CN107119644B - 一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其构成是在明渠有压进口段的孔口处、有压水体内顺水流方向设置至少一个竖向隔墙，所述隔墙将有压进口段的孔口隔离为至少两个并列的窄深式的独立过流通道，且多个过流通道采用同一工作闸门同步开闭，在有压进口段孔口底板与明流段底板衔接处设置跌坎，所述工作闸门开启后，隔墙两侧水流在隔墙末端后方形成与大气连通的竖向掺气空腔，过流通道内的底层水流在跌坎处形成的底部掺气空腔与竖向掺气空腔连通。采用本发明的掺气水工设施，能实现整个进入明渠的水流全断面大量掺气，提高明渠过流壁面、特别是底板的掺气减蚀效果。

Description

一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施
技术领域
本发明属于水利水电工程中掺气减蚀技术领域，具体涉及一种明渠有压进口全断面掺气水工设施。
背景技术
水流空化是指水体中某点压强低于水的饱和蒸汽压，从而使得该处产生空穴的现象。当空穴溃灭时将产生极大的冲击波，如果该空穴位于过流壁面附近，则空穴溃灭所产生的冲击波将作用到过流壁面上，造成壁面材料的断裂或疲劳破坏而发生剥蚀，即空蚀现象。许多研究与工程实例表明，通过人工强迫掺气可以达到减蚀的效果，即向水流或者直接向可能发生空化的区域进行掺气，改变水流的流态和水流特性，达到减免空蚀的效果。对于坡度较陡的渠道，通过在渠道底部设计掺气坎进行掺气取得了比较好的掺气减蚀效果，从而广泛应用。但当水流的沸汝德数小于4.3～4.5，渠道坡度缓于1：8～1：10时，掺气坎的底部空腔内容易回水，从而影响掺气效果，严重时回水甚至完全淹没掺气坎，反而使得掺气坎成为人工凸体并成为新的空化源。
公开号为CN103758091A的专利申请公布了“缓坡明渠有压进口掺气方法及掺气装置”，通过在有压进口末端设置横向楔形体，使水流分为上下层水体流过横向楔形体并在其尾端形成掺气空腔，空气通过横向楔形体末端铅直面设置的空气通道源源不断地进入水体内部，从而实现水流的横向全断面掺气。但该方法采用的横向楔形体位于有压孔口中间区域，通过掺气空腔卷吸进入的空气有可能到不了渠道底板就开始上逸，从而无法很好地实现对渠道底板的掺气保护。此外，该方法需要闸门的开度需要高于楔形体时，出射水流才能被分成上下两层，才能实现有效的掺气。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，以实现整个进入明渠的水流全断面大量掺气，提高明渠过流壁面，特别是底板的掺气减蚀效果。
针对上述发明目的，本发明提供的一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，在明渠有压进口段的孔口处、有压水体内顺水流方向设置至少一个竖向隔墙，所述隔墙将有压进口段的孔口隔离为至少两个并列的窄深式的独立过流通道，且多个过流通道采用同一工作闸门同步开闭，在有压进口段孔口底板与明流段底板衔接处设置跌坎，所述工作闸门开启后，隔墙两侧水流在隔墙末端后方形成与大气连通的竖向掺气空腔，过流通道内的底层水流在跌坎处形成的底部掺气空腔与竖向掺气空腔连通。
为了更好地实现本发明的目的，在上述技术方案的基础上可进一步采取以下各项技术措施。下述各项技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。
在本发明的上述技术方案中，所述隔墙最好设置1～2个；当设置2个时，两个隔墙顺水流方向并行设置。隔墙横截面为流线型，两侧迎水面为光滑渐变的曲面。
在本发明的上述技术方案中，工作闸门为弧形闸门，各隔墙沿水流方向末端为与弧形工作闸门的弧度相匹配的弧形末端。
在本发明的上述技术方案中，所述隔墙末端的厚度为能使隔墙两侧水流在隔墙末端后方形成的竖向掺气空腔达到流道底板，与过流通道内底层水流在跌坎处形成的底部掺气空腔连通。隔墙末端的厚度优先控制在隔墙高度1/4～1/5的范围。
在本发明的上述技术方案中，所述跌坎高度优先控制在1～2m的范围。
在本发明的上述技术方案中，所述明流段的侧墙最好设置为突扩侧墙。
在本发明的上述技术方案中，所述有压进口段与库区进口之间最好设置有检修闸门，以在需要时关闭对有压进口段检修。
本发明所述水工设施掺气原理和效果如下：
本发明的水工设施运行时，水流从库区进入有压进口段的孔口后，流经竖向隔墙时被分成多股窄深式的水流，无论闸门全开或者是局开，不论开度多大，水流均被分成多股同时流出，并且由各孔流出的各股水流高度相同且同步。由于各股水流出孔口后均会在横向上自然扩散，每两股水流在出孔口后15～30m范围内会交汇到一起。交汇前每股水流均四面与空气接触，从而大量自掺气，水流交汇时，两两发生轻微碰撞从而再次大量掺气，两侧的水流则与边墙发生碰撞掺气。水流与边墙接触并且两两发生碰撞后形成一个整体落到底板上，再次发生卷吸掺气，从而使整个水流(底部、侧墙及水体中间)均大量掺气，大大提高明渠过流壁面、特别是底板的掺气减蚀效果。
与现有技术相比，本发明具有以下十分有益的技术效果：
1.采用本发明所述水工设施，能实现使整个进入明渠的水流全断面大量掺气，提高明渠过流壁面、特别是底板的掺气减蚀效果，即使在缓坡或者平坡，甚至即使空腔存在一些回水的情况下，由于水股之间碰撞会掺入大量空气，底板和侧墙也能实现良好的掺气减蚀效果。
2、在本发明所述水工设施中，竖向隔墙末端背水面与弧形工作闸门完全贴合，完全不会对闸门的局部开启造成任何影响，即使是弧形工作闸门在很小的开度情况下，水流也能被分成多股，各股水流均与空气存在大量自由接触面积，两两发生碰撞掺气，从而实现全断面大量掺气。
3、本发明所述水工设施通过将隔墙背水面设置成与弧形工作闸门同圆心同半径的弧形，闸门全开与局开时均与进口背水面完全贴合，只需要一个工作闸门以及一套动力启闭系统，从而大幅降低了工程耗资。
4、由于本发明所述水工设施中的竖向隔墙完全位于有压进口的末端、有压水体内，隔墙壁面压强很大，因此隔墙本身不存在空化空蚀风险。
5、在本发明所述水工设施中，竖向掺气空腔与顶部空气及跌坎底部的横向掺气空腔自然连通，不用为该掺气结构修建任何通气设施即可实现掺气，从而减小工程量，节省工程耗资。
6、本发明所述水工设施，设计巧妙，结构简单，易于实施，可在有压进口接明流中获得广泛应用。
附图说明
图1为一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施三维结构示意图。
图2为一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施垂直流道底板顺水流方向二维结构示意图。
图3为一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施的俯视结构示意图。
图4为从本发明所述掺气水工设施流出的水体流态示意图。
图中：1—有压进口段，2—隔墙，3—工作闸门，4—跌坎，5—检修闸门，6—明流段，7—竖向掺气空腔，8—底部掺气空腔，9—掺气水流，10—库区。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，通过实施例对本发明所述明渠有压进口全断面掺气水工设施作进一步说明。本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的实施方式，本领域的一般技术人员根据本发明公开的内容还可设计出其他具体实施方式，但这样的实施方式应仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施：在明渠有压进口段1的孔口处、有压水体内顺水流方向设置一个竖向隔墙2，将有压进口段的孔口隔离为两个并列的窄深式的独立过流通道，且两个过流通道采用同一工作闸门3同时控制开闭，在有压进口段孔口底板与明流段6底板衔接处设置跌坎4，跌坎高度为1m。所述隔墙横截面为流线型，两侧迎水面为光滑渐变的曲面，末端的厚度为隔墙高度的1/4。所述工作闸门为弧形闸门，隔墙沿水流方向末端为与弧形工作闸门的弧度相匹配的弧形末端。所述明流段6的侧墙设置为突扩侧墙。在有压进口段与库区出口之间设置有检修闸门。

Claims (10)

1.一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于，在明渠有压进口段(1)的孔口处、有压水体内顺水流方向设置至少一个竖向隔墙(2)，所述隔墙将有压进口段的孔口隔离为至少两个并列的窄深式的独立过流通道，且多个过流通道采用同一工作闸门(3)同步开闭，在有压进口段孔口底板与明流段(6)底板衔接处设置跌坎(4)，所述工作闸门开启后，隔墙两侧水流在隔墙末端后方形成与大气连通的竖向掺气空腔(7)，过流通道内的底层水流在跌坎处形成的底部掺气空腔与竖向掺气空腔连通。
2.根据权利要求1所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述隔墙设置1～2个，当设置2个时，两个隔墙顺水流方向并行设置。
3.根据权利要求1所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述隔墙横截面为流线型，两侧迎水面为光滑渐变的曲面。
4.根据权利要求1所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述工作闸门为弧形闸门，各隔墙沿水流方向末端为与弧形工作闸门的弧度相匹配的弧形末端。
5.根据权利要求1～4中任一权利要求所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于隔墙末端的厚度为隔墙高度的1/4～1/5。
6.根据权利要求1～4中任一权利要求所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述跌坎高度为1～2m。
7.根据权利要求5所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述跌坎高度为1～2m。
8.根据权利要求1～4中任一权利要求所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述明流段(6)的侧墙设置为突扩侧墙。
9.根据权利要求7所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述明流段(6)的侧墙设置为突扩侧墙。
10.根据权利要求9所述一闸多孔式明渠有压进口全断面掺气水工设施，其特征在于所述有压进口段与库区(10)出口之间设置有检修闸门(5)。
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