一種適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，所述摻氣挑坎設(shè)置在泄洪洞水流控制閘門后方1～2倍泄洪洞洞徑處，摻氣挑坎坎口兩側(cè)向外突擴(kuò)，增大泄洪洞通流斷面。本發(fā)明提出的閘坎分置式摻氣技術(shù)方案，可徹底消除摻氣坎后的清水區(qū)，使摻氣空腔不再受閘門開度的影響，無論閘門的開啟方式如何，水流的流態(tài)均清晰、穩(wěn)定，大大提高了弧形閘門后的防空蝕性能，并使閘門運(yùn)行靈活性得到大幅提升。
【專利說明】一種適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水利工程泄洪洞過流壁面保護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于高水頭泄洪洞過流壁面空化空蝕保護(hù)的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]對于高水頭泄洪洞，工程上都是采取在泄洪洞中設(shè)置閘門，使泄洪洞中的水流由有壓流變?yōu)槊髁?，所述閘門通常為弧形閘門。水流經(jīng)弧形閘門至泄洪洞有壓出口時的流速已很大，但水流在由有壓流變?yōu)槊髁髑昂?，泄洪洞過流壁面水流工況則完全不同。在水流由有壓流變?yōu)槊髁髦?，由于泄洪洞過流壁面所受水流壓力很大，泄洪洞過流壁面不會發(fā)生空化空蝕破壞；而在水流由有壓流變?yōu)槊髁髦?，由于水流壓力突然減小，泄洪洞過流壁面存在空化空蝕破壞的危險(xiǎn)，當(dāng)泄洪洞過流壁面的空化數(shù)達(dá)到臨界值，泄洪洞過流壁面會發(fā)生空化空蝕破壞。這在工程上是不允許的。為了保護(hù)泄洪洞過流壁面不發(fā)生空化空蝕破壞，工程上通常將弧形閘門處的泄洪洞設(shè)計(jì)成突擴(kuò)突跌摻氣結(jié)構(gòu)，通過向水流摻入空氣，解決高水頭泄洪洞弧形閘門后的空蝕破壞問題。
[0003]工程運(yùn)行實(shí)際結(jié)果表明，通過摻氣挑坎摻入到水中的空氣需經(jīng)過一段距離后才能發(fā)展到整個斷面，為了使過流斷面的側(cè)墻也得到摻氣的保護(hù)，在設(shè)置摻氣坎的位置，將兩側(cè)的邊墻也同時突擴(kuò)，從而可形成全斷面摻氣，保護(hù)整個過流壁面的安全。結(jié)合偏心鉸弧形閘門的水流密封需求，工程上常在弧形閘門處采用突擴(kuò)突跌的方案，解決高水頭泄洪洞弧形閘門后明流過流壁面空蝕破壞問題?，F(xiàn)有技術(shù)的突擴(kuò)突跌摻氣方案，在弧形閘門與泄洪洞底部相接的位置設(shè)置摻氣挑坎，摻氣挑坎兩側(cè)設(shè)置同時作為閘門密封面的逐漸下沉的弧形突擴(kuò)側(cè)墻，摻氣挑坎的上邊緣與弧形閘門的下門面匹配，摻氣挑坎兩側(cè)的弧形突擴(kuò)側(cè)墻與弧形閘門兩側(cè)的門面匹配，共同構(gòu)成密封水流的密封，如圖1-A及圖1-B所示。這種摻氣挑坎與弧形閘門為一體結(jié)構(gòu)的突擴(kuò)突跌方案，由于摻氣挑坎兩側(cè)的突擴(kuò)側(cè)墻為弧形突擴(kuò)側(cè)墻，因此在摻氣挑坎兩側(cè)形成的側(cè)空腔形態(tài)較差，下游泄洪洞兩側(cè)的過流壁面中部所對應(yīng)的水區(qū)不能得到有效摻氣，清水區(qū)難以消除，并且在弧形閘門局開時底部空腔的長度變短，空腔內(nèi)回水加劇，有時甚至堵住位于底部空腔側(cè)面的進(jìn)氣口，出現(xiàn)嚴(yán)重水翅等(如圖1-E所示)。這種摻氣結(jié)構(gòu)的布局，很難通過單純增加突擴(kuò)尺寸解決以上問題。實(shí)際工程中采用這種方案的摻氣布局結(jié)構(gòu)，已經(jīng)發(fā)生多起閘門局開時破壞的實(shí)例。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎存在的問題，本發(fā)明目的旨在提供一種將泄洪洞閘門與摻氣挑坎分開設(shè)置的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎存在的水流摻氣效果差，對泄洪洞明流過流壁面進(jìn)行有效保護(hù)等問題。
[0005]本發(fā)明的上述目的，可通過由下述技術(shù)方案構(gòu)成的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。
[0006]本發(fā)明提供的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，所述摻氣挑坎設(shè)置在泄洪洞水流控制閘門后方I?2倍泄洪洞洞徑處，摻氣挑坎坎口兩側(cè)向外突擴(kuò)，增大泄洪洞通流斷面。
[0007]在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，摻氣挑坎的坎階面最好為垂直坎底面的平面；摻氣挑坎坎口兩側(cè)向外突擴(kuò)的突擴(kuò)側(cè)墻最好垂直于泄洪洞軸線方向；摻氣挑坎兩側(cè)的突擴(kuò)側(cè)墻與摻氣挑坎的坎階面最好位于同一垂直平面內(nèi)；摻氣挑坎的坎底最好為一平面。
[0008]本發(fā)明特別優(yōu)選的技術(shù)方案，泄洪洞水流控制閘門采用弧形閘門，摻氣挑坎為直平結(jié)構(gòu)，即摻氣挑坎的坎底面為一直平面，摻氣挑坎的坎階面與兩側(cè)的突擴(kuò)側(cè)墻位于垂直坎底的同一平面內(nèi)。
[0009]采用本發(fā)明的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)向水流摻入空氣，是由設(shè)置在水流流經(jīng)摻氣坎形成的空腔內(nèi)的進(jìn)氣口，通過設(shè)置在摻氣挑坎下游泄洪洞邊墻體內(nèi)的進(jìn)氣孔道與大氣連通，構(gòu)成摻氣通道，向摻氣挑坎下游的水流摻入空氣。
[0010]本發(fā)明提供的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)方案，是基于發(fā)明人深入研究了現(xiàn)有技術(shù)的高水頭泄洪洞明流過流壁面的摻氣保護(hù)布局結(jié)構(gòu)存在的問題而完成的。發(fā)明人深入研究了現(xiàn)有技術(shù)緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎泄洪洞有壓出口附近的水流壓力分布，圖1-C為泄洪洞有壓出口附近水流壓力分布示意圖，其中⑴為沿水流方向中間水流的壓力分布；(ii)為沿水流方向邊墻壁面上的水流壓力分布。水流流經(jīng)有壓出口 4，由有壓流變?yōu)槊髁?，中間水流的壓力在有壓出口前達(dá)到P1，此時壓力較大(一般為數(shù)十米)。水流流經(jīng)有壓出口后，由于摻氣挑坎2兩側(cè)邊壁突然外擴(kuò)，壁面水流壓力P2突然變?yōu)?，而使中間水流擴(kuò)散較急劇，具有較大的擴(kuò)散角a。較大的擴(kuò)散角α —方面會縮短側(cè)空腔5，影響水流摻氣，同時水流與壁面接觸的沖擊角較大。較大的沖擊角，當(dāng)水流撞擊壁面后，部分水流以一定交角歸入主流形成較大沖擊壓力阻礙水流摻氣，另一部分水流反向進(jìn)入側(cè)空腔內(nèi)引起回旋流，該回旋流會沖擊突擴(kuò)側(cè)墻并阻礙側(cè)空腔通氣。
[0011]發(fā)明人深入研究了現(xiàn)有技術(shù)緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎弧形閘門全開和局部開啟情況下的游流態(tài)，圖1-D為弧形閘門全開情況下的下游流態(tài)示意圖，圖1-E為弧形閘門局部開啟情況下的下游流態(tài)示意圖。在弧形閘門全開情況下，水流在流至泄洪洞有壓出口前，上下層的水流流線有向中間靠攏的趨勢，因此中間層的水流壓力最大。流經(jīng)有壓出口后，中間層的水流較上層和下層水流先到達(dá)側(cè)壁，并且在最先接觸側(cè)壁的位置形成側(cè)沖擊帶6。最先觸壁的中間層水流，一部分向下進(jìn)入底空腔10形成回水11，減小了底空腔的長度，影響水流摻氣，另一部分向上形成水翅7。由于上述兩方面原因，摻氣水流被分流，帶走大量摻氣，使得部分邊墻壁上的水流不能有效摻氣(即邊墻壁上的清水區(qū)難以消除)，大大減弱了摻氣效果。在弧形閘門局部開啟(0.2?005倍開度)情況下，有壓出口前的水流流線向下傾角更大，水流中間層的壓力相比于閘門全開時更大，因此泄洪洞下游邊墻壁會受到更大的沖擊，并且底空腔長度更短、底空腔內(nèi)回水進(jìn)一步加劇，有時甚至堵住底空腔側(cè)面的進(jìn)氣口，出現(xiàn)嚴(yán)重水翅等?，F(xiàn)有技術(shù)緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎的結(jié)構(gòu)布局，通過單純增加突擴(kuò)側(cè)墻尺寸很難解決以上問題。實(shí)際工程中采用這種方案，已經(jīng)發(fā)生多起閘門局開時破壞的實(shí)例。
[0012]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎，摻氣挑坎與弧形閘門一體化設(shè)計(jì)存在的問題，提出了閘坎分置式摻氣方案，即將摻氣挑坎設(shè)置在泄洪洞水流控制閘門后方I?2倍泄洪洞洞徑處，水流經(jīng)摻氣挑坎后，水流與摻氣挑坎、泄洪洞底部形成底空腔10，與突擴(kuò)側(cè)墻3、泄洪洞邊墻壁形成側(cè)空腔5，在明流段進(jìn)行摻氣。在本發(fā)明提出的閘坎分置式摻氣方案中，由于水流的壓力在有壓出口變?yōu)槊髁鲿r得到了一次釋放和調(diào)整，經(jīng)調(diào)整后的水流在到達(dá)摻氣挑坎前，同一水深處水流內(nèi)部的壓力與泄洪洞壁面水流壓力均調(diào)整為P30泄洪洞邊墻壁面水流壓力在突擴(kuò)側(cè)墻位置變?yōu)镺。由于P3較有壓出口前的同一水深處水流壓力P1明顯減小很多，因此在突擴(kuò)側(cè)墻位置，橫斷面上的壓差較小，水流的擴(kuò)散相對較為緩和，擴(kuò)散角a'較小，致使側(cè)空腔相對于緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎時的側(cè)空腔長度增加，且水流與泄洪洞壁面的沖擊角較小。側(cè)空腔增大，增加了水流與空腔內(nèi)氣體的接觸面積，有助于水流摻氣；同時水流與泄洪洞邊墻壁面的沖擊角較小，水流與泄洪洞邊墻壁面接觸后能夠相對平順的流向下游，也不會形成較大的沖擊力阻礙摻氣。另外，由于水流在到達(dá)摻氣挑坎前已接近均勻流，因此其流線基本相互平行，無明顯的擠壓作用，因此同一斷面不同高度處的水流在突擴(kuò)側(cè)墻位置的擴(kuò)散角基本相同，因此水流幾乎同時達(dá)到泄洪洞邊墻壁面，中間水流不會上下分離，即不會造成嚴(yán)重的空腔回水和水翅，進(jìn)而保證水流充分摻氣。
[0013]本發(fā)明提出的閘坎分置式摻氣技術(shù)方案，可徹底消除摻氣坎后的清水區(qū)，使摻氣空腔不再受閘門開度的影響，無論閘門的開啟方式如何，水流的流態(tài)均清晰、穩(wěn)定，大大提高了弧形閘門后的防空蝕性能，并使閘門運(yùn)行靈活性得到大幅提升。
[0014]本發(fā)明提供的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，將摻氣挑坎設(shè)置在泄洪洞控流閘門后方I?2倍泄洪洞洞徑處，這種布置方式，完全顛覆了傳統(tǒng)泄洪洞摻氣挑坎的布置方式，帶來了以下十分突出的技術(shù)效果。
[0015]1、將摻氣挑坎設(shè)置在泄洪洞控流閘門后方I?2倍泄洪洞洞徑處，經(jīng)有壓出口后的水流在到達(dá)摻氣挑坎前調(diào)整為壓力較小的均勻流，因此在突擴(kuò)側(cè)墻位置，橫斷面上的壓差較小，水流的擴(kuò)散相對較為緩和，從而增加了側(cè)空腔的長度，并減小了水流與泄洪洞邊墻壁面的沖擊角；增大了的側(cè)空腔，增加了水流與氣體的接觸面積，有助于水流摻氣；同時水流與泄洪洞邊墻壁面的沖擊角較小，水流與泄洪洞邊墻壁面接觸后能夠相對平順的流向下游，也不會形成較大的沖擊力阻礙摻氣。
[0016]2、水流的流動在到達(dá)摻氣挑坎前已接近均勻流，因此其流線基本相互平行，無明顯的擠壓作用，因此同一斷面不同高度處的水流在突擴(kuò)側(cè)墻位置的擴(kuò)散角基本相同，因此水流幾乎同時達(dá)到泄洪洞壁面，中間水流不會上下分離，即不會造成嚴(yán)重的空腔回水和水翅，進(jìn)而保證水流充分摻氣。
[0017]3、將摻氣挑坎設(shè)計(jì)成沿軸向?yàn)橹本€型結(jié)構(gòu)，不需要考慮與閘門結(jié)構(gòu)的配合問題，大大減小了工程量，節(jié)省了人力和物力，降低了施工成本。
[0018]本發(fā)明提出的閘坎分置式摻氣方案，可適用于任何需要摻氣的泄洪洞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1-A為緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎時軸向剖面示意圖；
[0020]圖1-B為緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎時俯視示意圖；
[0021]圖1-C為緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎時泄洪洞有壓出口附近水流壓力分布示意圖；
[0022]圖1-D為緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎時閘門全開情況下的下游流態(tài)示意圖；
[0023]圖1-E為緊接泄洪洞閘門設(shè)置摻氣挑坎時閘門局開情況下的下游流態(tài)示意圖；
[0024]圖2-A為本發(fā)明的泄洪洞閘門與摻氣挑坎分置式結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0025]圖2-B為本發(fā)明的泄洪洞閘門與摻氣挑坎分置式結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
[0026]圖2-C為采用本發(fā)明的泄洪洞閘門與摻氣挑坎分置式結(jié)構(gòu)時泄洪洞有壓出口附近水流壓力分布示意圖；
[0027]圖2-D為采用本發(fā)明的泄洪洞閘門與摻氣挑坎分置式結(jié)構(gòu)時閘門全開情況下的下游流態(tài)示意圖；
[0028]圖2-E為采用本發(fā)明的泄洪洞閘門與摻氣挑坎分置式結(jié)構(gòu)時閘門局開情況下的下游流態(tài)示意圖。
[0029]在上述附圖中，各附圖標(biāo)號標(biāo)識的對象分別為:1-水流控制閘門；2_摻氣挑坎；3-突擴(kuò)側(cè)墻；4_有壓出口 ；5_側(cè)空腔；6_側(cè)沖擊帶；7-水翅；8_清水區(qū)；9_摻氣水流；10-底空腔；11_回水；12_進(jìn)氣孔。

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，并通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的具體描述。有必要在此指出，下面的實(shí)施例只是用于更好地闡述本發(fā)明的工作原理及其實(shí)際應(yīng)用，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將本發(fā)明用于具體試驗(yàn)，根據(jù)特定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。盡管本發(fā)明已通過文字揭露其首選實(shí)施方案，但通過閱讀這些技術(shù)文字說明可以領(lǐng)會其中的可優(yōu)化性和可修改性，并在不偏離本發(fā)明的范圍和精神上進(jìn)行改進(jìn)，但這樣的改進(jìn)應(yīng)仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0031]實(shí)施例1
[0032]本實(shí)施例的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，如附圖2-A至2-E所示，泄洪洞泄洪水頭為80米，控制泄洪洞水流由有壓流變?yōu)槊髁鞯乃骺刂崎l門I為弧形閘門，設(shè)置在泄洪水頭20米處，在泄洪洞水流控制弧形閘門后方1.5倍泄洪洞洞徑處設(shè)置摻氣挑坎2，摻氣挑坎坎口兩側(cè)設(shè)計(jì)有向外突擴(kuò)的突擴(kuò)側(cè)墻3，增大泄洪洞水流通流斷面，摻氣挑坎整體為直平結(jié)構(gòu)，即摻氣挑坎的坎底面為一直平面，摻氣挑坎的坎階面與兩側(cè)的突擴(kuò)側(cè)墻3位于垂直坎底的同一平面內(nèi)，在水流流經(jīng)摻氣坎形成的側(cè)空腔5內(nèi)設(shè)置空氣進(jìn)氣口，空氣進(jìn)氣口通過設(shè)置在摻氣挑坎下游泄洪洞邊墻體內(nèi)的進(jìn)氣孔12與大氣連通，構(gòu)成摻氣通道，水流從有壓出口 4流出后，向摻氣挑坎下游的水流摻入空氣，以保護(hù)摻氣挑坎下游泄洪洞邊墻壁面空蝕破壞。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻氣挑坎(2)設(shè)置在泄洪洞水流控制閘門(I)后方I?2倍泄洪洞洞徑處，摻氣挑坎坎口兩側(cè)向外突擴(kuò)，增大泄洪洞水流通流斷面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻氣挑坎的坎階面為垂直坎底面的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，摻氣挑坎坎口兩側(cè)向外突擴(kuò)的突擴(kuò)側(cè)墻(3)垂直于泄洪洞軸線方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，摻氣挑坎兩側(cè)的突擴(kuò)側(cè)墻與摻氣挑坎的坎階面位于同一垂直平面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻氣挑坎的坎底為一平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述泄洪洞水流控制閘門為弧形閘門。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于高水頭泄洪洞的摻氣挑坎布置結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述泄洪洞水流控制閘門(I)為弧形閘門。
【文檔編號】E02B8/06GK104195997SQ201410330716
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】鄧軍, 許唯臨, 劉善均, 曲景學(xué), 王韋, 張建民, 田忠, 張法星, 段鴻鋒 申請人:四川大學(xué)