CN111611640B - 一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝及设计方法 - Google Patents

一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝及设计方法 Download PDF

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CN111611640B CN202010434316.7A CN202010434316A CN111611640B CN 111611640 B CN111611640 B CN 111611640B CN 202010434316 A CN202010434316 A CN 202010434316A CN 111611640 B CN111611640 B CN 111611640B
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Abstract

本发明公开了一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水‑过流坝及设计方法，属于水利工程泵站技术领域。应用本发明可使出水渠道最大水位变幅超过5m和水泵机组开机前出水渠道内无水或水位较低的大流量泵站也能应用断流简单可靠、运行维护方便、水力性能优异的虹吸式出水流道。本发明的特征是：与采用虹吸式出水流道大型泵站配合应用的挡水‑过流坝由挡水面和过流面构成，具有挡水和过流两种功能；提供挡水‑过流坝坝顶高程计算公式和经过优化设计的纵剖面型线相对坐标；根据挡水‑过流坝顶高程与虹吸式出水流道出口断面底高程之差和挡水‑过流坝顶高程与出水渠道底高程之差，按所提供的相对坐标计算挡水‑过流坝纵剖面型线绝对坐标并绘制纵剖面型线。

Description

一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝及设计方法
技术领域
本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝及设计方法，可使不具备出水渠道水位条件的大流量泵站也能采用虹吸式出水流道。
背景技术
大流量泵站的出水流道有虹吸式、直管式、低驼峰式、斜式等多种型式，其中，虹吸式出水流道因具有断流方式简单可靠、运行维护方便和水力性能优异等突出优点，在大流量泵站中得到了十分广泛的应用。并不是所有大流量泵站都能应用虹吸式出水流道，因为虹吸式出水流道对出水渠道的水位有一定的要求。
虹吸式出水流道对出水渠道水位的要求如下：
(1)虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度不应超过7.5m；
(2)虹吸式出水流道出口断面上缘的最小淹没深度不应少于0.3m。
在以下两种情况下，不能采用虹吸式出水流道：
1.有些大流量泵站出水渠道水位的变幅较大，其最大水位变幅超过5m，很可能导致虹吸式出水流道驼峰断面顶部的最大真空度超过7.5m而使流道内产生汽蚀；这样的泵站就不满足所述第(1)个要求，因而不能采用虹吸式出水流道；
2.有些大型灌区的大流量泵站在水泵机组开机前出水渠道内没有水，水泵机组启动后虹吸式出水流道出口断面不能淹没在出水渠道水面以下，导致虹吸式出水流道内长时间不能形成满管流而无法完成水泵机组的启动过程；这样的泵站就不满足所述第(2)个要求，因而也不能采用虹吸式出水流道。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提出了一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝及设计方法，可以使不具备出水渠道水位条件的大流量泵站也能采用虹吸式出水流道。本发明的特征是：对于出水渠道最大水位变幅超过5m和水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝；所述挡水-过流坝是由挡水面和过流面构成的组合坝，具有挡水和过流两种功能；提供了所述挡水-过流坝坝顶高程的计算公式；分别提供了经过优化水力设计的挡水-过流坝挡水面和过流面的纵剖面型线相对坐标；借助于CFD数值模拟计算虹吸式出水流道水头损失；按所提供的公式计算所述挡水-过流坝的顶高程；根据挡水-过流坝坝顶高程与虹吸式出水流道出口断面底高程之差，按所提供的挡水-过流坝的挡水面型线相对坐标计算所述挡水面纵剖面型线的绝对坐标；根据所述挡水-过流坝坝顶高程与出水渠道底高程之差，按所提供的挡水-过流坝的过流面型线相对坐标计算所述过流面的纵剖面型线绝对坐标；根据所述挡水面和过流面绝对坐标计算结果绘制挡水-过流坝纵剖面的型线。本发明所提供的挡水-过流坝水头损失小、土建工程量小，便于大流量泵站都能应用具有突出优点的虹吸式出水流道。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：
一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝，其特征是，对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站以及对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，在虹吸式出水流道出口处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成。
针对采用虹吸式出水流道但对于出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站和采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站两种情况，分别采用不同的技术方案。
1.为实现本发明的目的，对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站采用如下技术方案：
(1)对于出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站采用虹吸式出水流道，为使虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度满足不大于7.5m的要求，在虹吸式出水流道出口处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算：
Figure BDA0002501658320000031
式中，
Figure BDA0002501658320000034
――挡水-过流坝顶部高程，m；
Figure BDA0002501658320000035
――泵站出水渠道最高水位，m；
Figure BDA0002501658320000036
――虹吸式出水流道驼峰断面的高度，m；
Figure BDA0002501658320000032
――最低水位时出水渠道断面的平均流速，m/s；
Figure BDA0002501658320000033
――虹吸式出水流道驼峰断面的平均流速，m/s；
△h流道下降段――虹吸式出水流道下降段的水头损失，m；
(2)为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表1，表1中的坐标是以△H1为基准值的相对坐标，△H1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表2，表2中的坐标是以ΔH2为基准值的相对坐标，ΔH2为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m；
表1挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表
Figure BDA0002501658320000041
表2挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表
Figure BDA0002501658320000042
(3)对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站，采用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流坝：
①对虹吸式出水流道进行CFD流场数值模拟，根据流场计算结果计算虹吸式出水流道下降段水头损失Δh流道下降段；
②按公式(1)计算所述挡水-过流坝的顶高程
Figure BDA0002501658320000043
③计算ΔH1和ΔH2；
④按表1和表2所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面型线的绝对坐标；
⑤根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。
2.为实现本发明的目的，对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用如下技术方案：
(1)对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，为使虹吸式出水流道出口断面的最低淹没深度满足要求，在虹吸式出水流道出口与出水渠道之间设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算：
Figure BDA0002501658320000051
式中，
Figure BDA0002501658320000052
——泵站出水渠道最低水位，m；
(2)为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表3，表3中的坐标是以ΔH1为基准值的相对坐标，ΔH1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表4，表4中的坐标是以ΔH2为基准值的相对坐标，ΔH2为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m；
表3挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表
Figure BDA0002501658320000053
表4挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表
Figure BDA0002501658320000061
(3)对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流坝：
①按公式(2)计算所述挡水-过流坝的顶高程
Figure BDA0002501658320000062
②计算ΔH1和ΔH2；
③按表3和表4所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面型线的绝对坐标；
④根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。
与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：
第一，所提供的挡水-过流坝可使出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站可以采用虹吸式出水流道，使其驼峰断面顶部的最大真空度满足不超过7.5m的要求。
第二，所提供的挡水-过流坝可使水泵机组开机前出水渠道内没有水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站也能采用虹吸式出水流道，使其出口断面上缘的最小淹没深度满足不少于0.3m的要求。
第三，所提供的挡水-过流坝水头损失小、土建工程量小，便于大流量泵站都能应用具有突出优点的虹吸式出水流道。
附图说明
图1是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的立面布置示意图；
图2a是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝挡水面纵剖面的型线坐标图；
图2b是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝过流面纵剖面的型线坐标图；
图3是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的立面布置示意图；
图4a是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝挡水面纵剖面的型线坐标图；
图4b是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝过流面纵剖面的型线坐标图；
图中：1出水渠道，2虹吸式出水流道，3驼峰断面，4虹吸式出水流道下降段，5挡水-过流坝，6挡水-过流坝挡水面，7挡水-过流坝过流面。
具体实施方式
实施例1
大流量泵站A的设计流量为120m3/s，装机4台，单泵设计流量30m3/s，出水渠道1的最高水位
Figure BDA0002501658320000071
和最低水位
Figure BDA0002501658320000072
分别为16.89m和11.3m，出水渠道1的底高程
Figure BDA0002501658320000073
为8.4m。考虑到虹吸式出水流道具有断流方便可靠、水力性能好等突出优点，该站采用了虹吸式出水流道2。该虹吸式出水流道2的相关参数包括：驼峰断面3的高度H驼峰断面和宽度B驼峰断面分别为2.3m和6.4m，驼峰断面3顶高程为
Figure BDA0002501658320000074
19.39m，虹吸式出水流道2出口断面的高度和宽度分别为3.5m和7.5m，虹吸式出水流道2出口断面顶高程和底高程分别为10.4m和6.9m。因泵站A出水渠道1水位的变幅较大，为保证虹吸式出水流道2内的最大真空度满足要求，泵站A拟设置与虹吸式出水流道2配合应用的挡水-过流坝5。
采用本发明设计与大流量泵站A虹吸式出水流道2配合应用的挡水-过流坝5的步骤如下：
1.对虹吸式出水流道2进行CFD流场数值模拟，根据流场计算结果计算虹吸式出水流道下降段4的水头损失为0.122m；
2.泵站A出水渠道1的最高水位
Figure BDA0002501658320000082
和最低水位
Figure BDA0002501658320000083
分别为16.89m和11.3m，出水渠道1的最高水位
Figure BDA0002501658320000084
与最低水位
Figure BDA0002501658320000085
之差为5.59m，最大水位变幅超过5m，经计算，虹吸式出水流道2的驼峰断面3的顶部最大真空度为8.136m>7.5m，不满足要求；
3.为使虹吸式出水流道2的驼峰断面3的顶部最大真空度满足不大于7.5m的要求，在泵站A虹吸式出水流道2出口设置挡水-过流坝5，挡水-过流坝5由挡水-过流坝挡水面6和挡水-过流坝过流面7组成，如图1所示；
4.根据公式(1)计算挡水-过流坝5的坝顶高程
Figure BDA0002501658320000086
Figure BDA0002501658320000081
5.挡水-过流坝5的坝顶与原点O1之间的高差为
△H1＝12.24－6.9＝5.34(m)；
挡水-过流坝5的坝顶与原点O2之间的高差为
△H2＝12.24－8.4＝3.84(m)；
6.根据计算所得ΔH1和表1所列的挡水-过流坝挡水面6纵剖面型线的相对坐标计算泵站A所述挡水-过流坝挡水面6纵剖面型线的绝对坐标，列于表5：
表5实施例1挡水-过流坝挡水面6纵剖面型线绝对坐标表
Figure BDA0002501658320000091
根据计算所得ΔH2和表2所列的挡水-过流坝过流面7纵剖面型线的相对坐标计算泵站A所述挡水-过流坝过流面7纵剖面型线的绝对坐标，列于表6；
表6实施例1挡水-过流坝过流面7纵剖面型线绝对坐标表
Figure BDA0002501658320000092
7.根据第6步骤计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制泵站A所述挡水-过流坝挡水面6和挡水-过流坝过流面7纵剖面的型线，如图2a和图2b所示。
实施例2
某大型灌区大流量泵站B的设计流量为80m3/s，装机4台，单泵设计流量20m3/s，根据灌溉需要，出水渠道1的最高水位
Figure BDA0002501658320000093
和最低水位
Figure BDA0002501658320000094
分别为34.9m和30.85m，出水渠道1底高程
Figure BDA0002501658320000095
为28.3m。考虑到虹吸式出水流道具有断流方便可靠、水力性能好等突出优点，该站采用了虹吸式出水流道2。该虹吸式出水流道2的相关参数包括：驼峰断面3的高度H驼峰断面和宽度B驼峰断面分别为1.95m和5.1m，驼峰断面3顶高程
Figure BDA0002501658320000102
为37.05m，虹吸式出水流道2出口断面的高度和宽度分别为3.1m和6.2m，虹吸式出水流道2出口断面顶高程和底高程分别为30.45m和27.35m。因泵站B在水泵机组开机运行前出水渠道1内无水，为保证水泵机组顺利完成启动过程并使虹吸式出水流道2出口断面的上缘满足最小淹没深度的要求，泵站B拟设置与虹吸式出水流道2配合应用的挡水-过流坝5。
采用本发明设计与大流量泵站B虹吸式出水流道2配合应用的挡水-过流坝5的步骤如下：
1.为保证水泵机组顺利完成启动过程并使虹吸式出水流道2出口断面的上缘满足最小淹没深度的要求，在泵站B虹吸式出水流道2和出水渠道1之间设置挡水-过流坝5，挡水-过流坝5由挡水-过流坝挡水面6和挡水-过流坝过流面7组成，如图3所示；
2.根据公式(2)计算挡水-过流坝5的坝顶高程
Figure BDA0002501658320000103
Figure BDA0002501658320000104
3.挡水-过流坝5的坝顶与原点O1之间的高差为
△H1＝30.85－27.35＝3.5(m)；
挡水-过流坝5的坝顶与原点O2之间的高差为
△H2＝30.85－28.3＝2.55(m)；
4.根据计算所得△H1和表3所列的挡水-过流坝挡水面6纵剖面型线的相对坐标计算泵站B所述挡水-过流坝挡水面6纵剖面型线的绝对坐标，列于表7；
表7实施例2挡水-过流坝挡水面6纵剖面型线绝对坐标表
Figure BDA0002501658320000101
Figure BDA0002501658320000111
根据计算所得ΔH2和表4所列的挡水-过流坝过流面7纵剖面型线的相对坐标计算泵站B所述挡水-过流坝过流面7纵剖面型线的绝对坐标，列于表8；
表8实施例2挡水-过流坝过流面7纵剖面型线绝对坐标表
Figure BDA0002501658320000112
5.根据第4步骤计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制泵站B所述挡水-过流坝挡水面6和挡水-过流坝过流面7纵剖面的型线型线，如图4a和图4b所示。

Claims (3)

1.一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝，其特征是，对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站以及对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，在虹吸式出水流道出口处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成；
对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站，为使虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度满足不大于7.5m的要求，在虹吸式出水流道出口处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算：
Figure FDA0002829364870000011
式中，
Figure FDA0002829364870000012
――挡水-过流坝顶部高程，m；
Figure FDA0002829364870000013
――泵站出水渠道最高水位，m；
H驼峰断面――虹吸式出水流道驼峰断面的高度，m；
Figure FDA0002829364870000014
――最低水位时出水渠道断面的平均流速，m/s；
Figure FDA0002829364870000015
――虹吸式出水流道驼峰断面的平均流速，m/s；
△h流道下降段――虹吸式出水流道下降段的水头损失，m；
为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表1，表1中的坐标是以△H1为基准值的相对坐标，△H1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表2，表2中的坐标是以△H2为基准值的相对坐标，△H2为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m；
表1挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表
Figure FDA0002829364870000021
表2挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表
Figure FDA0002829364870000022
对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，为使虹吸式出水流道出口断面的最低淹没深度满足要求，在虹吸式出水流道出口与出水渠道之间设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算：
Figure FDA0002829364870000023
式中，
Figure FDA0002829364870000024
――泵站出水渠道最低水位，m；
为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表3，表3中的坐标是以△H1为基准值的相对坐标，△H1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表4，表4中的坐标是以△H2为基准值的相对坐标，△H2为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m；
表3挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表
Figure FDA0002829364870000031
表4挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表
Figure FDA0002829364870000032
2.根据权利要求1所述的一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的设计方法，其特征是，对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站，采用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流坝：
①对虹吸式出水流道进行CFD流场数值模拟，根据流场计算结果计算虹吸式出水流道下降段水头损失△h流道下降段；
②按公式(1)计算所述挡水-过流坝的顶高程
Figure FDA0002829364870000033
③计算△H1和△H2；
④按表1和表2所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面型线的绝对坐标；
⑤根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。
3.根据权利要求1所述的一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的设计方法，其特征是，对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流坝：
①按公式(2)计算所述挡水-过流坝的顶高程
Figure FDA0002829364870000041
②计算△H1和△H2；
③按表3和表4所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面型线的绝对坐标；
④根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。
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