一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅三維摻氣設(shè)施的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利水電工程泄水建筑物中的一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅新型三維 摻氣設(shè)施，主要用于在滿足一定摻氣效果的前提下，遏制水翅發(fā)生，減免水翅危害，滿足工 程安全等需要。
【背景技術(shù)】
[0002] 水利水電工程常常需要通過泄洪洞、溢洪道等泄水建筑物，來實現(xiàn)庫區(qū)和下游河 道的水流銜接以及洪水宣泄。近年來隨著水利水電工程建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，高壩、大泄量 等特性導(dǎo)致泄水建筑物的高速水流問題尤其是空化空蝕問題日趨突出，逐漸成為危害整個 水電工程安全和穩(wěn)定的一大難題。目前工程上對上述問題的解決方法主要是通過在泄水建 筑物上設(shè)置摻氣設(shè)施來實現(xiàn)人工強迫摻氣從而避免空蝕破壞的發(fā)生。早期通常在泄水建筑 物底板上設(shè)置摻氣設(shè)施，工程實踐證明摻氣設(shè)施是避免空蝕破壞的有效措施。然而，2001 年二灘水電站1號泄洪洞在經(jīng)歷了 1843. 77小時，約152億m3/s流量的長時間大泄量運行 后，汛后檢查發(fā)現(xiàn)1號洞2號摻氣坎下游約400米范圍內(nèi)的邊墻和底板均遭到了嚴(yán)重空蝕 破壞，邊墻和底板混凝土全部剝離，基巖外露，另外有300多米邊墻和底板遭到磨損，局部 沖坑深度達(dá)19米。經(jīng)分析，僅在泄水建筑物底板設(shè)置摻氣設(shè)施還不能完全保證避免空蝕破 壞，在泄水建筑物底板設(shè)置摻氣設(shè)施的同時在側(cè)墻上增設(shè)摻氣設(shè)施是必要的。二灘水電站 1號泄洪洞修復(fù)中在側(cè)墻上增設(shè)了摻氣設(shè)施，避免了空蝕破壞的再次發(fā)生。因此，在大型泄 水建筑物的底板和側(cè)墻同時設(shè)置摻氣設(shè)施（稱之為三維摻氣設(shè)施）形成了業(yè)內(nèi)共識。
[0003] 然而，三維摻氣設(shè)施容易引發(fā)水翅，水翅抬高水面線并可能竄至泄洪洞洞頂，或翻 越邊墻沖擊建筑物地基從而威脅整個結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。因此，對于三維摻氣設(shè)施的結(jié)構(gòu) 設(shè)計，如何在保證充分摻氣效果的同時控制和避免水翅發(fā)生，是目前設(shè)計人員亟需解決的 重點和難點問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 如圖1所示，傳統(tǒng)三維摻氣設(shè)施由底摻氣坎（1)(渠道底板突然下跌形成的跌坎） 和側(cè)摻氣坎（2)(渠道邊墻突然擴大形成的突擴）組成，且底板下跌與側(cè)墻突擴設(shè)置在同一 斷面。高速水流經(jīng)過三維摻氣設(shè)施后在下游底板及側(cè)墻產(chǎn)生底空腔（3)和側(cè)空腔（4)，由專 門設(shè)計的通風(fēng)系統(tǒng)源源不斷地向空腔內(nèi)供氣，達(dá)到向水流中摻氣以減免泄水建筑物發(fā)生空 化空蝕破壞。其中，L d為底空腔長度，L。為側(cè)空腔長度。當(dāng)射流底板撞擊點（5)位于射流 側(cè)墻撞擊點（6)的上游時，即滿足公式（1):
[0005] Le>Ld ⑴
[0006] 此時，射流撞擊底板后向上反彈，順著側(cè)空腔噴濺出水面，形成水翅。
[0007] 本發(fā)明提出一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅三維摻氣設(shè)施，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示， 包括：底摻氣坎（1)，向上游前置的突擴式側(cè)摻氣坎（7)，水流經(jīng)過摻氣坎后形成底空腔（3) 和側(cè)空腔（4)，1^為底空腔長度，L。為側(cè)空腔長度，LfS側(cè)摻氣坎后退的距離。其特征在于： 在傳統(tǒng)泄水建筑物底板及側(cè)墻分別設(shè)置底摻氣坎和側(cè)摻氣坎的基礎(chǔ)上，通過將側(cè)摻氣坎位 置由傳統(tǒng)的與底摻氣坎平齊處向上游移動，從而使側(cè)空腔的尾部位置始終位于底摻氣空腔 的上游，即使射流側(cè)墻撞擊點始終在射流底板撞擊點的上游，減免水翅危害的發(fā)生。
[0008] 圖3中虛線所示部分為傳統(tǒng)三維摻氣設(shè)施中的突擴式側(cè)摻氣坎，其與底摻氣坎處 于同一斷面。在本發(fā)明中將原側(cè)摻氣坎向上游方向移動，移動距離為L f，形成前置的突擴式 側(cè)摻氣坎（7)。此時側(cè)摻氣腔起點與底空腔起點不在同一斷面，而是向上游移動了 Lf，同時 側(cè)空腔長度L。基本不變，側(cè)空腔整體隨之向上游平移，射流與側(cè)墻撞擊點（6)亦隨之向上 游移動，移動距離也SL f。若避免水翅發(fā)生，要求射流底板撞擊點（5)在射流側(cè)墻撞擊點 (6)的上游，即滿足公式（2):
[0009] Lc-Lf<Ld (2)
[0010] 此時，射流撞擊到底板后沒有可利用的側(cè)空腔向上竄濺，水翅得以避免。因此，本 發(fā)明能顯著優(yōu)化泄水建筑物流態(tài)，避免水流脈動及建筑物的結(jié)構(gòu)振動，同時提高摻氣設(shè)施 的空蝕防止效果。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0012] (1)結(jié)構(gòu)布置簡單；
[0013] (2)減免水翅效果顯著；
[0014] (3)優(yōu)化泄水建筑物水流流態(tài)，避免水流脈動；
[0015] (4)控制建筑物的結(jié)構(gòu)振動及水流對邊墻的破壞，
[0016] (5)提高摻氣設(shè)施的空蝕防止效果。
[0017] 本發(fā)明對于水利水電工程泄水建筑物的空蝕防治和工程的安全運行是十分重要 的。本發(fā)明力求通過簡單的結(jié)構(gòu)體型改變，從而達(dá)到減免由側(cè)向摻氣設(shè)施引起的水翅危害 的目的。本項發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單易行，有效性也已得到試驗驗證，可以在滿足工程所需摻氣效果 的前提下，減免水翅危害的發(fā)生，最終保證泄水建筑物結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。
[0018] 本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特點，將通過下面優(yōu)先實施例的非限制性說明進行圖示和 解釋，這些實施例是參照附圖僅作為例子給出的。
【附圖說明】
[0019] 圖1是傳統(tǒng)突擴式側(cè)摻氣坎幾何參數(shù)示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明側(cè)坎前置防水翅三維摻氣設(shè)施幾何參數(shù)示意圖。
[0021] 圖中：（1)代表底摻氣坎，（2)代表突擴式側(cè)摻氣坎，（3)代表底空腔，（4)代表側(cè)空 腔，（5)代表射流底板撞擊點，（6)代表射流側(cè)墻撞擊點，（7)代表前置的突擴式側(cè)摻氣坎， Ld為底空腔長度，L。為側(cè)空腔長度，L f為側(cè)坎后退的距離，t 為突擴式側(cè)坎高度。
[0022] 圖3是工程實施例1當(dāng)上游水位為785m時方案1的實驗照片。
[0023] 圖4是工程實施例1當(dāng)上游水位為785m時方案2的實驗照片。
[0024] 圖5是工程實施例1當(dāng)上游水位為785m時方案3的實驗照片。
[0025] 圖6是工程實施例1當(dāng)上游水位為805m時方案1的實驗照片。
[0026] 圖7是工程實施例1當(dāng)上游水位為805m時方案2的實驗照片。
[0027] 圖8是工程實施例1當(dāng)上游水位為805m時方案3的實驗照片。
【具體實施方式】
[0028] 本發(fā)明所述的一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅三維摻氣設(shè)施，即在傳統(tǒng)泄水建筑物底 板及側(cè)墻分別設(shè)置底摻氣坎和側(cè)摻氣坎的基礎(chǔ)上，通過將側(cè)摻氣坎位置由傳統(tǒng)的與底摻氣 坎平齊處向上游移動，從而使側(cè)空腔的尾部位置始終位于底摻氣空腔的上游，即使射流側(cè) 墻撞擊點始終在射流底板撞擊點的上游，減免水翅危害的發(fā)生。
[0029] 本發(fā)明所述的一種三維摻氣設(shè)施，其布置圖參照圖2,包括：底摻氣坎（1)，向上游 前置的突擴式側(cè)摻氣坎（7)，水流經(jīng)過摻氣坎后形成底空腔（3)和側(cè)空腔（4)，L dS底空腔 長度，L。為側(cè)空腔長度，LfS側(cè)摻氣坎后退的距離。傳統(tǒng)三維摻氣設(shè)施（見圖1)側(cè)摻氣坎 ⑵與底摻氣坎⑴位于同一斷面，在本發(fā)明中將其向上游移動（前置），見圖2中的（7)。
[0030] 若避免水翅發(fā)生，要求射流底板撞擊點（5)在射流側(cè)墻撞擊點（6)的上游。因此， 側(cè)摻氣坎向上游移動的距離L f要求滿足公式（2):
[0031] Lc-Lf<Ld (2)
[0032] 本項發(fā)明在傳統(tǒng)三維摻氣設(shè)施結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過側(cè)摻氣坎前置，有效減免了水 翅的發(fā)生，優(yōu)化了泄水建筑物摻氣坎后的水流流態(tài)，避免了水流脈動及建筑物的結(jié)構(gòu)振動， 同時提高了摻氣設(shè)施的空蝕防止效果。
[0033] 下面結(jié)合一個工程實施例對本發(fā)明作出更為詳細(xì)的說明。
[0034] 白鶴灘3號泄洪洞由進口閘門段、緩坡段、龍落尾段和出口消能段組成，原型長 為2170. 00m，進口為短有壓進水口，控制閘門尺寸15. 00mX9. 50m(寬X高），進口底高程 770. 00m，出口高程為650. 00m，龍落尾段坡度為1:4. 0,設(shè)置4道底摻氣坎加側(cè)摻氣坎的三 維摻氣設(shè)施進行摻氣減蝕。第一道摻氣設(shè)施距離龍落尾起點處的水平距離和垂直距離分別 為78. 87m和12. 30m。原設(shè)計方案中，每道摻氣設(shè)施的底摻氣坎和側(cè)摻氣坎均位于同一斷面 上，在運行過程中，由于側(cè)摻氣空腔和底空腔不匹配，導(dǎo)致?lián)綒庠O(shè)施后總是產(chǎn)生一定程度的 水翅，存在較嚴(yán)重的安全隱患。
[0035] 工程各特征水位為，死水位：765. OOm ;正常蓄水位：825. OOm ;設(shè)計洪水位： 827. 83m ;校核洪水位：832. 34m ;防洪限制水位：785. 00m。
[0036] 本實施例根據(jù)上述泄洪洞布置形式及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計1:40比尺物理模型進行摻氣 減蝕試驗，在相同來流條件下，僅改變龍落尾段第一道摻氣設(shè)施側(cè)摻氣坎的位置，通過研宄 對應(yīng)的水翅特性，驗證本發(fā)明的有效性。
[0037] 在上述模型中，通過將龍落尾段第一道摻氣設(shè)施的側(cè)摻氣坎向上游移動不同的距 離Lf，從而設(shè)計了方案1、方案2及方案3。方案1采用傳統(tǒng)三維摻氣設(shè)施結(jié)構(gòu)形式，即把側(cè) 摻氣坎和底摻氣坎布置在同一斷面上；方案2和方案3在保持其他體型參數(shù)不變的前提下， 將側(cè)摻氣坎分別向上游移動0· 8m及I. 6m(即Lfl= 0m，Lf2= 0· 8m，Lf3= I. 6m)。方案1、 方案2及方案3的側(cè)坎坎高均為0. 35m。實驗得到當(dāng)上游庫水位為785m和805m時方 案1、方案2及方案3的原型水翅高度、長度數(shù)據(jù)如表1所示，其對應(yīng)的流態(tài)照片如圖3-8所 示，圖中橢圓標(biāo)記處為產(chǎn)生的水翅。
[0038] 表 1
[0039]
【主權(quán)項】
1. 一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅三維摻氣設(shè)施，包括：底摻氣坎，向上游前置的突擴式 側(cè)摻氣坎，水流經(jīng)過摻氣坎后形成底空腔和側(cè)空腔，其特征在于：在傳統(tǒng)泄水建筑物底板及 側(cè)墻分別設(shè)置底摻氣坎和側(cè)摻氣坎的基礎(chǔ)上，通過將側(cè)摻氣坎位置由傳統(tǒng)的與底摻氣坎平 齊處向上游移動，從而使側(cè)空腔的尾部位置始終位于底摻氣空腔的上游，即使射流側(cè)墻撞 擊點始終在射流底板撞擊點的上游。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅三維摻氣設(shè)施，其特征在于：所 述的底空腔，側(cè)空腔，側(cè)摻氣坎后退的距離滿足下式 Lc_Lf〈Ld 式中：Ld為底空腔長度，L。為側(cè)空腔長度，Lf為側(cè)摻氣坎后退的距離。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種側(cè)摻氣坎前置的防水翅三維摻氣設(shè)施。在泄水建筑物的底板及側(cè)墻分別設(shè)置底摻氣坎和側(cè)摻氣坎的三維摻氣設(shè)施基礎(chǔ)上，通過將側(cè)摻氣坎向上游前置這一簡單的體型調(diào)整，使側(cè)摻氣空腔的尾部位置始終位于底摻氣空腔的上游，達(dá)到減免水翅危害發(fā)生的目的，避免因水翅引起的水流脈動及建筑物的結(jié)構(gòu)振動，同時提高了摻氣設(shè)施的空蝕防止效果，從而在水利水電工程泄水建筑物中的設(shè)計和運行中得到良好的運用。
【IPC分類】E02B8-06
【公開號】CN104631397
【申請?zhí)枴緾N201510102536
【發(fā)明人】吳建華, 馬飛, 黃秋君, 錢尚拓, 姚莉
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年3月9日