掺混，进一步避免泡沫的形成。所谓“L”型阻流孔板是指在水平孔板的一端设置竖直孔板形成L形。所述的孔板即在板面上均匀地布置通孔。

虹吸井中泡沫的产生核心原因是水体跌落过程中形成的强烈的水气掺混。避免虹吸井中泡沫的产生的方法之一是消减堰前跌落水流入水前的速度，避免强烈的水气掺混过程的形成。多层“L”型孔板便是基于上述思想而形成的新的消泡措施。孔板与实心挡板不同，它具有一定的流体阻力，同时也可以通过孔洞过流。过堰水体遇到“L”型孔板后会形成强度较小的消能区消减部分能量（大强度的旋滚消能会大量搀气，导致泡沫的形成），水流通过孔洞时流速升高、过孔洞后流速降低的这一过程也会产生消能作用。通过设置多层“L”型孔板完成水体跌落过程中的分级、分步消能过程，避免水流流速过大导致的强水气掺混。

“L”型孔板可以设施2-4层或更多，常见的虹吸井宽度在15m左右的虹吸井，选择3层孔板比较适中。

“L”型孔板中的水平孔板和竖直孔板可以不完全接触在一起的，以避免砂石沉积。

“L”型孔板的高度设置上需保证在最不利的最大流量和最低外海潮位下有3层孔板起到作用，孔板顶部高度不宜低于堰顶高程+过堰水体水深。

为增强孔板的结构强度可以在虹吸井堰后增设几个支墩，用于固定阻流孔板。支墩为沿水流方向延伸的墙体，其走向与溢流堰垂直。为使水流顺畅，避免干扰水流，支墩前后可以采用圆弧设计，以降低水流阻力，同时避免结构突变导致的水流紊动。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于导流墩的细化。本实施例所述的导流墩为三角墩。

本实施例所述的三角形导流墩是指水平截面形状为三角形的导流墩。导流墩的高度应当超过出水口的高度。三角形的顶角正对水流方向。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于三角形导流墩顶角的细化。本实施例所述的三角墩的顶角角度为90°-150°。

三角墩的顶角是为了更好的分开水流，其角度应当与堰前段侧墙的角度相适应。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例各所述的水平孔板的上游端与溢流堰后壁连接，第一层水平孔板距离堰顶一段距离设置，其他层水平孔板依次向井底延伸平行排列；各所述的竖直孔板沿水流方向平行设置，各竖直孔板的底端与各层水平孔板的下游端保持一定距离设置，使各层水平孔板与各层竖直孔板形成L形。

本实施例所述的水平孔板和竖直孔板的位置设置形成“L”形，多层孔板形成多个“L”的叠放，并在各“L”层之间形成一定的空间，以便水流在“L”之间的空间翻滚消能。

水平孔板与竖直孔板之间设置缝隙（可以设计在10cm-20cm）的目的是防止海水中的泥沙、藻类、贝壳等在孔板处形成沉淀，进而造成孔板堵塞，减少孔板的使用效果，并在后期的运行阶段增加维护费用。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例各所述的竖直孔板顶部平齐，竖直孔板顶部的高度高于堰顶高程+过堰水体水深。

由于各层竖直孔板的顶部高度平齐，而底部要与相应的水平孔板相接近，所以各层竖直孔板沿水流方向的高度一块比一块高，向水下延伸。而各水平孔板也是沿水深方向一块比一块长，随着深度的增加，沿水流方向增加。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例水平孔板和竖直孔板分别为三层。

本实施例对于宽度（两面侧墙之间的最大距离）为15米的虹吸井，比较适合。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例所述的水平孔板下游端与竖直孔板底端之间的距离为10-20cm。

本实施例所述的水平孔板和竖直孔板之间的距离，是“L”形顶角处的开口，是水平孔板与竖直孔板分离之间的缝隙。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例溢流堰上均布多个用于支撑孔板的支墩，所述支墩的高度与竖直孔板平齐。

当溢流堰较长，也就是说，虹吸井的宽度较大时，孔板本身的强度不足以抗拒水流的冲击，容易产生弯曲甚至断裂。为此可以在溢流堰上设置支墩。这些支墩的走向与溢流堰垂直，用钢筋混凝土浇筑而成，其坚固的程度完全可以支撑孔板，防止其弯曲。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于支墩的细化。本实施例所述的支墩前后均采用圆弧。

为减少支墩对水流的干扰，支墩的头部和尾部可以采用圆弧形，或者流线型等其他对水流干扰较少的形状。

实施例十：

本实施例是一种使用上述虹吸井的堰流前导流式分级消能消泡方法，所述方法的步骤如下：

分流的步骤：用于水流从进水涵管流入井体时，在出口处遇到导流墩分为左右两股水流。导流墩可以快速的将水流分为两股。设置快速分流的目的是减少水流扩散距离，可以减少堰前段的体积，减少水流在堰前段的壅塞。

扩散的步骤：用于水流分为两股水流后在渐变扩散式堰前段的作用下水流扩散开来，引导水流均匀、平稳的到达堰顶。由于堰前段为喇叭形，水流可以很快的扩散开来，避免水流在堰前发生不必要的紊流。

孔板消能的步骤：用于水流经过堰顶进入第一层水平孔板和竖直孔板围护的第一层消能区，在第一层消能区中，在水平孔和竖直孔板的作用下，水流产生绕水平轴的旋流，旋转的水流产生消能作用，同时使水中溶解的空气析出形成气泡，同时水流通过水平孔板和竖直孔板上的孔进入第二层消能区，在第二层消能中，第二层水平孔板和第二层竖直孔板同样使水流产生绕水平轴的旋流，在消能的同时使得气泡在短距离之内，能上浮至水面、破裂；水流最终通过所有层的水平孔板和竖直孔板，流向出水口。

水流在孔板之间形成水平轴的旋流，即可以产生阻力，也可以产生均流作用，使得气泡在短距离内上浮至水面。采用三层孔板消能的另外一个显著的优势是实现了水体低紊动强度下的分级跌落消能，第一级消能水体跌落少，紊动强度低，水气掺混不剧烈，且第一级孔板又可隔绝后两层孔板消能过程中水体与大气的接触，在总体上极大地减小了大气和水体的水气掺混强度和接触面积，可有效减少水体中的气泡数量，避免泡沫的形成。

孔板的阻力损失原理为：流体在各孔内收缩，使过孔时的流速增大，流向发生改变，流体流出孔时再一次发生流速和流向的改变，进而产生水头损失。

对于多孔孔板，当孔边为锐边时（），单个孔板的水头损失系数可用下式计算（雷诺数Re>10⁵）

式中：l 为孔板的厚度，，为一个孔的面积，为孔的湿周，，F₁为孔板的总面积。

当孔边为厚边时（），单个孔板的水头损失系数可用下式计算（雷诺数Re>10⁵）

式中：。

“L”型孔板中旋滚消能区的消能强度相对于常规的水跃消能的强度小，以减少强烈的水气掺混消能过程，避免泡沫的产生。孔板除具有消能作用外，还具有很好的均流特性，通过孔板后，虹吸井中的水流流速分布均匀，进一步使得气泡在短距离之内即能上浮至水面、破裂，进一步避免外海泡沫污染带的形成。

利用孔板的均流作用使得气泡在短距离内上浮至水面的原理如下：

气泡从虹吸井从水中上浮到水面时，气泡水平方向的运动距离S _b 可用下式计算：

(1)

其中：V _b 为气泡随水流的运动速度，t 为气泡从虹吸井从水中上浮到水面的时间，H为气泡和水面之间的距离，V _u 为气泡的上浮速度

气泡的上浮速度可认为恒定为0.4m/s，因此

(2)

气泡和水面之间的距离和水流的运动速度越小意味着气泡水平方向的运动距离S _b 越小。H 取决于外海潮位，要想防止气泡尽快浮至水面而不通过下游箱涵进入外海，需要降低堰后水流流速V _b 。

流出井体的步骤：用于经过消能和消泡的水流通过出水口进入出水涵管排出。一个平稳的消能和消泡之后，水流中产生气泡的空气大大减少，可以十分平稳的排出，而不会产生形成泡沫污染区。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如孔板的形式、虹吸井的形式，步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种堰流前导流式分级消能消泡虹吸井，包括：进水口、井体和出水口，所述的井体中部设有溢流堰，将井体分为堰前段和堰后段，所述的进水口和出水口分别与堰前段和堰后段的底部连接，其特征在于，所述的堰前段为渐变扩散式，出水口正前方设置导流墩，所述的堰后段设置多层水平孔板和竖直孔板。

2.根据权利要求1所述的虹吸井，其特征在于，所述的导流墩为三角墩。

3.根据权利要求2所述虹吸井，其特征在于，所述的三角墩的顶角角度为90°-150°。

4.根据权利要求3所述的虹吸井，其特征在于，各所述的水平孔板的上游端与溢流堰后壁连接，第一层水平孔板距离堰顶一段距离设置，其他层水平孔板依次向井底延伸平行排列；各所述的竖直孔板沿水流方向平行设置，各竖直孔板的底端与各层水平孔板的下游端保持一定距离设置，使各层水平孔板与各层竖直孔板形成L形。

5.根据权利要求4所述的虹吸井，其特征在于，各所述的竖直孔板顶部平齐，竖直孔板顶部的高度高于堰顶高程+过堰水体水深。

6.根据权利要求5所述的虹吸井，其特征在于，水平孔板和竖直孔板分别为三层。

7.根据权利要求6所述的虹吸井，其特征在于，所述的水平孔板下游端与竖直孔板底端之间的距离为10-20cm。

8.根据权利要求7所述的虹吸井，其特征在于，溢流堰上均布多个用于支撑孔板的支墩，所述支墩的高度与竖直孔板平齐。

9.根据权利要求8所述的虹吸井，其特征在于，所述的支墩前后均采用圆弧。

10.一种使用权利要求1所述虹吸井的堰流前导流式分级消能消泡方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

分流的步骤：用于水流从进水涵管流入井体时，在出口处遇到导流墩分为左右两股水流；

扩散的步骤：用于水流分为两股水流后在渐变扩散式堰前段的作用下水流扩散开来，引导水流均匀、平稳的到达堰顶；

孔板消能的步骤：用于水流经过堰顶进入第一层水平孔板和竖直孔板围护的第一层消能区，在第一层消能区中，在水平孔和竖直孔板的作用下，水流产生绕水平轴的旋流，旋转的水流产生消能作用，同时使水中溶解的空气析出形成气泡，同时水流通过水平孔板和竖直孔板上的孔进入第二层消能区，在第二层消能中，第二层水平孔板和第二层竖直孔板同样使水流产生绕水平轴的旋流，在消能的同时使得气泡在短距离之内，能上浮至水面、破裂；水流最终通过所有层的水平孔板和竖直孔板，流向出水口；

流出井体的步骤：用于经过消能和消泡的水流通过出水口进入出水涵管排出。