CN110273406B - 一种三维全断面侧扩散掺气坎 - Google Patents

一种三维全断面侧扩散掺气坎 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维全断面侧扩散掺气坎,包括底板和边墙,边墙垂直于底板且位于底板的左右两侧,从而在两边墙之间形成过流通道,沿水流方向,边墙被分成边墙Ⅰ和边墙Ⅱ两部分,两边墙Ⅱ的起始端的间距大于两侧边墙Ⅰ的间距,两边墙Ⅱ的末端的间距等于两侧边墙Ⅰ的间距;两侧边墙Ⅱ之间的过流通道构成侧扩散段,在侧扩散段对应的过流通道的底板上设有沿水流方向布置的掺气墩,掺气墩的下表面与底板对应连接,掺气墩的上游段为弧形且沿水流方向上游段掺气墩宽度逐渐增大,掺气墩的下游段的宽度为定值且沿水流方向有一长度,掺气墩的上游段与下游段平滑衔接过渡。该掺气坎能在不改变水流弗劳德数的前提下实现过流壁全断面掺气。

Description

一种三维全断面侧扩散掺气坎
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域,具体涉及一种三维全断面侧扩散掺气坎。
背景技术
随着水利水电事业的蓬勃发展,越来越多的高坝大库正在兴建或者正处于规划当中。由于水头的不断增大,泄洪流速也急剧增大,泄洪消能的问题日趋突出。
随着流速的增大,过流壁面的压强逐渐减小,当水体内部某点位置的压强低于水的饱和蒸汽压时便产生空化泡,空化泡逐渐游移至压强相对较高的地方并在某个瞬间溃灭,当空化泡的溃灭位置邻近过流壁面时,就会对材料产生冲击作用,长期作用下易造成泄流通道壁面的空蚀破坏。
为解决高速水流的空化空蚀问题,工程界一般采用人工强迫掺气的办法对过流壁面形成掺气保护。泄洪洞底部掺气多利用挑坎或跌坎在高速水流底部形成一稳定负压空腔,利用负压作用不断从外界大气卷吸空气并源源不断地提供给行进的水流,保证水流掺气。
常规的掺气结构分为两种,一种是侧收缩掺气结构,另一种是侧扩散掺气结构。常规侧收缩掺气坎结构俯视图如图1所示,由于过流通道的束窄,水深增大而流速则变化较小,这就造成了水流弗劳德数的减小从而更加不利于水流的掺气。常规侧扩散掺气坎结构俯视图如图2所示,其侧向掺气很难到达全断面过流底板,从而不能对过流壁面全断面进行掺气保护。
中国专利201810131045.0公开了一种三维全断面掺气坎,该掺气坎包括边墙和底板,底板上设置有掺气底坎,掺气底坎的中部垂直设置楔形中墩,楔形中墩的起始位置与掺气底坎起点重合,其竖向高度和横向宽度均为零。掺气底坎沿着水流方向的厚度逐渐增大。楔形中墩的纵向高度随着水流方向逐渐增大、横向宽度随着水流方向逐渐变宽。楔形中墩的迎水面设置为弧形迎水面。该专利楔形中墩设置后过流通道的宽度束窄了,使得过流通道内的水深会升高,而流速基本没有变化,从而造成了水流弗劳德数减小进而更加不利于水流的掺气。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的就在于提供一种在不改变水流弗劳德数的前提下实现过流壁全断面掺气的三维全断面侧扩散掺气坎。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种三维全断面侧扩散掺气坎,包括底板和边墙,边墙垂直于底板且位于底板的左右两侧,从而在两边墙之间形成过流通道,沿水流方向,边墙被分成边墙Ⅰ和边墙Ⅱ两部分,两边墙Ⅱ的起始端的间距大于两侧边墙Ⅰ的间距并分别通过连接墙与对应侧边墙Ⅰ的末端连接,两边墙Ⅱ的末端的间距等于两侧边墙Ⅰ的间距并分别与下游对应侧的泄槽边墙的起始端连接;两侧边墙Ⅱ之间的过流通道构成侧扩散段,在侧扩散段对应的过流通道的底板上设有沿水流方向布置的掺气墩,掺气墩的下表面与底板对应连接,掺气墩的上游段为弧形且沿水流方向上游段掺气墩宽度逐渐增大,掺气墩的下游段的宽度为定值且沿水流方向有一长度,掺气墩的上游段与下游段平滑衔接过渡,从而使得下游段宽度与上游段最大宽度相等。
进一步地,所述掺气墩位于过流通道的中间且距左右两侧的对应边墙Ⅱ的距离相等。
更进一步地,掺气墩末端对应的边墙Ⅱ与边墙Ⅰ的垂直距离b1大于掺气墩下游段宽度b的二分之一;边墙Ⅱ起始端距离对应侧边墙Ⅰ的间距b2为(1.05~1.2)×b1
进一步地,所述边墙Ⅱ由上游边墙Ⅱ和下游边墙Ⅱ构成,上游边墙Ⅱ与边墙Ⅰ平行且与对应侧边墙Ⅰ的垂直距离大于掺气墩下游段宽度的二分之一;上游边墙Ⅱ的起始端通过连接墙与对应侧边墙Ⅰ的末端连接,上游边墙Ⅱ的末端与对应侧下游边墙Ⅱ的起始端连接,两下游边墙Ⅱ间距逐渐减小然后分别与下游对应侧泄槽边墙的起始端连接。
进一步地,沿水流方向,掺气墩末端对应边墙Ⅱ处距离边墙Ⅱ起始端的长度为掺气墩的长度的1.2~1.5倍。
进一步地,掺气墩下游段宽度为两边墙Ⅰ间距的0.05~0.20倍。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明在侧扩散段对应的过流通道的底板上设置掺气墩,掺气墩在不影响水流流通的情况下,将水流分成左右两股,并在掺气墩水流方向的后端形成楔形空腔,有利于全断面过流底板的掺气,从而实现过流壁面的掺气保护。
2、本发明方案一通过进一步扩宽掺气墩对应的左右两侧边墙Ⅱ的间距,避免由于掺气墩的设置造成过流通道束窄的影响,从而保证掺气段水深几乎不发生变化,进而在不改变水流弗劳德数的前提下实现了良好的掺气。
3、本发明方案二将位于上游方向的边墙Ⅱ设置成与边墙Ⅰ平行,这样不需要扩宽掺气墩对应的左右两侧边墙Ⅱ的间距就可以有效避免现有掺气坎因设置掺气墩造成过流通道束窄的影响,从而保证掺气段水深几乎不发生变化,进而在不改变水流弗劳德数的前提下实现了良好的掺气。
附图说明
图1-现有侧收缩掺气结构俯视图。
图2-现有侧扩散掺气结构俯视图。
图3-第一种具体实施方式的结构示意图。
图4-第一种具体实施方式的结构俯视图。
图5-第一种具体实施方式的流态图。
图6-第二种具体实施方式的结构示意图。
图7-第二种具体实施方式的结构俯视图。
图8-第二种具体实施方式的流态图。
其中:1-边墙;11-边墙Ⅰ;12-边墙Ⅱ;12a-上游边墙Ⅱ;12b-下游边墙Ⅱ;13-连接墙;2-底板;3-掺气墩;4-泄槽底板;5-泄槽边墙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
第一种实施方式:参见图3、图4和图5,一种三维全断面侧扩散掺气坎,包括底板2和边墙1,边墙1垂直于底板2且位于底板2的左右两侧,从而在两边墙1之间形成过流通道,沿水流方向,边墙1被分成边墙Ⅰ11和边墙Ⅱ12两部分,两边墙Ⅱ12的起始端的间距大于两侧边墙Ⅰ11的间距并分别通过连接墙13与对应侧边墙Ⅰ11的末端连接,两边墙Ⅱ12的末端的间距等于两侧边墙Ⅰ11的间距并分别与下游对应侧的泄槽边墙5的起始端连接,底板2与泄槽底板4连接;两侧边墙Ⅱ12之间的过流通道构成侧扩散段,在侧扩散段对应的过流通道的底板2上设有沿水流方向布置的掺气墩3,掺气墩3的下表面与底板2对应连接,掺气墩3的上游段为弧形且沿水流方向上游段掺气墩3宽度逐渐增大,掺气墩3的下游段的宽度为定值且沿水流方向有一长度,掺气墩3的上游段与下游段平滑衔接过渡,从而使得掺气墩下游段宽度与上游段最大宽度相等。
这样通过在侧扩散段对应的过流通道的底板上设置掺气墩,掺气墩的上游段为弧形,从而不影响水流流通,同时水流被分成左右两股,并在掺气墩水流方向的后端形成楔形空腔,有利于全断面过流底板的掺气,从而实现过流壁面的掺气保护。
其中,所述掺气墩3位于过流通道的中间且距左右两侧的对应边墙Ⅱ12的距离相等。
这样在掺气墩左右两侧形成的两股水流大小一致,掺气更加均匀,更加有利于全断面过流底板的掺气。
其中,掺气墩3末端对应的边墙Ⅱ12与边墙Ⅰ11的垂直距离b1大于掺气墩3下游段宽度b的二分之一;边墙Ⅱ起始端距离对应侧边墙Ⅰ的间距b2为(1.05~1.2)×b1
这样在侧扩散的基础上进一步扩宽了掺气墩对对应的左右两侧边墙Ⅱ的间距,避免由于掺气墩的设置造成过流通道束窄的影响,从而保证掺气段水深几乎不发生变化,进而在不改变水流弗劳德数的前提下实现了良好的掺气。
其中,沿水流方向,掺气墩3末端对应边墙Ⅱ处距离边墙Ⅱ起始端的长度L1为掺气墩的长度L的1.2~1.5倍。
具体实施时,L为3.0~10.0 m,通过计算可得L 2=b 1 L 1/(b 2-b 1)。
其中,掺气墩3下游段宽度b为两边墙Ⅰ11间距B的0.05~0.20倍。
具体实施时,b为0.5~2 m。
第二种实施方式:参见图6、图7和图8,一种三维全断面侧扩散掺气坎,包括底板2和边墙1,边墙1垂直于底板2且位于底板2的左右两侧,从而在两边墙1之间形成过流通道,沿水流方向,边墙1被分成边墙Ⅰ11和边墙Ⅱ12两部分,两边墙Ⅱ12的起始端的间距大于两侧边墙Ⅰ11的间距并分别通过连接墙13与对应侧边墙Ⅰ11的末端连接,两边墙Ⅱ12的末端的间距等于两侧边墙Ⅰ11的间距并分别与下游对应侧的泄槽边墙5的起始端连接,底板2与泄槽底板4连接;两侧边墙Ⅱ12之间的过流通道构成侧扩散段,在侧扩散段对应的过流通道的底板2上设有沿水流方向布置的掺气墩3,掺气墩3的下表面与底板2对应连接,掺气墩3的上游段为弧形且沿水流方向上游段掺气墩3宽度逐渐增大,掺气墩3的下游段的宽度为定值且沿水流方向有一长度,掺气墩3的上游段与下游段平滑衔接过渡,从而使得掺气墩下游段宽度与上游段最大宽度相等。
这样通过在侧扩散段对应的过流通道的底板上设置掺气墩,掺气墩的上游段为弧形,从而不影响水流流通,同时水流被分成左右两股,并在掺气墩水流方向的后端形成楔形空腔,有利于全断面过流底板的掺气,从而实现过流壁面的掺气保护。
其中,所述掺气墩3位于过流通道的中间且距左右两侧的对应边墙Ⅱ12的距离相等。
这样在掺气墩左右两侧形成的两股水流大小一致,掺气更加均匀,更加有利于全断面过流底板的掺气。
其中,所述边墙Ⅱ由上游边墙Ⅱ12a和下游边墙Ⅱ12b构成,上游边墙Ⅱ12a与边墙Ⅰ11平行且与对应侧边墙Ⅰ的垂直距离b1大于掺气墩下游段宽度b的二分之一;上游边墙Ⅱ12a的起始端通过连接墙与对应侧边墙Ⅰ11的末端连接,上游边墙Ⅱ12a的末端与对应侧下游边墙Ⅱ12b的起始端连接,两下游边墙Ⅱ12b间距逐渐减小然后分别与下游对应侧泄槽边墙5的起始端连接。
这样将位于上游方向的上游边墙Ⅱ设置成与边墙Ⅰ平行,不需要加宽现有侧扩散掺气坎两侧边墙Ⅱ间的间距,就可以有效避免现有掺气坎因设置掺气墩造成过流通道束窄的影响,从而保证掺气段水深几乎不发生变化,进而在不改变水流弗劳德数的前提下实现了良好的掺气。
其中,沿水流方向,掺气墩末端对应边墙Ⅱ处距离边墙Ⅱ起始端的长度L1为掺气墩的长度L的1.2~1.5倍。
具体实施时,L为3.0~10.0 m,L2为5.0~15.0 m。
其中,掺气墩3下游段宽度b为两边墙Ⅰ11间距B的0.05~0.20倍。
具体实施时,b为0.5~2 m。
最后需要说明的是,本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种三维全断面侧扩散掺气坎,包括底板和边墙,边墙垂直于底板且位于底板的左右两侧,从而在两边墙之间形成过流通道,沿水流方向,边墙被分成边墙Ⅰ和边墙Ⅱ两部分,两边墙Ⅱ的起始端的间距大于两侧边墙Ⅰ的间距并分别通过连接墙与对应侧边墙Ⅰ的末端连接,两边墙Ⅱ的末端的间距等于两侧边墙Ⅰ的间距并分别与下游对应侧的泄槽边墙的起始端连接;两侧边墙Ⅱ之间的过流通道构成侧扩散段,其特征在于,在侧扩散段对应的过流通道的底板上设有沿水流方向布置的掺气墩,掺气墩的下表面与底板对应连接,掺气墩的上游段为弧形且沿水流方向上游段掺气墩宽度逐渐增大,掺气墩的下游段的宽度为定值且沿水流方向有一长度,掺气墩的上游段与下游段平滑衔接过渡,从而使得下游段宽度与上游段最大宽度相等,有利于在不改变水流弗劳德数的前提下实现良好的掺气。
2.根据权利要求1所述的一种三维全断面侧扩散掺气坎,其特征在于,所述掺气墩位于过流通道的中间且距左右两侧的对应边墙Ⅱ的距离相等。
3.根据权利要求2所述的一种三维全断面侧扩散掺气坎,其特征在于,掺气墩末端对应的边墙Ⅱ与边墙Ⅰ的垂直距离b1大于掺气墩下游段宽度b的二分之一;边墙Ⅱ起始端距离对应侧边墙Ⅰ的间距b2为(1.05~1.2)×b1
4.根据权利要求2所述的一种三维全断面侧扩散掺气坎,其特征在于,所述边墙Ⅱ由上游边墙Ⅱ和下游边墙Ⅱ构成,上游边墙Ⅱ与边墙Ⅰ平行且与对应侧边墙Ⅰ的垂直距离大于掺气墩下游段宽度的二分之一;上游边墙Ⅱ的起始端通过连接墙与对应侧边墙Ⅰ的末端连接,上游边墙Ⅱ的末端与对应侧下游边墙Ⅱ的起始端连接,两下游边墙Ⅱ间距逐渐减小然后分别与下游对应侧泄槽边墙的起始端连接。
5.根据权利要求3或4任一所述的一种三维全断面侧扩散掺气坎,其特征在于,沿水流方向,掺气墩末端对应边墙Ⅱ处距离边墙Ⅱ起始端的长度为掺气墩的长度的1.2~1.5倍。
6.根据权利要求1所述的一种三维全断面侧扩散掺气坎,其特征在于,掺气墩下游段宽度为两边墙Ⅰ间距的0.05~0.20倍。
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