CN201502050U - 一种品字型均流防涡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种品字型均流防涡装置，用于导流、均流和消除两垂直交汇水流所产生的涡流。包括：连接井、主干进、出水口组成主干进水口为上游、主干出水口为下游的主干流通道，主干出水口由主干近端、远端将主干出水口分为主干近端、中段、远端出水口。连接井主干流通道的一侧设置有支干分叉口，支干分叉口由支干中部隔墙将支干分叉口分为支干近端、远端分叉口，在主干流通道上设置有近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙。近端、中心、远端导流墙成品字型。通过合理布置导流墙迫使横向来流转向保证下游出流均匀；明显减小对连接井边墙的冲刷；不增加连接井水头损失，不影响输水能力；设计和结构均十分简单、施工方便，投资少，无需任何维修。

Description

一种品字型均流防涡装置

技术领域

本实用新型涉及一种品字型均流防涡装置，是一种水利工程装置，用于导流、均流和消除两垂直交汇水流所产生涡流的装置。

背景技术

在水利工程领域，尤其是目前的调水工程，由于线路较长，途经城市一般都有用水要求。为了保证输水沿线各城市的用水要求，常修建分水口或在线调节水库，后者在与输水干线横向衔接时需要修建连接井，这里所述的连接井是一种矩形的分叉交汇口。在线调节水库的作用是调节供水不均匀性，它可通过泵站抽取干线来水进行自身补水，也可在干线来水不能满足用户需求时向干线补水，而这些作用的实现都要通过连接井来完成。另一方面，水库事故情况紧急退水也要通过连接井将水排入干线。在这样的连接井输水系统中，水流存在90°转弯可能导致连接井及分水口内部出现恶劣流态，那么设计水力性能优良、分水或汇水平稳的防涡导、均流装置就显得非常重要。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种品字型均流防涡装置。为解决上述技术问题提出了一个解决的方案。本实用新型所述装置设计简单、布置合理，既不影响干线输水的均匀性，又能在横向分水、汇水时减小连接井的内部冲刷，保证连接井下游水流流态良好、分流均匀且没有漩涡产生。

本实用新型的目的是这样实现的：一种品字型均流防涡装置，所述装置的设施包括：连接井，所述的连接井的两个相对的边开有主干进水口和主干出水口，所述主干进水口和主干出水口组成主干进水口为上游、主干出水口为下游的主干流通道，所述的主干出水口由主干近端隔墙、主干远端隔墙将主干出水口分为主干近端出水口、主干中段出水口、主干远端出水口；所述连接井的主干流通道的一侧设置有支干分叉口，所述的支干分叉口由支干中部隔墙将支干分叉口分为支干近端分叉口、支干远端分叉口；在所述主干流通道上设置有近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙；所述的近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙成品字型设置。

本实用新型产生的有益效果是：通过合理布置导流墙使品字型均流防涡装置具有下述优点：

(1)均流效果明显，下游出流分布均匀。

(2)有效的防涡，明显减小对连接井边墙的冲刷。

(3)头部为圆弧设计，基本不增加连接井水头损失，不影响输水能力。

(4)不影响主干线输水及支干水库横向分水。

(5)设计和结构均十分简单、施工方便，投资少，无需任何维修。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是传统的连接井平面图；

图2是传统的连接井主干流通道方向的纵剖面图；

图3是传统的连接井支干流通道方向的纵剖面图；

图4是平面示意图本实用新型实施例二所述品字型均流防涡装置；

图5是本实用新型实施例四所述品字型均流防涡装置；

图6是调节水库横向补水最不利工况下连接井下游箱涵垂向流速分布图；

图7是实施例三所述连接井下游箱涵垂向流速分布图。

具体实施方式

实施例一：

一种传统的连接井工程布置如图1、2、3所示，它主要由主干进水口3、连接井2、主干出水口1和支干分叉口4组成。其中主干进水口和主干出水口在同一条主干轴线上，支干分叉口垂直主干轴线方向布置。主干进水口和主干出水口连接输水干线，支干分叉口连接调节水库，调节输水干线的水量。当输水干线水量不足时，调节水库可以向输水干线补水；当输水干线水量过大时可以通过连接井将多余的水量输往调节水库。这样出现三种情况：主干线来流，支干线无水；主干线来流并向支干线分水；主干线来流或无水，支干线向主干线补水。前两种情况连接井中水流流态问题不大，第三种情况会出现问题。

调节水库通过连接井向输水干线补水时，如果补水流量较大，那么进入连接井的水体含有较大的支干水流方向的动量(图1中箭头方向)。在没有任何导流、均流、防涡装置的条件下，这部分水体将直接冲向支干分/汇水口对面连接井井壁，由于井壁对输水水体的阻挡导流作用，该部分流体流动轨迹呈现分流曲面(Shear plane)，其转弯曲率使水体易于雍入下游的中段出水口和远端出水口，(如图1箭头方向)，在支干近端出水口一侧出现干线方向顺时针漩涡(如图1中A点箭头方向)，造成水体停留，同时在连接井主干远端出水口前部形成较大的漩涡(如图1中B点箭头方向)。如果产生立轴漩涡，漩涡挟气进入下游出口闸，可能危及建筑物的安全。很显然，在这种情况下水库横向补水导致下游三孔分流不均匀。传统情况下为适应某一工程专门设计特殊的导流方法。这种导流方式可能能较好的满足某单一工况，但是在补水、分水等多种工况下，个别工况往往会出现恶劣流态，比如说影响分水流量。同时，布置的导流墙结构体型如果太复杂，一方面会增加整个连接井的局部水头损失，导致过流能力下降，另一方面，也会增加整个连接井工程的造价。

为了使调节水库来流90°转弯后均匀的进入主干出水口三孔，本实用新型考虑在连接井内布置导流墩或者导流墙，利用导流墩或导流墙的导流作用对调节水库来水进行阻挡，迫使一部分水体迅速转弯进入下游主干近端出水口，其余水体越过导流墙或导流墩以较小曲率进入其它两孔，使下游三孔分流均匀。经过试验和计算机数值模拟确定导流墙或者成排密集排列类似导流墙的导流墩效果较好，最后确定使用导流墙。导流墙的布置位置、长短、厚度等参数非常关键。布置导流墙以后，不能影响主干线来流的均匀性，同时，主干线向支干分水工况下的分流量也不受影响。

本实施例是一种品字型均流防涡装置，图4所示。本实施例的设施包括：矩形的连接井2，连接井的两个相对的边开有主干进水口3和主干出水口1。主干进水口和主干出水口组成主干进水口为上游、主干出水口为下游的主干流通道。所述的主干进水口由主干近端隔墙105、主干远端隔墙102将主干出水口分为主干近端出水口104、主干中段出水口103、主干远端出水口101。连接井的主干流通道的一侧设置有支干分叉口4。支干分叉口由支干中部隔墙402将支干分叉口分为支干近端分叉口401、支干远端分叉口403。在主干流通道上设置有近端导流墙6、中心导流墙7、远端导流墙5。所述的近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙成品字型设置。

本实用新型所述的连接井在水利工程中通常是分叉交汇口。分叉交汇口具有主干流的进、出口和一个或多个分水口或汇水口。在本实用新型中仅一个主干流的进、出水口，一个既分水也汇水的水口，称为支干分叉口。

本实施例为类似引、排水系统连接井建筑物提供一种简单、实用的防涡均流装置。将导流墙巧妙的布置成品字型，可将横向来流分成三部分。通过调节三个导流墙的相对位置，近端导流墙迫使横向来流第一部分水体迅速拐弯，中心导流墙对横向来流第二部分水体进行阻挡，阻挡后转弯进入下游，另一部分水体将绕过中心导流墙圆弧头，在远端导流墙的导流、分流作用下转弯进入下游，总体达到三分水体导流、均流作用，同时原本连接井内的大漩涡被分散，如主干近端出水口附近的漩涡，避免较大立轴漩涡带气进入下游出口闸室，装置起到防涡作用。横向来流被均分后，也会大大减小对连接井边墙的冲刷。由于品字型导流墙的特殊布置形式，品字型头部上游侧仍留有较大空间，不会干扰主干出水口一侧的横向取水。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，实施一所述品字型导流墙设置的细化。近端导流墙和远端导流墙的一端分别与主干近端隔墙、主干远端隔墙的端头连接，形成主干近端隔墙、主干远端隔墙在连接井中的延伸。近端导流墙和远端导流墙的另一端延伸至支干近端分叉口的中心线404的延长线附近。中心导流墙平行的设置在近端导流墙和远端导流墙之间，中心导流墙的一端设置在接近支干中部隔墙的支干近端分叉口一侧墙面的延长线上405，中心导流墙的另一端设置在接近支干远端分叉口的侧壁的延长线406附近。

导流墙的截面为扁平的矩形，各导流墙的设置位置和长短十分关键。导流墙可以用一排紧密排列的导流墩代替。导流墙的厚度通常不大于主干进、出水口的隔墙厚度。

实施例三：

本实施例是实施例一二的改进，是实施例一、二关于导流墙的端头和高度的细化。本实施例所述的近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙的高度与支干分叉口的高度相近。近端导流墙、远端导流墙的迎水端和中心导流墙的两端为圆弧形。

导流墙圆弧形端头可以避免产生水体在通过端头时产生涡流，使流线均匀，流态平稳。导流墙的高度可以与支干分叉口的高度接近，过高意义不大，过低起不到导流作用，应选取适当。

本实施例具体应用在南水北调中线一期工程天津干线西起河北省保定市徐水县西黑山村，东至天津市外环河西，全长155.352km。天津干线采用全箱涵无压接有压全自流输水方案。天津市市内配套工程王庆坨水库通过王庆坨连接井与天津干线工程衔接，该水库以安全备用为主，调节供水不均匀性为辅。王庆坨水库可通过泵站抽取天津干线来水进行自身补水，也可在干线来水不能满足用户需求时向干线补水；抽水与补水最大流量均为25m³/s。水库事故情况紧急退水也通过王庆坨连接井来完成。

王庆坨连接井主要由进口闸、连接井水池、出口闸、明槽段和分水闸组成。其中分水闸位于连接井水池左侧，垂直天津干线轴线布置，其后为通往王庆坨水库的2-4.0m×4.0m箱涵。

选取水库补水、取水时几个较不利的工况进行了模型试验分析，分析的内容主要包括水深、流速分布、水位波动情况、下游箱涵各孔流量和流速分布情况等，试验的结果如下：

(1)支干向主干线补水时，进入连接井的水体含有较大的支干水流方向的动量，水流遇到连接井内水体及边墙阻挡作用后，容易壅入下游远端边孔和中孔出口闸。支干补水30m³/s时的理论下游三孔平均流速为0.52m/s，实测的连接井远端孔的断面平均流速为0.70m/s左右，分流量为13.56m³/s，中孔流速为0.5m/s，分流量为9.68m³/s，近端孔流速仅为0.31m/s，分流量为6m³/s，最大分流量是最小流量的2.2倍左右。也就是说，当连接井内无导流装置时，下游箱涵各孔流量和流速分布差别较大，即存在三孔箱涵过流能力不均的问题。

(2)支干向主干线补水时的充水过程中发现远端孔出口闸闸前出现较大的漩涡，后水位上升后，漩涡不太明显。也就是说如果横向来流流量较大，出口闸闸头前部很可能出现漩涡带气进入下游，这对工程安全有影响。

(3)水库从干线取水即主干线向支干分水时，水库分水闸进口流态均匀，压力传感器结果显示支干两孔导墙附近没有流体脱离现象，无负压。支干两孔流速大致相同，分流比较均匀。

(4)连接井内部没有导流、阻流装置，水库补水长时间运行可能导致连接井边墙的冲刷问题。

由于水库补水工况情况下下游存在明显的分流不均，必须从连接井内部着手采取导均流措施，才能满足工程运行的安全性和可靠性，使得设计更加完善。本着不显著增加工程投资的原则，对连接井工程布置和结构体型进行模型试验、数值模拟等优化分析，并基于大量的物理模型试验，连接井工程内部设置本实施例所述装置。

本实施例所述品字型导流墙为圆弧头接方形棱柱体，棱柱体高4m，圆弧半径0.5m。圆弧头的作用一方面是减小正对来流的冲击，另一方面是便于横向来流能平滑的绕过，形成平稳的流线，防止绕流产生较大漩涡。近端导流墙、远端导流墙的棱柱体长7m，分别沿连接井干线轴线布置，保证干线来流三孔对三孔。中心导流墙的棱柱体长3m，布置在连接井干线中轴线方向，此导流墙的主要作用是阻挡横向来流，迫使横向来流上游侧水体转弯进入下游中孔，上游侧另一部分水体绕过导流墙圆弧头，分流转弯进入下游左边孔。需要说明的是，品字型三排导流墙沿干线的布置位置非常关键，组合起来的作用要达到三分水体的目的。建立在大量工况的模型试验和对三维流场数值模拟的基础上，三排导流墙的布置采用了如图4和图5所示的布置方式，形成品字型均流防涡装置。

为验证和分析上述技术方案建立了实体模型进行试验验证，模型和原型的比尺是1∶14。

为了验证本实施例的均流防涡功能，在下游三孔箱涵直段沿垂向断面布置了旋浆流速仪，选取5个测点对流速进行测量，以连接井底板高程为基准，这5个测量点垂向分别距离底板0.168m、1.008m、1.848m、2.688m、3.528m，试验中旋浆流速仪的采样时间为30秒，每一测点位置测3次，然后取平均。

图6是调节水库横向补水最不利工况下连接井下游箱涵垂向流速分布图，图7为应用本实施例后连接井下游箱涵垂向流速分布图。两图中的8、9、10分别是主干近端出水口、主干中段出水口、主干远端出水口的垂向流速分布。

从图6可明显看出，支干分叉口来流易进入主干远端出水口，即主干远端出水口整体流速大于主干中段出水口和主干近端出水口。图7中，主干三个出水口垂向流速比较接近。这表明，品字型近端导流墙迫使支干分叉口来流第一部分水体迅速拐弯进入下游，这将直接增加该孔的分流量，中心导流墙对支干岔口来流水体进行阻挡，阻挡后转弯进入下游，绕过中心导流墙圆弧头的水体在远端导流墙的导流、分流作用下转弯进入下游。对比图6，原有偏流水流结构完全被改变，流速分布明显改善。总的来说，出流均匀，同时原本连接井内的大漩涡被分散，本实施例起到防涡作用。

应用本实施例后，下游箱涵流速分布是：同一高程位置测点处的流速三者相差不大，主干中段出水口比左右的主干远端出水口、主干近端出水口稍大。连接井主干远端出水口断面平均流速为0.53m/s左右，分流量为10.22m³/s，主干中段出水口流速为0.56m/s，分流量为10.77m³/s，主干近端出水口流速仅为0.44m/s，分流量为8.52m³/s，计算不均匀系数为ξ＝0.087，也比较小。试验结果表明应用本实施例后在水库补水最不利工况下能够使得下游分流比较均匀。

应用本实施例后，导流墙不影响干线来流的均匀性，同时，干线向调节水库分水工况下的分流量也基本不受影响。由于导流墙的圆弧头结构，安装本实施例后也基本没有增大整个连接井的局部水头损失，效果是很理想的。

实施例四：

本实施例是使用实施例一、二、三所述装置的品字型均流防涡方法，所述方法的支干进水主干出水的防涡步骤：

水流从支干分叉口流出，由支干中部隔墙将水流分为近端出水流和远端出水流。

近端出水流由近端导流墙分为两部分，离支干中部隔墙较远的一部分水流在流出支干近端分叉口后立刻90°转弯直接流入主干近端出水口，离支干中部隔墙较近的一部分水流在近端导流墙和中心导流墙的共同作用下，通过近端导流墙和中心导流墙之间的空隙流入主干中段出水口。

远端出水流流出支干远端分叉口后冲向中心导流墙，在中心导流墙的作用下，远端出水流分为两部分，其中离支干中部隔墙接近的水流通过近端导流墙和中心导流墙之间的空隙流入主干中段出水口，大部分远端出水流绕过中心导流墙流向主干出水口。

绕过中心导流墙的大部分远端出水水流在远端导流墙和中心导流墙的共同作用下，又分为两部分，一部分流经远端导流墙和中心导流墙之间的空隙进入主干中段出水口，另一部分在远端导流墙的作用下，进入主干远端出水口。

品字型均流防涡方法是建立在水力学理论基础上的实用新型创造。横向进水、分水的水流结构具有复杂的三维水力特性，不少学者对此水流结构进行了研究，如Weber(2001)、Hager(2003)、茅泽育(2004)、曹继文(2003)等人通过模型试验及理论分析，Neary(1996)、Huang(2002)、Shabayek(2002)等依靠三维数值模拟来揭示横向水流特性(上述研究成果出处见参考文献目录)。

通过水力学模型试验，利用三维超声波流速仪量测不同水力条件下连接井内的三维水流结构，并结合水力学紊流模型对连接井水流进行了数值模拟。将这两种结果进行对比，获得比较详尽的连接井内流速分布，了解其水力特性后，构思出了品字型均流防涡方法。通过局部调整体型、位置，针对来流流速场的分布，采取“分、导、消”的设计原则，最终形成实施例一至三的装置。多种工况下的试验结果表明品字型均流防涡方法能够有效的均流、防涡，可推广到类似的横向进水、分水工程中。

本实施例是通过如实施例一所述形成品字型导流结构。当支干横向进水连接井内的流动情况是：进入连接井的水体含有较大的支干方向的动量，支干下游侧大部分水体遇到近端导流墙的阻挡作用后，涌入下游主干近端出水口，如图5中箭头C的方向。另外一部分水体从近端导流墙和中心导流墙头部弧顶滑过进入主干中段出水口，图5中箭头D的方向。支干上游侧水体一部分直接进入主干中段出水口，图5中箭头D的方向，另一部分直接沿支干方向向前流动，遇到中心导流墙的阻挡后，又分为两部分，一部分进入主干中段出水口，图5中箭头D的方向，另一部分沿中心导流墙弧顶扩散继续向前，遇到连接井边墙阻挡后，折返后一部分涌入主干中段出水口，如图5中E箭头方向，另一部分涌入下游主干远端出水口，如图5中F箭头方向。水深达到该工况水深后，连接井表面有间断性的不吸气漩涡，水面波动不太明显，主干正对侧的导流墙附近有比较微弱的阵发性的水体紊动翻滚，出口闸前部近区偶有凹陷漩涡，主干出口前部出现较对称分布的薄层状涟漪。同时整个连接井下游明流区域也没有发生贯通性漩涡等不利水力现象。

本实施例适应能力强，能满足多种工况的需要，并且本实施力所使用的装置结构非常简单，三排导流墙是在流道底平面修建，泥沙可以通过，不会淤积。与单一导流装置或者复杂导流设备的不同点是：

(1)本实施例是建立在模型试验、数值模拟的基础上，将支干来流沿主干方向进行分流、导流，破坏原有水流、漩涡结构，使得水体分散，均匀的转角。

(2)本实施例适应能力强。本实施例具有很好的改变来流方向并且均流的作用，且不影响横向分流，尤其中心导流墙能有效阻水，减小水流对井边墙冲刷的作用。

(3)达到同样均流防涡效果投资差别大。一般情况下，本实施例只需合理平行布设3排导流墙，结构简单，投资少也是显而易见的。

最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案(比如导流墙外形、大小、品字型安排等)进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种品字型均流防涡装置，所述装置的设施包括：连接井，所述的连接井的两个相对的边开有主干进水口和主干出水口，所述主干进水口和主干出水口组成主干进水口为上游、主干出水口为下游的主干流通道，所述的主干出水口由主干近端隔墙、主干远端隔墙将主干出水口分为主干近端出水口、主干中段出水口、主干远端出水口；所述连接井的主干流通道的一侧设置有支干分叉口，所述的支干分叉口由支干中部隔墙将支干分叉口分为支干近端分叉口、支干远端分叉口；其特征在于：在所述主干流通道上设置有近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙；所述的近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙成品字型设置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述近端导流墙和远端导流墙的一端分别与主干近端隔墙、主干远端隔墙的端头连接，形成主干近端隔墙、主干远端隔墙在连接井中的延伸，所述近端导流墙和远端导流墙的另一端延伸至支干近端分叉口的中心线的延长线附近；所述中心导流墙平行的设置在近端导流墙和远端导流墙之间，中心导流墙的一端设置在接近支干中部隔墙的支干近端分叉口一侧墙面的延长线上，中心导流墙的另一端设置在接近支干远端分叉口的侧壁的延长线附近。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的近端导流墙、中心导流墙、远端导流墙的高度与支干分叉口的高度相近；所述的近端导流墙、远端导流墙的迎水端和中心导流墙的两端为圆弧形。

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