CN108385603B - 掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高流速泄水建筑物消能工的泄洪消能安全领域，涉及一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置及方法，该试验装置包括提供流量的储水装置、掺气水流控制系统、窄缝消能工模型，掺气水流控制系统上与储水箱出水孔相接，下与窄缝消能工模型相连。在一定流量条件下，通过对所述掺气水流控制系统闸门开启高度、陡坡泄槽段底板粗糙度分布进行调试，在所述窄缝消能工模型的控制断面制造出相应流量所对应的平均流速和平均掺气浓度。本发明解决了掺气水流窄缝消能工模型和原型掺气水流浓度不相似的问题，科学地反映了原型窄缝消能工的实际水力特性，对掺气水流窄缝消能工体型的设计与优化研究具有重要的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及高流速泄水建筑物消能工的泄洪消能安全领域，具体是一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置及方法。
背景技术
上世纪50年代，窄缝挑坎消能工首次应用于葡萄牙的卡勃利尔大坝溢洪道，此后窄缝消能工成为高水头岸边溢洪道或泄洪洞常用的消能型式。其特点是泄洪道下游出口段两侧边墙收缩形成窄缝，流经此处的水流沿程收缩，水流出窄缝消能工后形成窄而高的水舌，水舌横向扩散较小，纵向、竖向扩散较大，水舌射入下游河道时呈长条形，其单位面积的能量显著减少，消能防冲效果良好，常常成为狭窄河谷地区高坝泄洪消能工的不二选择。由于窄缝消能工水力特性复杂以及窄缝水舌消能区狭窄河谷边界的制约，其窄缝消能工体型及消能防冲效果目前还难以通过数学模型进行模拟，通常采用水力模型试验进行论证和优化。
对于泄洪设施尾部采用窄缝消能工的一般工程，由于泄洪道流速不太高、流程不太长，其泄槽水流表面自掺气不会充分发展，泄槽尾部窄缝消能工的水流掺气一般较少，按传统水力模型试验方法，只要窄缝消能工进口前泄槽控制断面的来流条件相似(即流量、断面平均流速相似)，窄缝消能工水力模型试验即可以反映原型实际情况。
随着在狭谷地区高坝建设的不断发展，泄洪设施长度达数千米已成常态；在高流速、长流程明流泄洪设施出口采用窄缝消能工时，流经窄缝消能工的水流可能已充分掺气，水流中的掺气浓度较大，如果按传统方法进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验，由于传统方法中的模型只能控制流量、断面平均流速两个条件相似，不能控制水流掺气浓度条件与原型相似，必然影响到模型其它试验成果的真实性和可靠性。以某高流速、长流程泄洪洞工程为例，在进行水力模型试验时，模型比尺为1:58，按传统方法进行水力模型试验时，控制了模型的流量和挑坎前断面的平均流速，其试验得到的水舌外缘最大挑距距离对岸岸边约30m，但原型泄洪时，水舌外缘最大挑距已抵达对岸岸坡，造成岸坡损毁，根据原型观测成果以及水流掺气计算分析，原型泄槽水流自掺气已经充分发展，其平均水流掺气浓度约18％，由于传统试验方法不能控制模型中的水流掺气浓度与原型相似，最终导致模型挑流消能工水舌挑距与原型产生较大的偏差。
高流速、长流程明流泄槽易出现水流自掺气充分发展现象，判断其是否充分掺气的条件是：
L≥15q2/3 (1)
L—明流泄槽的总流程，m；
q—明流泄槽最大单宽流量，m2/s。
水流表面自掺气充分发展条件下的平均掺气浓度计算公式是：
C＝0.538(nV/R2/3-0.02) (2)
C—明流水流自掺气充分发展后的平均掺气浓度；
n—明流泄槽壁面糙率；
V—明流泄槽充分掺气断面的平均流速，m/s；
R—明流泄槽的水力半径，m。
综上所述，当高流速、长流程明流泄洪设施采用窄缝消能工时，如根据(1)式计算判断原型泄槽水流自掺气已经充分发展，则不能按传统方法进行模型试验，由此得到的模型试验成果不能反映原型实际情况，因此必须控制模型水流与原型水流的掺气浓度相似。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以上传统水力模型试验技术存在的不足，提出了一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置及方法，可以解决传统模型试验方法中的水流掺气浓度不相似问题。
本发明解决以上技术问题采用的技术方案是：
一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，包括依次连接的提供流量的储水装置、掺气水流控制系统、窄缝消能工模型，所述掺气水流控制系统包括倾斜向下设置的有压管、控制有压管开度大小的弧形闸门，其特征在于：所述掺气水流控制系统还包括设于弧形闸门后部的掺气坎、能分段调节底板粗糙度的陡坡泄槽，所述陡坡泄槽的底板采用粗糙底板和光面底板组合方式，粗糙底板位于陡坡泄槽上部，光面底板位于陡坡泄槽下部，与粗糙底板相接。
进一步的，所述粗糙底板为表面具有齿状凸起的搓衣板状底板。
进一步的，所述提供流量的储水装置包括储水箱、伸入储水箱的进水管、设于进水管的进水闸阀、流量计、设于储水箱的储水箱出水口，有压管的入水口与储水箱出水口连接。
进一步的，所述提供流量的储水装置还包括设于储水箱内的消浪栅。
进一步的，所述窄缝消能工模型包括窄缝消能工、位于窄缝消能工前的明流泄槽、设于明流泄槽中的流速和掺气浓度控制断面、位于窄缝消能工下部的模型下游河道。
进一步的，所述陡坡泄槽和所述明流泄槽形成整个泄槽，所述陡坡泄槽长度占整个泄槽总长度的4/5。
一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验方法，其特征在于使用上述装置进行试验，所述方法包括如下步骤：
步骤一、水流由进水闸阀和流量计控制后通过进水管进入到储水箱内；
步骤二、分别调试掺气水流控制系统中的弧形闸门开启高度、陡坡泄槽中粗糙底板长度和齿状凸起高度，使窄缝消能工模型发生水流均匀掺气现象；
步骤三、监测明流泄槽中控制断面平均流速和平均掺气浓度，通过调整弧形闸门开启高度、粗糙底板长度、粗糙底板齿状凸起高度，使控制断面平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值，然后进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验。
进一步的，其中调整弧形闸门开启高度、粗糙底板长度、粗糙底板齿状凸起高度使控制断面平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值的具体步骤为：
如监测的控制断面平均流速和平均掺气浓度与理论计算值相等，则表示调节成功，即可进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验；
如监测的控制断面平均流速与理论计算值不相等，则通过增大或减小弧形闸门开启高度，使控制断面的流速减小或增大，直至等于理论计算值；
如监测的控制断面平均掺气浓度与理论计算值不相等，则增加或减少陡坡泄槽中的粗糙底板长度，使控制断面的掺气浓度增大或减小，直至等于理论计算值；
如陡坡泄槽中的全部底板都调整为粗糙底板后，监测的控制断面平均掺气浓度仍然小于理论计算值，则增大粗糙底板的齿状凸起高度，使控制断面平均掺气浓度等于理论计算值；
进一步的，在陡坡泄槽中的粗糙底板增加或减少一定长度的同时，相应的光面底板长度则要减少或增加相同的量。
本发明的优点是：如按传统方法进行模型试验，原型水流中有较大的掺气浓度，而模型中水流掺气浓度几乎为零，由于模型试验中没有(或者不能)控制水流掺气浓度与原型相似，因此传统模型试验所得到的泄洪消能效果及相关水力参数也就不能真实反映原型实际，这对高流速泄水建筑物的泄洪消能安全将带来严重危害；而本发明方法则解决了模型水流与原型水流掺气浓度不相似问题，通过掺气水流控制系统调试，使模型水流掺气浓度与原型完全一致，在此基础上得到的模型试验成果能够客观反映原型实际情况，因此工程的安全可靠性就得到了保障；前述原型工程事故实例表明，传统模型试验方法中由于不能控制水流掺气浓度相似，导致模型试验得到的水舌挑距与原型相差30m，而根据本发明方法进行水流掺气浓度相似控制后，其模型试验得到的水舌挑距与原型基本一致；因此本发明对掺气水流试验研究技术的发展具有重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置其中一个实施例的结构示意图；
图2为传统掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置示意图；
图3为本发明中掺气水流控制系统示意图；
图4a为底部掺气坎，图4b为侧墙掺气坎，图4c为底部侧墙组合掺气坎；
图5为搓衣板状底板单块示意图；
图6为光面底板单块示意图。
图中，1—进水闸阀，2—流量计，3—进水管，4—储水箱，5—消浪栅，6—储水箱出水口，7—有压管，8—弧形闸门，9—掺气坎，10—能分段调节底板粗糙度的陡坡泄槽，11—明流泄槽，12—窄缝消能工，13—流速和掺气浓度控制断面，14—模型下游河道，15—流速控制断面，101—粗糙底板，102—光面底板，103—齿状凸起。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1所示为本发明掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置其中一个实施例的结构示意图，该试验装置包括提供流量的储水装置、掺气水流控制系统、窄缝消能工模型，上述三大系统依次连接。
所述提供流量的储水装置包括进水闸阀1、流量计2、进水管3、储水箱4、消浪栅5、储水箱出水口6，进水管3伸入储水箱4，为储水箱4提供进水，进水管3上设有进水闸阀1、流量计2，储水箱4内设有竖直向下的消浪栅5，储水箱的侧壁设有储水箱出水口6。
所述掺气水流控制系统包括有压管7、弧形闸门8、掺气坎9、能分段调节底板粗糙度的陡坡泄槽10，有压管7的入水口与储水箱出水口6连接，有压管7呈倾斜向下设置，有压管7的出水口设置可旋转的弧形闸门8，通过旋转弧形闸门8可调节有压管7的出水口面积大小，从而调节水流大小。弧形闸门8的后部设置掺气坎9和陡坡泄槽10，所述掺气坎9为底部掺气坎、侧墙掺气坎或底部及侧墙组合式掺气坎；图4a为底部掺气坎布置示意图，图4b为侧墙掺气坎布置示意图，图4c为底部侧墙组合掺气坎布置示意图。掺气坎9是加强水流掺气的设施，可布置成图4a或者图4b或者图4c中的任一种型式，图4c所示掺气坎掺气能力最大，图4a所示掺气坎掺气能力次之，图4b所示掺气坎掺气能力最小。所述陡坡泄槽10的长度占所述泄槽总长度的4/5，所述陡坡泄槽10的底板采用粗糙底板101(例如搓衣板状底板)和光面底板102组合布置的方式，图5为搓衣板状底板示意图，图6为光面底板示意图。粗糙底板101位于陡坡泄槽10上部，光面底板102位于陡坡泄槽10下部，与粗糙底板101相接，粗糙底板101和光面底板102组合成能分段调节底板粗糙度的陡坡泄槽底板。
所述窄缝消能工模型包括窄缝消能工12、位于窄缝消能工12前的明流泄槽11、布置于明流泄槽11中的流速和掺气浓度控制断面13、位于窄缝消能工12下部的模型下游河道14，所述明流泄槽11与所述陡坡泄槽10相接形成整个泄槽，所述陡坡泄槽长10度占整个泄槽总长度的4/5，所述明流泄槽11的长度占整个泄槽总长度的1/5。
在图2所示系统中，通过调控进水闸阀1和流量计2得到流量，通过调控弧形闸门8得到流速控制断面15的平均流速。而在图1所示系统中，通过调控进水闸阀1和流量计2得到流量，通过调控弧形闸门8和陡坡泄槽10得到控制断面13的平均流速和平均掺气浓度。
在陡坡泄槽10中靠上部任意放置若干块粗糙底板101，陡坡泄槽10中其余部分则放置光面底板102，在试验流量稳定后，将弧形闸门8开启高度调整到任一高度，监测控制断面13的平均流速和平均掺气浓度，如监测的控制断面13的平均流速和平均掺气浓度与理论计算值相等，则表示调节成功，可以进行窄缝消能工水力模型试验；如监测的控制断面13的平均流速与理论计算值不相等，则通过增大(减小)弧形闸门8开启高度，使控制断面13的流速减小(增大)、直至等于理论计算值；如监测的控制断面13的平均掺气浓度与理论计算值不相等，则要增加(减少)粗糙底板101长度，使控制断面13的掺气浓度增大(减小)、直至等于理论计算值；如陡坡泄槽10全部调整为粗糙底板101后，监测的控制断面13的平均掺气浓度仍然小于理论计算值，则要增大粗糙底板101的齿状凸起103高度，使控制断面13的平均掺气浓度等于理论计算值。
本发明还提供了一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验方法，采用上述试验装置进行水力模型试验，包括如下步骤：
步骤一、水流由进水闸阀1和流量计2控制后通过进水管3按自由流方式进入到储水箱4内，进水管3的出流量不受储水箱3内水位升降的影响；
步骤二、分别调试掺气水流控制系统的弧形闸门8开启高度、陡坡泄槽10中粗糙底板101长度，使窄缝消能工模型发生水流均匀掺气现象；
步骤三、监测流速、掺气浓度控制断面13的平均流速和平均掺气浓度，通过调整弧形闸门8开启高度、粗糙底板101长度及齿状凸起103高度使控制断面13的平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值，然后即可进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验。
平均流速按传统方法计算，平均掺气浓度按公式(2)计算。其中弧形闸门8开启高度、粗糙底板101长度及齿状凸起103高度均需要逐步调试并以控制断面13的平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值为最终调试目标，而使控制断面13的平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值的具体调试步骤为：将弧形闸门8预先任意设置一个开启高度，在陡坡泄槽10中靠上部任意放置若干块粗糙底板101，如监测的控制断面13的平均流速和平均掺气浓度与理论计算值相等，则表示调节成功，可以进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验；如监测的控制断面13的平均流速与理论计算值不相等，则通过增大(减小)弧形闸门8开启高度，使控制断面13的流速减小(增大)、直至等于理论计算值；如监测的控制断面13的平均掺气浓度与理论计算值不相等，则要增加(减少)粗糙底板101长度，使控制断面13的掺气浓度增大(减小)、直至等于理论计算值；如陡坡泄槽10全部调整为粗糙底板101后，监测的控制断面13的平均掺气浓度仍然小于理论计算值，则要增大粗糙底板101的齿状凸起103高度，使控制断面13的平均掺气浓度等于理论计算值。
某水利水电工程泄洪设施窄缝消能工，其窄缝消能工的最大工作水头148m，其泄洪设施明流段长度613m，泄槽最大单宽流量206m2/s，根据理论计算得出窄缝消能工前断面平均流速为46m/s，根据公式(1)计算窄缝消能工水流已充分掺气，根据公式(2)计算原型水流平均掺气浓度为16.7％；表1为按传统方法得到的水力模型试验成果，由于模型试验控制条件中仅控制了单宽流量、平均流速相似，不能控制水流掺气浓度相似，原型水流中的平均掺气浓度为16.7％，而模型中水流的掺气浓度＜1％，因此按传统方法得出的模型试验成果不能反映原型实际；表2为按本发明方法得到的水力模型试验成果，由于模型试验控制条件中单宽流量、平均流速、平均掺气浓度均与原型水流完全相似，原型、模型中的水流掺气浓度均为16.7％，因此按本发明方法得出的试验成果能够真实反映原型实际。
表1按传统试验方法得到的掺气水流水力模型成果
表2按本发明试验方法得到的掺气水流水力模型成果
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，包括依次连接的提供流量的储水装置、掺气水流控制系统、窄缝消能工模型，所述掺气水流控制系统包括倾斜向下设置的有压管、控制有压管开度大小的弧形闸门，其特征在于：所述掺气水流控制系统还包括设于弧形闸门后部的掺气坎、能分段调节底板粗糙度的陡坡泄槽，所述陡坡泄槽的底板采用粗糙底板和光面底板组合，粗糙底板位于陡坡泄槽上部，光面底板位于陡坡泄槽下部，与粗糙底板相接。
2.如权利要求1所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，其特征在于：所述粗糙底板为表面具有齿状凸起的搓衣板状底板。
3.如权利要求1所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，其特征在于：所述提供流量的储水装置包括储水箱、伸入储水箱的进水管、设于进水管的进水闸阀、流量计、设于储水箱的储水箱出水口，有压管的入水口与储水箱出水口连接。
4.如权利要求1所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，其特征在于：所述提供流量的储水装置还包括设于储水箱内的消浪栅。
5.如权利要求1所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，其特征在于：所述窄缝消能工模型包括窄缝消能工、位于窄缝消能工前的明流泄槽、设于明流泄槽中的流速和掺气浓度控制断面、位于窄缝消能工下部的模型下游河道。
6.如权利要求5所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验装置，其特征在于：所述陡坡泄槽和所述明流泄槽形成整个泄槽，所述陡坡泄槽长度占整个泄槽总长度的4/5。
7.一种掺气水流窄缝消能工水力模型试验方法，其特征在于使用权利要求1-6中任一项所述试验装置进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、水流由进水闸阀和流量计控制后通过进水管进入到储水箱内；
步骤二、分别调试掺气水流控制系统的弧形闸门开启高度、陡坡泄槽中粗糙底板长度和凸起高度，使窄缝消能工模型发生水流均匀掺气现象；
步骤三、监测控制断面的平均流速和平均掺气浓度，通过调整弧形闸门开启高度、陡坡泄槽中的粗糙底板长度、粗糙底板齿状凸起高度，使控制断面平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值，然后进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验。
8.如权利要求7所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验方法，其特征在于：其中调整弧形闸门开启高度、陡坡泄槽中的粗糙底板长度、粗糙底板齿状凸起高度使控制断面平均流速和平均掺气浓度等于理论计算值的具体步骤为：
如监测的控制断面平均流速和平均掺气浓度与理论计算值相等，则表示调节成功，即可进行掺气水流窄缝消能工水力模型试验；
如监测的控制断面平均流速与理论计算值不相等，则通过增大或减小弧形闸门开启高度，使控制断面流速减小或增大，直至等于理论计算值；
如监测的控制断面平均掺气浓度与理论计算值不相等，则增加或减少陡坡泄槽中的粗糙底板长度，使控制断面掺气浓度增大或减小，直至等于理论计算值；
如陡坡泄槽中的底板全部调整为粗糙底板后，监测的控制断面平均掺气浓度仍然小于理论计算值，则要增大粗糙底板的齿状凸起高度，使控制断面平均掺气浓度等于理论计算值。
9.如权利要求7所述的掺气水流窄缝消能工水力模型试验方法，其特征在于：在粗糙底板增加或者减少一定长度的同时，相应的光面底板应同时减少或者增加相同的长度。
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