CN114438977B - 一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞 - Google Patents

Abstract

一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，包括闸室进口、上平段、涡室、收缩段以及竖井直段，所述涡室靠近上平段沿水流方向末端一侧的内侧壁上设置有导流挑坎，所述导流挑坎包括竖直面以及与所述竖直面相交的导流弧面，旋流竖井泄洪洞还包括来流掺气坎以及旋流掺气坎；所述来流掺气坎由上平段靠近导流挑坎的一侧竖直壁面沿水流方向的末端至所述导流挑坎的竖直面突扩形成，所述旋流掺气坎由所述导流挑坎的导流弧面沿水流方向的末端通过所述竖直面至涡室内侧壁突扩形成。本申请具有提高涡室以及竖井直段内侧壁面抗空化空蚀能力的效果。

Description

一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞

技术领域

本发明涉及水利水电工程中泄洪消能的领域，具体是一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞。

背景技术

旋流竖井泄洪洞是一种利用水流旋转并掺入大量气体从而使水流紊动强度加大而自身消能的消能工，由于旋流竖井泄洪洞布置灵活、对地形条件适应较强以及消能效果较好，越来越受到水利水电工程界的关注；尤其是随着当前我国正处于水电建设事业的井喷式发展阶段，许多高水头、大流量、深峡谷的高坝大库正在建设或者处于规划阶段，在常规泄水建筑物无法良好地实现泄洪消能的情况下，旋流竖井作为一种新兴发展的泄洪消能建筑物不失为一种良好的选择。

旋流竖井泄洪洞包括依次连接的闸室进口、上平段、涡室、收缩段以及竖井直段，通常地，人们会在涡室的进口处设置挑坎，如图4、图5以及图6所示，挑坎用以引导水流顺利进入涡室且稳定起旋，涡室内旋转水体中间形成中心空腔，可大大减少从涡室回旋回来的旋流与来流发生碰撞进而导致来流倒流回上平段的回流现象；在公告号为CN104652377B的中国专利文献中公开了一种用于旋流竖井涡室内的弧面渐变式导流挑坎，该导流挑坎由一个沿涡室壁面延伸凸起的直角三角形竖直面和一个与该直角三角形竖直面的斜边相交的导流弧面构成，以形成一个上大下小、一面为弧面的三角形锥体，且导流弧面起始处与涡室壁面的相交处为光滑曲面，该导流挑坎能够减少涡室水流直接跌落进而发生呛水的情况。

针对上述相关技术，申请人认为相关技术在实际应用中由于经常需要增大竖井的高度，竖井壁面的空化空蚀风险也随之增高，部分流速较大的竖井需要在竖井内单独设置掺气设施以提高涡室以及竖井壁面的抗空蚀空化能力，而修建单独的掺气设施将增加工程成本，且单独的掺气设施的结构通常较为复杂，而这也会增加工程施工的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，以达到提高涡室以及竖井壁面抗空化空蚀的能力的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，包括闸室进口、上平段、涡室、收缩段以及竖井直段，所述涡室靠近上平段沿水流方向末端一侧的内侧壁上设置有导流挑坎，所述导流挑坎包括竖直面以及与所述竖直面相交的导流弧面，旋流竖井泄洪洞还包括来流掺气坎以及旋流掺气坎；所述来流掺气坎由上平段靠近导流挑坎的一侧竖直壁面沿水流方向的末端至所述导流挑坎的竖直面突扩形成，所述旋流掺气坎由所述导流挑坎的导流弧面沿水流方向的末端通过所述竖直面至涡室内侧壁突扩形成。

可选的，所述导流挑坎顶部的高程高于或等于上平段的竖直壁面顶部的高程，所述导流挑坎底部的高程低于上平段沿水流方向的末端底板的高程。

可选的，所述竖直面与涡室内侧壁的相交线至所述来流掺气坎沿水流方向末端之间的涡室侧壁弧长为0.4R～0.7R，R为涡室半径。

本发明的有益效果是：

1、从上平段而来的来流水体流经来流掺气坎时能够通过竖向的掺气空腔源源不断地席卷空气到来流水体中，经导流挑坎引导后的旋流水体也能够通过竖向掺气空腔源源不断地席卷空气到旋流水体中，且来流水体以及旋流水体交汇时产生的撞击水花也能够卷入掺气空腔中大量的空气到水体中，显著提高了水体的掺气浓度，有利于实现水体的良好掺气，弥补了常规旋流竖井泄洪洞只依靠中心涡腔一侧自然掺气而可能导致的涡室以及竖井壁面含气量达不到掺气保护效果的不足，提高了涡室以及竖井直段内侧壁面抗空化空蚀的能力；

2、旋流竖井泄洪洞中通过上平段的竖直壁面、涡室内侧壁面以及导流挑坎巧妙地形成了来流掺气坎以及旋流掺气坎，此时来流掺气坎、旋流掺气坎、旋流水体以及来流水体之间合围形成了一个面积较大的掺气空腔，并未另外单独设置掺气设施，有利于减小整体工程的施工成本以及施工难度；旋流竖井泄洪洞中通过上平段的竖直壁面、涡室内侧壁面以及导流挑坎巧妙地形成了来流掺气坎，将原本常规旋流竖井泄洪洞中上平段与导流挑坎的衔接部位需要完全齐平结构转化成突扩错台衔接结构形式，回避了上平段与导流挑坎的平顺衔接问题，从而降低了导流挑坎的施工难度；

3、来流以及旋流交汇的撞击点距离来流掺气坎以及旋流掺气坎较远，减少来流水体以及旋流水体撞击产生的水花对来流掺气坎以及旋流掺气坎造成的冲击破坏，有利于来流掺气坎以及旋流掺气坎结构的稳定。

附图说明

图1为本申请的实施例1的正视图；

图2为本申请的实施例1的俯视图；

图3为本申请的实施例1的流态示意图；

图4为常规旋流竖井泄洪洞的正视图；

图5为常规旋流竖井泄洪洞的俯视图；

图6为常规旋流竖井泄洪洞的流态示意图；

图中：1、闸室进口；2、上平段；3、涡室；4、收缩段；5、竖井直段；6、导流挑坎；61、竖直面；62、导流弧面；7、来流掺气坎；8、旋流掺气坎；9、掺气空腔；10、中心空腔。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，参照图1、图2，包括依次连接设置的闸室进口1、上平段2、涡室3、收缩段4以及竖井直段5，涡室3靠近上平段2一侧的内侧壁上设置有导流挑坎6，导流挑坎6包括竖直面61以及与竖直面61相交的导流弧面62，结合图3，旋流竖井泄洪洞还包括来流掺气坎7以及旋流掺气坎8；来流掺气坎7由上平段2靠近导流挑坎6的一侧竖直壁面沿来流水体流动方向的末端至导流挑坎6的竖直面61突扩形成，旋流掺气坎8由导流挑坎6的导流弧面62沿旋流水体流动方向的末端并通过竖直面61至涡室3靠近来流掺气坎7一侧的内侧壁突扩形成，且来流掺气坎7、旋流掺气坎8、旋流水体以及来流水体合围形成了一个掺气空腔9；上平段2内的来流水体流经来流掺气坎7时能够通过竖向的掺气空腔9源源不断地席卷空气到来流水体中，经过导流挑坎6引导后的旋流水体也能够通过竖向掺气空腔9源源不断地席卷空气到旋流水体中，且来流水体以及旋流水体交汇时产生的撞击水花也能够将掺气空腔9中大量的空气卷入到水体中，另外，涡室3内的旋转水体还可通过中心空腔10实现掺气，显著提高了水体的掺气浓度，提高了涡室3以及竖井直段5内侧壁面抗空化空蚀的能力。

作为一种优选的实施方式，参照图2、图3，将常规旋流竖井泄洪洞中的导流挑坎6以涡室3的中心为圆心沿涡室3的内侧壁顺时针旋转一个锐角，使得导流挑坎6的竖直面61与上平段2靠近导流挑坎6的一侧竖直壁面不在同一个竖直平面上，且导流挑坎6的竖直面61与上平段2靠近导流挑坎6的一侧竖直壁面的延长面相交形成一个锐角，使得上平段2靠近导流挑坎6的一侧竖直壁面至导流挑坎6的竖直面61突扩形成来流掺气坎7，同时使得导流挑坎6通过导流挑坎6的竖直面61至涡室3靠近来流掺气坎7一侧的内侧壁突扩形成旋流掺气坎8，此时来流掺气坎7、旋流掺气坎8、旋流水体以及来流水体合围形成了掺气空腔9；本实施例并未单独设置其他掺气设施，减小了施工成本，且回避了导流挑坎6需要与上平段2竖直壁面相平齐的施工技术要求，大大降低了导流挑坎6的施工难度；另外，来流水体以及旋流水体交汇的撞击点距离来流掺气坎7以及旋流掺气坎8较远，减小了来流水体以及旋流水体撞击产生的水花对来流掺气坎7以及旋流掺气坎8造成的冲击破坏，有利于来流掺气坎7以及旋流掺气坎8结构的稳定。

参照图1，导流挑坎6顶部的高程高于或等于上平段2的竖直壁面顶部的高程，导流挑坎6底部的高程低于上平段2沿来流水体流动方向的末端底板的高程，本实施例中，导流挑坎6顶部的高程高于上平段2的竖直壁面顶部的高程；涡室3内的旋流水体在导流挑坎6的引导下螺旋下降，当旋流水体下降到上平段2末端的下方时，旋流水体还可以继续通过竖向掺气空腔9进行掺气，便于进一步提高涡室3内部的水体整体掺气效果，有利于提高涡室3以及竖井直段5抗空化空蚀的能力。

参照图2、图3，竖直面61与涡室3内侧壁的相交线至上平段2靠近导流挑坎6一侧的竖直壁面沿来流水体流动方向末端之间的涡室3侧壁弧长为0.4R～0.7R，其中R为涡室3的半径；相对应的，在将常规旋流竖井泄洪洞中的导流挑坎6以涡室3的中心为圆心沿涡室3的内侧壁顺时针旋转一个锐角时，锐角的选择范围可为10°～40°。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，在修筑导流挑坎6时，保持导流挑坎6的整体位置不动，减小实施例1中的导流挑坎6的体积，具体实施方式为：将导流挑坎6的竖直面61朝远离上平段2的方向平移，导流挑坎6的导流弧面62的位置保持不动，且导流挑坎6的竖直面61平移方向与上平段2中来流水体流动方向相垂直，导流挑坎6的竖直面61与上平段2的竖直壁面相互平行，且此时竖直面61与涡室3内侧壁的相交线至来流掺气坎7沿来流水体流动方向末端之间的涡室3侧壁弧长为0.4R～0.7R，其中R为涡室3的半径；即可使得上平段2靠近导流挑坎6的一侧竖直壁面沿来流水体流动方向的末端至导流挑坎6的竖直面61突扩形成来流掺气坎7，同时使得导流挑坎6通过导流挑坎6的竖直面61至涡室3靠近来流掺气坎7一侧的内侧壁突扩形成旋流掺气坎8，此时来流掺气坎7、旋流掺气坎8、旋流水体以及来流水体合围形成了掺气空腔9，使得来流水体以及旋流水体均可通过竖向的掺气空腔9进行掺气，提高了水体的掺气浓度，本实施例提高了涡室3以及竖井直段5抗空化空蚀能力的同时，回避了导流挑坎6需要与上平段2竖直壁面相平齐的施工技术要求，大大降低了导流挑坎6的施工难度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，包括闸室进口(1)、上平段(2)、涡室(3)、收缩段(4)以及竖井直段(5)，所述涡室(3)靠近上平段(2)沿水流方向末端一侧的内侧壁上设置有导流挑坎(6)，所述导流挑坎(6)包括竖直面(61)以及与所述竖直面(61)相交的导流弧面(62)，其特征在于：还包括来流掺气坎(7)以及旋流掺气坎(8)；所述来流掺气坎(7)由上平段(2)靠近导流挑坎(6)的一侧竖直壁面沿水流方向的末端至所述导流挑坎(6)的竖直面(61)突扩形成，所述旋流掺气坎(8)由所述导流挑坎(6)的导流弧面(62)沿水流方向的末端通过所述竖直面(61)至涡室(3)内侧壁突扩形成，所述来流掺气坎(7)、旋流掺气坎(8)、旋流水体以及来流水体合围形成掺气空腔(9)。

2.根据权利要求1所述的具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，其特征在于：所述导流挑坎(6)顶部的高程高于或等于上平段(2)的竖直壁面顶部的高程，所述导流挑坎(6)底部的高程低于上平段(2)沿水流方向的末端底板的高程。

3.根据权利要求1所述的具有错台式涡室小挑坎的旋流竖井泄洪洞，其特征在于：所述竖直面(61)与涡室(3)内侧壁的相交线至所述来流掺气坎(7)沿水流方向末端之间的涡室(3)侧壁弧长为0.4R～0.7R，R为涡室(3)半径。