CN112982328A - 一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构，属于水利水电领域，包括弧形闸门、边墙、底板、通风井、突扩突跌止水机构和侧墙掺气机构；边墙位于底板两侧，边墙和底板间形成水流通道，弧形闸门安装在水流通道上，通风井位于弧形闸门下游且连通下游泄洪后水流顶部的空腔区域，突扩突跌止水机构位于弧形闸门上游，侧墙掺气机构位于通风井下游的两侧边墙上。本发明提供的侧墙掺气结构，在不扩宽原泄洪洞宽度的条件下，通过在通风井下游的两侧边墙上设置多级呈先向内收缩后侧扩的侧墙，水流通过闸门冲击边墙后，经过多级侧墙，水流充分掺气，侧墙水流不再出现清水区，边墙不再出现空蚀破坏。

Description

一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构

技术领域

本发明涉及水利水电领域，尤其涉及一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构。

背景技术

全球自20世纪50年代开始，在高压弧形闸门方面，陆续使用偏心绞弧形工作闸门，并采用突扩迭坎式通气减蚀，如龙羊峡、小浪底、美国德沃歇克、日本二濑等工程。这种弧形闸门将闸门止水与通气孔设施有机结合起来，通过弧形突扩结构形成的侧空腔和迭坎形成的底空腔向水流掺气，防止下游边墙发生空蚀破坏，其布置一般如图4和5所示。

在实际水利枢纽运行过程中，仍然发现有空蚀破坏的现象。以某工程为例，自投产运行以来，泄洪放空洞内已发生多次冲蚀破坏，如图6和7所示，泄洪放空洞内边墙开始发生空蚀破坏的位置距离弧形闸门出口底板位置的水平距离约3m，之后破坏逐渐发展至底板处，破坏较为严重。泄洪放空洞闸门局开时，侧空腔长度很小，掺气效果较差，水流中出现较大区域的清水区；闸门全开时，其侧空腔长度虽略有增加，但是其掺气效果仍旧不理想，水流中清水区仍然很大，如图8-11所示。较大的未掺气清水区使得边墙容易产生空蚀破坏。

针对上述问题，申请号为CN202010686563.6的中国专利，公开了一种侧墙冲击反弹低压区突扩突跌的弧形闸门掺气结构，包括弧形闸门、边墙、底板、通气孔、一次突扩突跌止水结构和二次突扩突跌掺气结构；弧形闸门横置在边墙上，底板位于边墙底端，通气孔位于弧形闸门下游且连通下游泄洪后水流顶部的空腔区域，一次突扩突跌止水结构位于弧形闸门上游，二次突扩突跌掺气结构位于通气孔下游水流冲击区与低压区的交界处，如图12所示。

上述专利提供的弧形闸门掺气结构，边墙在低压区二次突扩，形成一个较长的侧掺气空腔，使原来低压区的水流不再贴着边墙，空化空蚀破坏的起点位于低压区，当水流不再贴着边墙时，即使水流发生空化，边墙也不会发生空蚀破坏。

上述专利中，二次突扩突跌处，突扩的尺寸要求0.5-1m，否则将达不到有效的掺气效果。这一技术对于新建工程非常适用，但是对于已建工程，由于受到闸室结构的影响，无法在冲击区与低压区的交界处突扩0.5-1m，因此，上述发明的方案在很多已建工程中将无法实施。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构，在不扩宽原泄洪洞宽度的条件下，通过多级相邻的侧墙解决突扩突跌弧形闸门后边墙清水区发生空蚀破坏的问题。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构，包括弧形闸门、边墙、底板、通风井、突扩突跌止水机构和侧墙掺气机构；

所述边墙位于所述底板两侧，边墙和底板间形成水流通道，所述弧形闸门安装在所述水流通道上，所述通风井位于所述弧形闸门下游且连通下游泄洪后水流顶部的空腔区域，所述突扩突跌止水机构位于所述弧形闸门上游，所述侧墙掺气机构位于所述通风井下游的两侧边墙上。

根据试验研究结果，传统突扩突跌弧形闸门结构的弊端在于侧空腔掺气不足。通过突扩突跌弧形闸门的水流侧向扩散冲击边墙，过接触点后，近壁区水流呈反射状态。冲击区形成高压冲击，之后压力急速下降，压力梯度较大，会导致冲击区后空蚀破坏，如图13所示。由于侧空腔较短，掺气量不足，往往使得低压区水流为清水，掺气浓度达不到减蚀临界值，导致边墙易发生空蚀破坏。本申请通过在通风井下游的两侧边墙上设置有侧墙掺气机构，解决了此缺陷。

进一步的是，所述侧墙掺气机构包括多级相邻的侧墙，所述侧墙沿水流方向呈先向内收缩后侧扩结构。水流通过闸门冲击边墙后，在第一级侧墙的作用下，水流方向调整，并与第一级侧墙平行，在第一级侧墙末端形成一个很小的侧空腔，为水流掺气。经过第一级侧墙后，水流会自然扩散并接触第二级侧墙，然后在第二级侧墙末端再次形成侧空腔，依次类推，经过多级侧墙后，水流充分掺气，侧墙水流不再出现清水区，边墙不再出现空蚀破坏。

进一步的是，所述弧形闸门底端处的底板向下突跌，所述突跌处与所述侧墙掺气机构间的距离为2-3m，此位置是边墙突扩水流冲击区后半段。

进一步的是，所述侧墙的长度为2-5m，侧扩的宽度为15-25cm。

进一步的是，每级侧墙末端下游的墙上均竖直设置有若干进气孔进行补气，防止侧空腔可能被水花、水雾所遮蔽。

进一步的是，所述进气孔的直径为0.1-0.8m，竖直间距为0.5-2.0m。

进一步的是，所述侧墙上方设置有折流器，以降低水翅高度。

进一步的是，所述突扩突跌止水机构包括弧形闸门上游的止水突扩以及底端的止水跌坎。

进一步的是，所述止水突扩位于弧形闸门上游向外突扩的左右两边墙起点，止水突扩的下游端面为与所述弧形闸门适配的弧形面，所述弧形面向边墙内延伸且与所述边墙连接，形成所述止水突扩。止水突扩的作用是当闸门的挡水水头很大时，可以采用偏心绞弧形闸门，增加闸门的止水能力，并且可以使水流出闸门后，侧面形成掺气空腔，对水流进行侧掺气。

进一步的是，所述止水跌坎横置于两边墙底端且与所述弧形闸门底端衔接，以便于在弧形闸门关闭时更好地止水。

本发明的有益效果：

本发明提供的侧墙掺气结构，在不扩宽原泄洪洞宽度的条件下，通过在通风井下游的两侧边墙上设置多级呈先向内收缩后侧扩的侧墙，水流通过闸门冲击边墙后，在第一级侧墙的作用下，水流方向调整，并在第一级侧墙末端形成一个很小的侧空腔为水流掺气；经过第一级侧墙后，水流会自然扩散并接触第二级侧墙，然后在第二级侧墙末端再次形成侧空腔，依次类推，经过多级侧墙后，水流充分掺气，侧墙水流不再出现清水区，边墙不再出现空蚀破坏。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明设置有折流器的示意图；

图4为现有技术中采用的突扩突跌弧形闸门掺气结构侧视图；

图5为现有技术中采用的突扩突跌弧形闸门掺气结构俯视图；

图6-7为某工程放空洞内弧形闸门后侧墙空蚀破坏情况照片；

图8-9为某模型试验的侧空腔形态照片；

图10-11为某模型试验的清水区照片；

图12为申请号为CN202010686563.6专利的弧形闸门掺气结构示意图；

图13为传统突扩突跌弧形闸门结构水流流态示意图；

图14为某模型采用本发明试验结果照片；

图中：1、弧形闸门；2、边墙；3、底板；4、通风井；5、侧墙；6、进气孔；7、止水突扩；8、止水跌坎；9、折流器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构，如图1-3所示，包括弧形闸门1、边墙2、底板3、通风井4、突扩突跌止水机构和侧墙掺气机构；

边墙2位于底板3两侧，边墙2和底板3间形成水流通道，弧形闸门1安装在水流通道上，通风井4位于弧形闸门1下游且连通下游泄洪后水流顶部的空腔区域，突扩突跌止水机构位于弧形闸门1上游，侧墙掺气机构位于通风井4下游的两侧边墙2上。

具体的，突扩突跌止水机构包括弧形闸门1上游的止水突扩7以及底端的止水跌坎8。止水突扩7位于弧形闸门1上游向外突扩的左右两边墙2起点，止水突扩7的下游端面为与弧形闸门1适配的弧形面，弧形面向边墙2内延伸且与边墙2连接，形成止水突扩7。止水跌坎8横置于两边墙2底端且与弧形闸门1底端衔接。突扩突跌止水机构使水流出闸门后，在其侧面形成掺气空腔，对水流进行侧掺气，同时满足止水要求。

侧墙掺气机构包括三级相邻的侧墙5，侧墙5沿水流方向呈先向内收缩后侧扩结构，该种结构存在多种形状，比如直角三角形、锐角三角形等形状，本实施例侧墙5呈直角三角形，其一直角边紧贴边墙2，另一直角边垂直边墙2，斜边向内斜向下游。

根据某工程实际破坏情况，边墙开始发生空蚀破坏的位置距离闸门底板突跌处大约3m，因此将第一级侧墙5起始位置设置在距离闸门底板突跌处2m处，第一级侧墙5长度3m，末端侧扩18cm，第二级侧墙5长度3m，末端侧扩18cm，第三级侧墙5长度3m，末端侧扩18cm。

每级侧墙5末端下游的墙上均竖直设置有若干进气孔6用于补气，防止侧墙5末端下游的侧空腔被水花、水雾所遮蔽，进气孔6的直径为0.5m，竖直间距为1m。同时，侧墙会增加水翅高度，因此在侧墙5上方设置有折流器9，以降低水翅高度。

某模型实验中，水流经弧形闸门1流出经过侧墙掺气机构，低压区水流在第一级侧墙5末端下游形成侧空腔，水流扩散后接触第二级侧墙5，在第二级侧墙5末端再次形成侧空腔，水流扩散后接触第三级侧墙5，在第三级侧墙5末端再次形成侧空腔。经过三级侧墙5后，侧墙5水流已经没有清水区，多级侧墙5的掺气效果很好，原低压清水区很快消失，再次附壁时水流已大量掺气。实验结果如图14所示，因此新的掺气结构能够保护壁面，不再发生空蚀破坏。

对比例1

对比例1为申请人于2020年申请的专利号为CN202010686563.6，名称为“一种侧墙冲击反弹低压区突扩突跌的弧形闸门掺气结构”的中国专利。对比例1是侧墙不收缩直接突扩突跌，本发明是先收缩后再扩，现详细说明两者的差异：

对比例1中，由于其侧墙在低压区已经突扩了，此处水流空化数虽然较低，但由于水流不接触边墙，此处为侧空腔，因此其边墙不存在空化问题，而且由于其侧扩宽度较大，一般为0.5-1.0m，因此当水流再次接触边墙时，已经经过较长的侧空腔掺气，侧墙不再有清水区，因此后面的边墙也不会空化。

而对于本发明，由于侧墙在冲击区后半段开始收缩，因此在冲击区后的低压区，水流贴着第一级侧墙，而此时贴着壁面的水流还没有充分掺气，因此第一级侧墙有空蚀破坏风险。经过第一级侧墙后，形成一个较短的掺气空腔，其长度约为1.5-2m，但水流经过扩散后冲击到第二级侧墙后半段，此时由于侧空腔的掺气效果有限，贴壁水流仍可能存在清水区，因此第二级侧墙后半段仍存在空蚀破坏的风险。如图14所示，第一级侧墙和第二级侧墙均存在比较明显的清水区。在本实施例中，第三级侧墙及其后的侧墙均无清水区，已经得到较好的掺气保护。

本发明要可行，仍需解决存在清水区的侧墙空化问题。在不能通过掺气来保护的情况下，只有通过提高水流空化数来解决这一问题，有两种方式可以提高水流空化数，一是降低水流速度，另一种是提高过流壁面的压力。由于降低水流速度在此不可行，因此只有通过提高过流壁面的压力这一种方法。侧墙收缩可以利用水流对侧墙的冲击来提高压力，但若侧墙收缩过大，一是会减小过流断面使得不满足过流需求，二是可能导致后面的侧空腔过大，底部水流从侧空腔上窜，从而将贴壁掺气水流带走，使侧空腔后侧墙再次出现清水区。侧墙收缩也不能过长，过长会导致水流已经调整顺了以后，对侧墙的冲击作用消失，从而在收缩侧墙的后半段达不到增大压力的效果，而此时侧墙为清水区，面临空化风险。

通过研究，侧墙收缩段长度2-5m，收缩15-25cm，可以有效的提高收缩段侧墙的压力，从而提高水流空化数，并且在收缩末端形成有效的侧掺气空腔，能对水流进行侧向掺气。通过连续多个这样的小收缩后突扩后，整个侧墙得到有效的掺气保护，并且收缩段的空化数也明显增大，可以避免发生空蚀破坏。

对比例2

对比例2为常规体型侧墙空化数，如表1所示：

表1常规体型侧墙空化数

本发明的侧墙空化数如表2所示：

表2本发明的侧墙空化数

从表1和表2可以看出，本发明的侧墙空化数全部大于0.2，这是工程中常用的防空蚀破坏的下限，而常规体型侧墙很多地方均小于0.2，图14为其模型中的掺气效果，可以看到通过采用多级侧墙后，水流充分掺气，因此此方案的侧墙清水区因水流空化数较大，不存在空化风险，多级侧墙之后侧墙无清水区，也不存在空化风险。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种突扩突跌弧形闸门后侧墙掺气结构，其特征在于，包括弧形闸门(1)、边墙(2)、底板(3)、通风井(4)、突扩突跌止水机构和侧墙掺气机构；

所述边墙(2)位于所述底板(3)两侧，边墙(2)和底板(3)间形成水流通道，所述弧形闸门(1)安装在所述水流通道上，所述通风井(4)位于所述弧形闸门(1)下游且连通下游泄洪后水流顶部的空腔区域，所述突扩突跌止水机构位于所述弧形闸门(1)上游，所述侧墙掺气机构位于所述通风井(4)下游的两侧边墙(2)上。

2.如权利要求1所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述侧墙掺气机构包括多级相邻的侧墙(5)，所述侧墙(5)沿水流方向呈先向内收缩后侧扩结构。

3.如权利要求2所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述弧形闸门(1)底端处的底板(3)向下突跌，所述突跌处与所述侧墙掺气机构间的距离为2-3m。

4.如权利要求2所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述侧墙(5)的长度为2-5m，侧扩的宽度为15-25cm。

5.如权利要求2所述的侧墙掺气结构，其特征在于，每级侧墙(5)末端下游的墙上均竖直设置有若干进气孔(6)。

6.如权利要求5所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述进气孔(6)的直径为0.1-0.8m，竖直间距为0.5-2.0m。

7.如权利要求2所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述侧墙(5)上方设置有折流器(9)。

8.如权利要求1所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述突扩突跌止水机构包括弧形闸门(1)上游的止水突扩(7)以及底端的止水跌坎(8)。

9.如权利要求8所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述止水突扩(7)位于弧形闸门(1)上游向外突扩的左右两边墙(2)起点，止水突扩(7)的下游端面为与所述弧形闸门(1)适配的弧形面，所述弧形面向边墙(2)内延伸且与所述边墙(2)连接，形成所述止水突扩(7)。

10.如权利要求8所述的侧墙掺气结构，其特征在于，所述止水跌坎(8)横置于两边墙(2)底端且与所述弧形闸门(1)底端衔接。

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