專利名稱：一種差動式摻氣挑坎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要用于水利工程中泄水建筑物的摻氣挑坎，特別為一種差動式摻氣挑坎。
背景技術(shù)：
在高壩建設(shè)中，泄水建筑物的投資約占整個工程的40-60％。當(dāng)水頭達(dá)到或超過100m時，其流速將達(dá)到或超過35m/s，由此帶來的水力學(xué)問題均屬高速水流問題，對工程的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅。其中，尤以空化空蝕問題最為突出，它直接影響建筑物的安全運(yùn)行。
眾多的試驗(yàn)和工程實(shí)踐已經(jīng)證明，通過對水流摻氣可以有效地防止和減輕空化空蝕現(xiàn)象的發(fā)生，從而保護(hù)過水邊界免遭空蝕的破壞。而要使水流摻氣，在水流邊界上設(shè)置摻氣坎(槽)又是一種最為經(jīng)濟(jì)最為簡便的措施。所以目前在水工過水建筑物、特別是高速泄水建筑物上已得到廣泛的應(yīng)用。目前工程中采用摻氣挑坎、摻氣槽、跌坎及其組合型式的摻氣設(shè)施，其中摻氣挑坎以及含有摻氣挑坎的組合型式應(yīng)用最為廣泛。如圖1-圖2所示，在水流(A)流速達(dá)到一定程度，在摻氣坎下游產(chǎn)生空腔，氣流(B)從邊墻兩側(cè)的通氣孔進(jìn)入空腔，由于空腔水舌的紊動摻入水流中。
通常為了增加挑坎的摻氣量，延長保護(hù)長度，一般采用增加射距的措施，也即增加射流的空腔長度，由此需要增加坎高或局部加大坎下游底坡。試驗(yàn)證實(shí)在大單寬流量條件下，過多的增大坎高和加大坎下底坡，將加劇水面波動，惡化下游水流流態(tài)，對長明流洞，會使洞身安全余幅減小而需加高洞身，增加工程量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷而提出一種差動式摻氣挑坎，它可以有效增強(qiáng)挑流水舌下緣的紊動摻混效果，提高挑坎的摻氣量，延長摻氣坎的保護(hù)長度，同時也可以與摻氣槽和跌坎組合使用。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)解決方案來實(shí)現(xiàn)一種差動式挑坎，它包括有挑坎體，其中所述的挑坎體上局部設(shè)有小挑坎，小挑坎與原來的挑坎體起坡點(diǎn)在同一位置，與挑坎體構(gòu)成為凹凸相間的水流差動過流面。
本發(fā)明的目的還可通過以下技術(shù)解決措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)前述的一種差動式挑坎，其中所述的小挑坎的高度順?biāo)鞣较蛑饾u遞增。
前述的一種差動式挑坎，其中所述的差動小挑坎高度逐漸升高為以小挑坎起點(diǎn)至末端的方向與水流方向相同，且小挑坎與挑坎體構(gòu)成的末端斷面的外輪廓線是一條凹凸相間的折線。
前述的一種差動式挑坎，其中所述的小挑坎為凸起的燕尾狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾?，前寬后窄?br> 前述的一種差動式挑坎，其中所述的小挑坎為凸起的燕尾狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾颍罢髮挕?br> 前述的一種差動式挑坎，其中所述的小挑坎為凸起的條狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾颍昂蟮葘挕?br> 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)挑坎的末端高度相同，即整個挑坎與泄水建筑物過流面的夾角相同。本發(fā)明在傳統(tǒng)摻氣坎的基礎(chǔ)上又局部增加小挑坎形成差動，差動挑坎的末端高度不同，根據(jù)末端高度不同分別稱其為低坎和高坎，與泄水建筑物過流面的夾角分別為α1和α2，其中0＜α1＜α2。差動坎強(qiáng)迫水流底部在脫離挑坎末端后從兩種不同的角度射出，增強(qiáng)底部紊動，從而卷吸更多的空氣，增大水流底部的摻氣濃度。其施工簡單；明顯提高摻氣量，延長摻氣坎的保護(hù)長度；在傳統(tǒng)的摻氣坎上僅增加少量高度的差動，對水面線影響較小，對洞身的安全余幅影響不大。在水利工程中，泄水建筑物的投資占很大的比重，它也直接關(guān)系到工程的安全運(yùn)行。本項(xiàng)發(fā)明的有效性已經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)簡單易行，可以有效提高摻氣量，降低工程造價，具有很好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)、和特點(diǎn)，將通過下面優(yōu)先實(shí)施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋，這些實(shí)施例是參照附圖僅作為例子給出的。


圖1是傳統(tǒng)的摻氣挑坎示意圖。
圖2是傳統(tǒng)摻氣挑坎與摻氣槽、跌坎組合的摻氣型式。
圖3是本發(fā)明的只有差動式摻氣挑坎的型式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的差動式摻氣挑坎與跌坎組合的型式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的差動式摻氣挑坎與摻氣槽組合的一種型式結(jié)構(gòu)示意圖，順?biāo)鞣较?，差動式摻氣挑坎的高坎寬度逐漸增大。
圖6是本發(fā)明的差動式摻氣挑坎與摻氣槽、跌坎組合的一種型式結(jié)構(gòu)示意圖，順?biāo)鞣较?，差動式摻氣挑坎的高坎寬度逐漸減小。
圖7是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)對象某工程泄洪洞縱剖面圖。
圖8為本發(fā)明圖7中該泄洪洞的平面圖。
圖9是本發(fā)明方案No.1相應(yīng)的上游摻氣設(shè)施體型圖。
圖10是本發(fā)明方案No.1相應(yīng)的下游摻氣設(shè)施體型圖。
圖11是本發(fā)明方案No.2相應(yīng)的上游摻氣設(shè)施體型圖。
圖12是本發(fā)明圖11中1-1剖面圖。
圖13和圖14是本發(fā)明方案No.2相應(yīng)的下游摻氣設(shè)施體型圖。
圖14是本發(fā)明圖13中2-2剖面圖。
圖15是本發(fā)明不同方案1#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖16是本發(fā)明不同方案2#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖17是本發(fā)明不同方案3#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖18是本發(fā)明不同方案4#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖19是本發(fā)明不同方案5#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖20是本發(fā)明不同方案6#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖21是本發(fā)明不同方案7#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖22是本發(fā)明不同方案8#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖23是本發(fā)明不同方案9#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖24是本發(fā)明不同方案10#斷面沿水深摻氣濃度分布。
圖25是本發(fā)明不同方案11#斷面沿水深摻氣濃度分布。
具體實(shí)施例方式
如圖3-6所示，本發(fā)明差動式挑坎，它包括有挑坎體1，其在挑坎體上局部設(shè)有小挑坎2，小挑坎2與挑坎體構(gòu)成的過流面為凹凸相間的差動過流面3。小挑坎2的高度順?biāo)鞣较蛑饾u遞增。具體說是小挑坎高度逐漸升高為以小挑坎起點(diǎn)至末端的方向與水流方向相同，且小挑坎與挑坎體構(gòu)成的末端斷面的外輪廓線是一條凹凸相間的折線。小挑坎為凸起的燕尾狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾?，前寬后窄或前窄后寬，小挑坎也可是凸起的條狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾?，前后等寬?br> 實(shí)施例一采用某工程1∶30比尺模型幾種不同的摻氣型式驗(yàn)證了本發(fā)明的有效性。
在相同的試驗(yàn)條件下，僅改變上、下游摻氣設(shè)施中的挑坎形狀，各方案對應(yīng)的原型尺寸如圖7-14所示。
如圖7，圖8所示，該泄洪洞前段為287.6m長的水平有壓段，出口弧門后設(shè)跌坎(0+291.10m處)，跌坎后部泄洪洞底坡(i1)為0.2063，分別在樁號0+374.63m(上游挑坎起坡點(diǎn)G11)和0+472.02m(下游挑坎起坡點(diǎn)G12)增設(shè)兩個挑坎和摻氣槽組合的摻氣設(shè)施。在泄洪洞出口段，從樁號0+555.88m處，底坡變?yōu)閳A弧狀(圓弧半徑R＝70m)，后部為扭曲鼻坎出流。
各個特征斷面樁號為，I-I0+000.00m；II-II0+020.00m；III-III0+045.00m；IV-IV0+265.60m；V-V0+291.10m；VI-VI0+297.60m；VII-VII0+374.63m；VIII-VIII0+472.02m；IX-IX0+555.88m；X-X0+601.77m。
泄洪洞有壓出口(V-V斷面)寬10m，高9m，此后為明流段，至樁號0+566.4m的泄洪洞寬度保持10m不變，兩側(cè)豎直邊墻高度11.5m。
如圖9所示，方案No.1相應(yīng)的上游摻氣設(shè)施，其挑坎起坡點(diǎn)(G11)高程532.91m，樁號為0+374.63m。圖中L11＝2.91m，L12＝1.5m，L13＝7.42m，挑坎高度Δ11＝0.6m，摻氣槽深度Δ12＝1.5m，泄洪洞底坡i1＝0.2063，挑坎坡度i2＝0。摻氣槽內(nèi)水平段高程530.55m。
如圖10所示，方案No.1相應(yīng)的下游摻氣設(shè)施，其挑坎起坡點(diǎn)(G12)高程512.82m，相應(yīng)樁號為0+472.02m，挑坎高度Δ13＝0.4m，摻氣槽內(nèi)水平段高程510.65m，其它體型參數(shù)同上游坎。
如圖11和圖12所示，方案No.2相應(yīng)的上游摻氣設(shè)施，方案No.2在方案No.1的上游挑坎上局部增設(shè)小挑坎，小挑坎起坡點(diǎn)與原挑坎相同，順?biāo)鞣较颍瑢挾缺３植蛔?，高?Δ14)為10cm，形成凹凸相間的差動型式。兩側(cè)的小挑坎寬度(B1)為0.625m，其它寬度(B2)為1.25m。
如圖13和圖14所示，方案No.2相應(yīng)的下游摻氣設(shè)施，方案No.2在方案No.1的下游挑坎上局部增設(shè)小挑坎，小挑坎起坡點(diǎn)與原挑坎相同，順?biāo)鞣较?，寬度保持不變，高?Δ14)為10cm，形成凹凸相間的差動型式。兩側(cè)的小挑坎寬度(B1)為0.625m，其它寬度(B2)為1.25m。
試驗(yàn)共布置了11個摻氣濃度測量斷面，其中上游挑坎后6個，下游挑坎后5個，各斷面位置見表1。
表1泄洪洞摻氣測量斷面位置

其中1#-6#斷面位于1#挑坎和2#挑坎之間，7#-11#斷面位于2#挑坎后。
試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿坎捎糜袡C(jī)玻璃制作，摻氣濃度采用放射性同位素?fù)綒鈨x量測。試驗(yàn)進(jìn)行了兩組方案對比分析，方案No.1采用傳統(tǒng)型式的摻氣挑坎，模型坎高2.0cm；方案No.2模型在方案No.1模型的基礎(chǔ)上增加了3.33mm的楔形塊，形成低坎高度2.0cm、高坎高度2.33cm的差動坎，且順?biāo)鞣较蚋摺⒌涂矊挾缺３植蛔儭?br> 在上游水位為638.36m時，相應(yīng)的原型泄洪洞流量為3044m3/s，實(shí)測的各個斷面不同水深的摻氣濃度值如圖15-25所示。在圖15-25中，橫坐標(biāo)C表示摻氣濃度，縱坐標(biāo)Hl為相應(yīng)斷面水深。
從圖15-20可以看出，在傳統(tǒng)的摻氣挑坎模型上增加高3.33mm(相應(yīng)的原型高度10cm)的楔形塊，形成差動式挑坎，上游坎后的各斷面底部摻氣濃度顯著增加；同樣從圖21-25可以看出，改為差動坎后，下游坎后的各斷面底部摻氣濃度也顯著增加。由試驗(yàn)結(jié)果，差動式挑坎可以有效增加坎后水流底部的摻氣濃度。在工程中，影響摻氣減蝕效果的只有泄水建筑物過流面接觸處的摻氣濃度，摻氣濃度提高有利于減免泄水建筑物的空蝕破壞。同時，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，方案No.1和方案No.2的水面線沒有明顯差別。因此，與傳統(tǒng)的摻氣挑坎相比，本發(fā)明可以有效增加坎后水流底部的摻氣濃度，而不會顯著減少洞頂余幅。
上述設(shè)計(jì)方案只是本發(fā)明中的一個實(shí)施例，采用順?biāo)鞣较蚋?、低挑坎寬度不變的型式，根?jù)工程實(shí)際情況的不同，本發(fā)明還可以采用順?biāo)鞣较蚋摺⒌吞艨矊挾雀淖兊男褪健?br> 上述設(shè)計(jì)方案采用差動式摻氣挑坎和摻氣槽組合的型式，根據(jù)工程實(shí)際需要，本發(fā)明還可以單獨(dú)采用差動式摻氣挑坎，或者差動式摻氣挑坎和跌坎組合的型式，或者差動式摻氣挑坎與摻氣槽、跌坎組合的型式。除上述實(shí)例外，本發(fā)明還可以有另外的實(shí)施方式。凡采用同等替換或等效變換的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種差動式摻氣挑坎，它包括有挑坎體，其特征是在挑坎體上局部設(shè)有小挑坎，小挑坎與挑坎體起坡點(diǎn)相同，構(gòu)成的過流面為凹凸相間的過流面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種差動式摻氣挑坎，其特征在于小挑坎的高度順?biāo)鞣较蛑饾u遞增。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式摻氣挑坎，其特征在于小挑坎高度逐漸升高為以小挑坎起點(diǎn)至末端的方向與水流方向相同，且小挑坎與挑坎體構(gòu)成的末端斷面的外輪廓線是一條凹凸相間的折線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種差動式摻氣挑坎，其特征在于小挑坎為凸起的燕尾狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾?，前寬后窄?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種差動式摻氣挑坎，其特征在于小挑坎為凸起的燕尾狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾?，前窄后寬?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種差動式摻氣挑坎，其特征在于小挑坎為凸起的條狀挑坎，其以順?biāo)鞣较驗(yàn)樾颍昂蟮葘挕?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種差動式摻氣挑坎，它包括有挑坎體，其特征是在挑坎體上局部設(shè)有小挑坎，小挑坎與挑坎體起坡點(diǎn)相同，構(gòu)成的過流面凹凸相間，強(qiáng)迫水流底部在脫離挑坎末端后從不同的角度射出，增強(qiáng)底部紊動，從而卷吸更多的空氣，增大水流底部的摻氣濃度。本發(fā)明的有效性已經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)簡單易行，可以有效提高摻氣量，保障泄水建筑物免遭空蝕破壞，具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號E02B3/10GK101089296SQ200610085938
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者吳建華, 阮仕平, 吳偉偉, 紐新強(qiáng), 廖仁強(qiáng), 胡中平, 向光紅 申請人:河海大學(xué)