本發(fā)明涉及一種琴鍵堰流式分級(jí)消能消泡虹吸井和方法，是一種水工設(shè)施和方法，是一種環(huán)保設(shè)施和方法。

背景技術(shù)：

采用直流冷卻方式的濱海火電或核電站，一般都設(shè)有排水虹吸井，以利用虹吸作用降低水泵揚(yáng)程，節(jié)省能源。虹吸井內(nèi)設(shè)有頂高程超過(guò)平均潮位的出流堰，以減輕外海潮位變化對(duì)虹吸井上游段的影響。這些堰多采用薄壁堰、實(shí)用堰和寬頂堰等堰頂自由溢流排水，造成堰后跌水過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的水氣摻混，從而產(chǎn)生不易破滅的微黃色泡沫，形成泡沫污染區(qū)，飛濺的含鹽水霧也會(huì)腐蝕排水口附近的金屬結(jié)構(gòu)物，而且許多電站設(shè)計(jì)時(shí)為了降低工程量，設(shè)計(jì)的虹吸井尺寸往往偏小，導(dǎo)致堰上水流的流態(tài)較差，更加劇了泡沫的產(chǎn)生。這些泡沫一旦隨水流進(jìn)入排水口附近海域，將會(huì)形成泡沫污染區(qū)，形成視覺污染，影響電站附近的海域環(huán)境。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)虹吸井體型為不設(shè)置均流墩的直角進(jìn)水口。這種標(biāo)準(zhǔn)體型對(duì)于尺寸較大的虹吸井是合適的，雖然是直角進(jìn)水口，但是如果虹吸井尺寸較大，水流運(yùn)動(dòng)路徑較長(zhǎng)，水流可以充分調(diào)整流線，使得過(guò)堰水體較為平順。現(xiàn)有的虹吸井工程，為節(jié)省成本，降低土石方工程量，尺寸往往較?。晒?jié)省投資少則數(shù)千萬(wàn)，多則上億），這帶來(lái)的問(wèn)題是：堰前流態(tài)很差，存在陣發(fā)性的水體壅高，過(guò)堰水體紊動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)堰后消泡帶來(lái)不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種琴鍵堰流式分級(jí)消能消泡虹吸井和方法。所述的虹吸井和方法，在已有虹吸井的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)行一些體形上的改進(jìn)和增加一些水工設(shè)施，可大大減少了虹吸井排出的水中的氣泡，減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種琴鍵堰流式分級(jí)消能消泡虹吸井，包括：進(jìn)水口、井體和出水口，所述的井體中部設(shè)有溢流堰，將井體分為堰前段和堰后段，所述的進(jìn)水口和出水口分別與堰前段和堰后段的底部連接，所述的堰前段為漸變擴(kuò)散式，出水口正前方設(shè)置多個(gè)均流墩，所述的溢流堰為琴鍵堰，所述的堰后段設(shè)置多層水平孔板和豎直孔板。

進(jìn)一步的，多個(gè)所述的均流墩為交錯(cuò)布置的雙層均流墩。

進(jìn)一步的，所述均流墩的水平截面形狀為矩形。

進(jìn)一步的，各所述的水平孔板的上游端與溢流堰后壁連接，第一層水平孔板距離堰頂一段距離設(shè)置，其他層水平孔板依次向井底延伸平行排列；各所述的豎直孔板沿水流方向平行設(shè)置，各豎直孔板的底端與各層水平孔板的下游端保持一定距離設(shè)置，使各層水平孔板與各層豎直孔板形成L形。

進(jìn)一步的，各所述的豎直孔板頂部平齊，豎直孔板頂部的高度高于堰頂高程+過(guò)堰水體水深。

進(jìn)一步的，水平孔板和豎直孔板分別為三層。

進(jìn)一步的，所述的水平孔板下游端與豎直孔板底端之間的距離為10-20cm。

進(jìn)一步的，溢流堰上均布多個(gè)用于支撐孔板的支墩，所述支墩的高度與豎直孔板平齊。

進(jìn)一步的，所述的支墩前后均采用圓弧。

一種使用上述虹吸井的琴鍵堰流式分級(jí)消能消泡方法，所述方法的步驟如下：

分流的步驟：用于水流從進(jìn)水涵管流入井體時(shí)，在出口處遇到多個(gè)分流墩，將水分為多股股水流；

擴(kuò)散的步驟：用于水流分為多股水流后在漸變擴(kuò)散式堰前段的作用下水流擴(kuò)散開來(lái)，引導(dǎo)水流均勻、平穩(wěn)的到達(dá)琴鍵堰的堰頂，利用琴鍵溢流堰提高過(guò)堰水流的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，顯著增大流量系數(shù)，降低堰上作用水頭和出流跌落落差，減緩水流的跌落過(guò)程和氣泡的產(chǎn)生；

孔板消能的步驟：用于水流經(jīng)過(guò)堰頂進(jìn)入第一層水平孔板和豎直孔板圍護(hù)的第一層消能區(qū)，在第一層消能區(qū)中，在水平孔和豎直孔板的作用下，水流產(chǎn)生繞水平軸的旋流，旋轉(zhuǎn)的水流產(chǎn)生消能作用，同時(shí)使水中溶解的空氣析出形成氣泡，同時(shí)水流通過(guò)水平孔板和豎直孔板上的孔進(jìn)入第二層消能區(qū)，在第二層消能中，第二層水平孔板和第二層豎直孔板同樣使水流產(chǎn)生繞水平軸的旋流，在消能的同時(shí)使得氣泡在短距離之內(nèi)，能上浮至水面、破裂；水流最終通過(guò)所有層的水平孔板和豎直孔板，流向出水口；

采用三層孔板消能的另外一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了水體低紊動(dòng)強(qiáng)度下的分級(jí)跌落消能，第一級(jí)消能水體跌落少，紊動(dòng)強(qiáng)度低，水氣摻混不劇烈，且第一級(jí)孔板又可隔絕后兩層孔板消能過(guò)程中水體與大氣的接觸，在總體上極大地減小了大氣和水體的水氣摻混強(qiáng)度和接觸面積，可有效減少水體中的氣泡數(shù)量，避免泡沫的形成。

流出井體的步驟：用于經(jīng)過(guò)消能和消泡的水流通過(guò)出水口進(jìn)入出水涵管排出。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明在堰前段采用漸變擴(kuò)散式的井體，在出水口處還設(shè)立多個(gè)均流墩，將薄壁堰改為琴鍵堰，在堰后設(shè)置多層孔板，通過(guò)井體體形上的改進(jìn)和增加孔板等水工設(shè)施，可大大減少了虹吸井排出的水中的氣泡，減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響。使用本發(fā)明所述的虹吸井和方法可以在排除氣泡污染的干擾，實(shí)現(xiàn)相對(duì)清潔排水的前提下，大大減少虹吸井的工程量，降低建造成本，節(jié)約人力物力。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一、八所述虹吸井的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一、八所述虹吸井的立面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

本實(shí)施例是一種琴鍵堰流式分級(jí)消能消泡虹吸井，如圖1、2所示。本實(shí)施例包括：進(jìn)水口1、井體2和出水口3，所述的井體中部設(shè)有溢流堰4，將井體分為堰前段201和堰后段202，所述的進(jìn)水口和出水口分別與堰前段和堰后段的底部連接，所述的堰前段為漸變擴(kuò)散式，出水口正前方設(shè)置多個(gè)均流墩5，所述的溢流堰為琴鍵堰，所述的堰后段設(shè)置多層水平孔板6和豎直孔板7。

本實(shí)施例所述的虹吸井的堰前采用漸變擴(kuò)散+均流墩的設(shè)計(jì)型式。集中于虹吸井中部的水體首先經(jīng)過(guò)均流墩的分流作用下擴(kuò)散開來(lái)，再利用堰前漸變擴(kuò)散的體形進(jìn)一步引導(dǎo)水流均勻、平穩(wěn)到達(dá)琴鍵堰頂，提高堰前流態(tài)的平穩(wěn)性，使得進(jìn)水口進(jìn)入虹吸井的水體能夠均勻擴(kuò)散，并將薄壁堰改為琴鍵堰，增加過(guò)流面積，易于消泡。

虹吸井堰前為漸變擴(kuò)散式井體。所謂漸變擴(kuò)散式井體是指兩側(cè)的邊墻與水流方向成一定的角度，形成喇叭形的擴(kuò)口，使水流可以從集中的出口擴(kuò)散開來(lái)，防止水流的壅塞。由于采用漸變擴(kuò)散式井體，切去了矩形井體的兩側(cè)直角，可以減少大量的土方量，降低工程成本。

在靠近進(jìn)水口位置設(shè)置多個(gè)均流墩，使得從進(jìn)水口進(jìn)入虹吸井內(nèi)的水體能夠快速擴(kuò)散，過(guò)堰水體穩(wěn)定。均流墩可以是各種形狀的，如：矩形墩、圓形墩、三角墩等，這些描述幾何形狀定語(yǔ)，說(shuō)明的是這些墩的水平截面的形狀。

均流墩不是一個(gè)墩，而是過(guò)多成組出現(xiàn)的，可以設(shè)置為多排，每排多個(gè)，各排均流墩交錯(cuò)排列。每排均流墩的數(shù)量根據(jù)水流方向逐漸增加，如：第一排設(shè)置兩個(gè)，第二排設(shè)置三個(gè)，第三排設(shè)置四個(gè)，以金字塔形排列。根據(jù)需要可以排列2-3排均流墩。

溢流堰設(shè)置在虹吸井的中部，攔腰將虹吸井分割量部分：堰前段和堰后段。溢流堰的高度與常規(guī)的虹吸井溢流堰高度相仿。

本實(shí)施例所述的虹吸井與傳統(tǒng)虹吸井一個(gè)顯著的不同是，將傳統(tǒng)虹吸井使用的薄壁堰溢流堰改為琴鍵溢流堰，簡(jiǎn)稱琴鍵堰。琴鍵堰是一種水平截面類似帶有垛口城墻的折線形，或類似琴鍵均勻的高低錯(cuò)落。利用琴鍵堰的折線形狀，提高過(guò)堰水流的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，顯著增大流量系數(shù)，降低堰上作用水頭和出流跌落落差，減緩水流的跌落過(guò)程和氣泡的產(chǎn)生。

堰后設(shè)置多層“L”型阻流孔板，用于分層消能，減少堰后水體跌落過(guò)程中的水氣摻混，進(jìn)一步避免泡沫的形成。所謂“L”型阻流孔板是指在水平孔板的一端設(shè)置豎直孔板形成L形。所述的孔板即在板面上均勻地布置通孔。

虹吸井中泡沫的產(chǎn)生核心原因是水體跌落過(guò)程中形成的強(qiáng)烈的水氣摻混。避免虹吸井中泡沫的產(chǎn)生的方法之一是消減堰前跌落水流入水前的速度，避免強(qiáng)烈的水氣摻混過(guò)程的形成。多層“L”型孔板便是基于上述思想而形成的新的消泡措施?？装迮c實(shí)心擋板不同，它具有一定的流體阻力，同時(shí)也可以通過(guò)孔洞過(guò)流。過(guò)堰水體遇到“L”型孔板后會(huì)形成強(qiáng)度較小的消能區(qū)消減部分能量（大強(qiáng)度的旋滾消能會(huì)大量攙氣，導(dǎo)致泡沫的形成），水流通過(guò)孔洞時(shí)流速升高、過(guò)孔洞后流速降低的這一過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生消能作用。通過(guò)設(shè)置多層“L”型孔板完成水體跌落過(guò)程中的分級(jí)、分步消能過(guò)程，避免水流流速過(guò)大導(dǎo)致的強(qiáng)水氣摻混。

“L”型孔板可以設(shè)施2-4層或更多，常見的虹吸井寬度在15m左右的虹吸井，選擇3層孔板比較適中。

“L”型孔板中的水平孔板和豎直孔板可以不完全接觸在一起的，以避免砂石沉積。

“L”型孔板的高度設(shè)置上需保證在最不利的最大流量和最低外海潮位下有3層孔板起到作用，孔板頂部高度不宜低于堰頂高程+過(guò)堰水體水深。

為增強(qiáng)孔板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以在虹吸井堰后增設(shè)幾個(gè)支墩，用于固定阻流孔板。支墩為沿水流方向延伸的墻體，其走向與溢流堰垂直。為使水流順暢，避免干擾水流，支墩前后可以采用圓弧設(shè)計(jì)，以降低水流阻力，同時(shí)避免結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致的水流紊動(dòng)。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于均流墩的細(xì)化。本實(shí)施例多個(gè)所述的均流墩為交錯(cuò)布置的雙層均流墩。

本實(shí)施例所述的多個(gè)均流墩排布在出水口處，所謂雙層是兩排均流墩的意思，靠近出水口的一排數(shù)量較少，后面的一排數(shù)量較多，如圖1所示的兩排均流墩，第一排三個(gè)均流墩，第二排四個(gè)均流墩。兩排的均流墩交錯(cuò)排列，即后面均流墩在前面的兩個(gè)均流墩之間，以起到更好的均流作用。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于均流墩排列的細(xì)化。本實(shí)施例所述均流墩的水平截面形狀為矩形。

均流墩的水平截面形狀有多種，如：圓形、三角形，正方形、長(zhǎng)方形等，本實(shí)施例采取水平截面為正方形的均流墩。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于孔板的細(xì)化。本實(shí)施例各所述的水平孔板的上游端與溢流堰后壁連接，第一層水平孔板距離堰頂一段距離設(shè)置，其他層水平孔板依次向井底延伸平行排列；各所述的豎直孔板沿水流方向平行設(shè)置，各豎直孔板的底端與各層水平孔板的下游端保持一定距離設(shè)置，使各層水平孔板與各層豎直孔板形成L形。

本實(shí)施例所述的水平孔板和豎直孔板的位置設(shè)置形成“L”形，多層孔板形成多個(gè)“L”的疊放，并在各“L”層之間形成一定的空間，以便水流在“L”之間的空間翻滾消能。

水平孔板與豎直孔板之間設(shè)置縫隙（可以設(shè)計(jì)在10cm-20cm）的目的是防止海水中的泥沙、藻類、貝殼等在孔板處形成沉淀，進(jìn)而造成孔板堵塞，減少孔板的使用效果，并在后期的運(yùn)行階段增加維護(hù)費(fèi)用。

實(shí)施例五：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于孔板的細(xì)化。本實(shí)施例各所述的豎直孔板頂部平齊，豎直孔板頂部的高度高于堰頂高程+過(guò)堰水體水深。

由于各層豎直孔板的頂部高度平齊，而底部要與相應(yīng)的水平孔板相接近，所以各層豎直孔板沿水流方向的高度一塊比一塊高，向水下延伸。而各水平孔板也是沿水深方向一塊比一塊長(zhǎng)，隨著深度的增加，沿水流方向增加。

實(shí)施例六：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于孔板的細(xì)化。本實(shí)施例水平孔板和豎直孔板分別為三層。

本實(shí)施例對(duì)于寬度（兩面?zhèn)葔χg的最大距離）為15米的虹吸井，比較適合。

實(shí)施例七：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于孔板的細(xì)化。本實(shí)施例所述的水平孔板下游端與豎直孔板底端之間的距離為10-20cm。

本實(shí)施例所述的水平孔板和豎直孔板之間的距離，是“L”形頂角處的開口，是水平孔板與豎直孔板分離之間的縫隙。

實(shí)施例八：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于孔板的細(xì)化。本實(shí)施例溢流堰上均布多個(gè)用于支撐孔板的支墩8，所述支墩的高度與豎直孔板平齊，如圖1、2所示。

當(dāng)溢流堰較長(zhǎng)，也就是說(shuō)，虹吸井的寬度較大時(shí)，孔板本身的強(qiáng)度不足以抗拒水流的沖擊，容易產(chǎn)生彎曲甚至斷裂。為此可以在溢流堰上設(shè)置支墩。這些支墩的走向與溢流堰垂直，用鋼筋混凝土澆筑而成，其堅(jiān)固的程度完全可以支撐孔板，防止其彎曲。

實(shí)施例九：

本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于支墩的細(xì)化。本實(shí)施例所述的支墩前后均采用圓弧。

為減少支墩對(duì)水流的干擾，支墩的頭部和尾部可以采用圓弧形，或者流線型等其他對(duì)水流干擾較少的形狀。

實(shí)施例十：

本實(shí)施例是一種使用上述虹吸井的琴鍵堰流式分級(jí)消能消泡方法，所述方法的步驟如下：

分流的步驟：用于水流從進(jìn)水涵管流入井體時(shí)，在出口處遇到多個(gè)均流墩，將水流分為多股水流。設(shè)置快速分流的目的是減少水流擴(kuò)散距離，可以減少堰前段的體積，減少水流在堰前段的壅塞，多股水流可以適應(yīng)琴鍵堰的各個(gè)缺口，增加水流面積。

擴(kuò)散的步驟：用于水流從進(jìn)水涵管流入井體時(shí)，在出口處遇到多個(gè)分流墩，將水分為多股股水流。水流分為多股水流后在漸變擴(kuò)散式堰前段的作用下水流擴(kuò)散開來(lái)，引導(dǎo)水流均勻、平穩(wěn)的到達(dá)琴鍵堰的堰頂，利用琴鍵溢流堰提高過(guò)堰水流的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，顯著增大流量系數(shù)，降低堰上作用水頭和出流跌落落差，減緩水流的跌落過(guò)程和氣泡的產(chǎn)生。

孔板消能的步驟：用于水流經(jīng)過(guò)堰頂進(jìn)入第一層水平孔板和豎直孔板圍護(hù)的第一層消能區(qū)，在第一層消能區(qū)中，在水平孔和豎直孔板的作用下，水流產(chǎn)生繞水平軸的旋流，旋轉(zhuǎn)的水流產(chǎn)生消能作用，同時(shí)使水中溶解的空氣析出形成氣泡，同時(shí)水流通過(guò)水平孔板和豎直孔板上的孔進(jìn)入第二層消能區(qū)，在第二層消能中，第二層水平孔板和第二層豎直孔板同樣使水流產(chǎn)生繞水平軸的旋流，在消能的同時(shí)使得氣泡在短距離之內(nèi)，能上浮至水面、破裂；水流最終通過(guò)所有層的水平孔板和豎直孔板，流向出水口。水流在孔板之間形成水平軸的旋流，即可以產(chǎn)生阻力，也可以產(chǎn)生均流作用，使得氣泡在短距離內(nèi)上浮至水面。

孔板的阻力損失原理為：流體在各孔內(nèi)收縮，使過(guò)孔時(shí)的流速增大，流向發(fā)生改變，流體流出孔時(shí)再一次發(fā)生流速和流向的改變，進(jìn)而產(chǎn)生水頭損失。

對(duì)于多孔孔板，當(dāng)孔邊為銳邊時(shí)（），單個(gè)孔板的水頭損失系數(shù)可用下式計(jì)算（雷諾數(shù)Re>10⁵）

式中：l為孔板的厚度，，為一個(gè)孔的面積，為孔的濕周，，F(xiàn)₁為孔板的總面積。

當(dāng)孔邊為厚邊時(shí)（），單個(gè)孔板的水頭損失系數(shù)可用下式計(jì)算（雷諾數(shù)Re>10⁵）

式中：。

“L”型孔板中旋滾消能區(qū)的消能強(qiáng)度相對(duì)于常規(guī)的水躍消能的強(qiáng)度小，以減少?gòu)?qiáng)烈的水氣摻混消能過(guò)程，避免泡沫的產(chǎn)生?？装宄哂邢茏饔猛?，還具有很好的均流特性，通過(guò)孔板后，虹吸井中的水流流速分布均勻，進(jìn)一步使得氣泡在短距離之內(nèi)即能上浮至水面、破裂，進(jìn)一步避免外海泡沫污染帶的形成。

利用孔板的均流作用使得氣泡在短距離內(nèi)上浮至水面的原理如下：

氣泡從虹吸井從水中上浮到水面時(shí)，氣泡水平方向的運(yùn)動(dòng)距離S_b可用下式計(jì)算：

(1)

其中：V_b為氣泡隨水流的運(yùn)動(dòng)速度，t為氣泡從虹吸井從水中上浮到水面的時(shí)間，H為氣泡和水面之間的距離，V_u為氣泡的上浮速度。

氣泡的上浮速度可認(rèn)為恒定為0.4m/s，因此：

(2)

氣泡和水面之間的距離和水流的運(yùn)動(dòng)速度越小意味著氣泡水平方向的運(yùn)動(dòng)距離S_b越小。H取決于外海潮位，要想防止氣泡盡快浮至水面而不通過(guò)下游箱涵進(jìn)入外海，需要降低堰后水流流速V_b。

流出井體的步驟：用于經(jīng)過(guò)消能和消泡的水流通過(guò)出水口進(jìn)入出水涵管排出。一個(gè)平穩(wěn)的消能和消泡之后，水流中產(chǎn)生氣泡的空氣大大減少，可以十分平穩(wěn)的排出，而不會(huì)產(chǎn)生形成泡沫污染區(qū)。

最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案（比如孔板的形式、虹吸井的形式，步驟的先后順序等）進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。