一種“燕尾坎+貼坡”摻氣方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種泄水流道摻氣體型設(shè)置方法，尤其是解決大單寬、小底坡、低Fr數(shù)長明流泄水流道的摻氣難題。
【背景技術(shù)】
[0002]隧洞泄洪在水利水電工程中被廣泛采用，按照布置形式可分為龍?zhí)ь^式、龍落尾式和一坡到底等方式。進(jìn)出口高差較大時(shí)，常采用龍?zhí)ь^和龍落尾式；高差較小時(shí)，縱向落差受限，洞身坡度較緩。無論哪種布置型式，由于泄洪隧洞一般單寬流量大、流速高，易產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象，需要設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。根據(jù)布置形式不同，摻氣設(shè)施可分為坎式、槽式、突擴(kuò)式、貼坡式和混合式。其中，摻氣坎(槽)具有體型簡單、對水流擾動(dòng)小、便于通氣孔布置等特點(diǎn)，工程上常采用布置摻氣坎(槽)的方法解決泄水流道摻氣減蝕問題。
[0003]對于陡坡水流(如龍?zhí)ь^或龍落尾段)，底板坡度大、流速高、Fr數(shù)大，在隧洞底板上設(shè)置摻氣坎容易形成穩(wěn)定空腔，不易產(chǎn)生回流積水，摻氣效果好。但對于大單寬、小底坡、低Fr數(shù)泄流建筑物設(shè)置摻氣坎極其困難:單寬流量大，水深大，受重力影響顯著，挑坎處水流底部靜壓大，出坎水流運(yùn)動(dòng)軌跡對挑坎體型十分敏感；底坡小，縱向落差小，流速相對陡坡小很多，摻氣坎平面與水平面夾角小，甚至為反坡，落點(diǎn)處流速方向與底板夾角(射流沖擊角)較大，水舌沖擊底板后產(chǎn)生回溯水流，回流積水經(jīng)常封堵?lián)綒獠鄱箵綒庠O(shè)施功能失效，同時(shí)水舌落點(diǎn)處底板受到?jīng)_擊力較大而容易破壞；低Fr數(shù)水流摻氣特性明顯不同于高Fr數(shù)流動(dòng)情況，重力影響十分明顯，坎上拋射水體下緣曲線曲率大，邊墻對水流阻力影響不可忽略，泄流道中心和邊墻水舌挑距落點(diǎn)差異較大，水舌下緣面落點(diǎn)呈現(xiàn)出兩側(cè)近、中間遠(yuǎn)的“凸”型分布，且不同位置流速與底板夾角也不一致，當(dāng)?shù)装迤露容^緩時(shí)，水舌射流沖擊角度在臨界值附近，回溯水流產(chǎn)生對水舌落點(diǎn)分布及射流沖擊角非常敏感。這種水流條件與一般陡坡上設(shè)置摻氣坎有著本質(zhì)的區(qū)別，若按照陡坡?lián)綒饪?槽)體型，很難形成穩(wěn)定的空腔，水舌落點(diǎn)處產(chǎn)生回溯水流，空腔積水嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒通氣孔導(dǎo)致?lián)綒庠O(shè)施失效，影響泄水建筑物安全運(yùn)行。眾多已建和在建隧洞工程特別是大型長泄洪洞一般具有流量大、Fr數(shù)低、底坡較緩、洞身長的特征，比如二灘泄洪洞單寬流量286m2/s、底坡7.9%、Fr數(shù)4.6、長度924m，雖然設(shè)置了摻氣設(shè)施，但是底板和側(cè)墻依然觀測到了不同程度的空化空蝕破壞的現(xiàn)象，在建的古水水電站泄洪洞單寬流量223m2/s、底坡僅3.3%、Fr數(shù)約3.0、長度2508m，沿程設(shè)計(jì)常規(guī)摻氣坎13個(gè)，試驗(yàn)觀測到摻氣坎空腔氣壓極不穩(wěn)定，腔內(nèi)回流積水深、水面晃動(dòng)、間歇性淹沒，長明流泄洪洞由于距離長常需采用多道摻氣設(shè)施，沿程水深、流速相差較大，摻氣坎體型也不能完全復(fù)制，為了保持整個(gè)洞內(nèi)良好的流態(tài)，水面不能觸頂，摻氣坎挑角也不宜太大。
[0004]因此，如何有效解決大單寬、小底坡、低Fr數(shù)泄洪流道摻氣問題是防止泄水建筑物空化空蝕破壞和安全運(yùn)行的重要保障，需引起關(guān)注。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種“燕尾坎+貼坡”摻氣方法及結(jié)構(gòu)，主要解決小底坡、低Fr數(shù)泄水流道摻氣空腔積水，摻氣效果差的難題。另外，此方法和原理對于陡坡?lián)綒鈫栴}同樣適用。
[0007]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明提出的“燕尾坎+貼坡”摻氣方法及結(jié)構(gòu)，特別適用于解決大單寬、小底坡、低Fr數(shù)泄水流道的摻氣難題。此摻氣方法及結(jié)構(gòu)由“燕尾型”挑坎、下游貼坡及連接段組成。
[0008]二維燕尾型挑坎——底坡坡度小、水流Fr數(shù)低、單寬流量大的明流渠道水流，受重力和邊壁阻力影響影響突出，坎上流速橫向分布不均，常規(guī)二維直線挑坎后拋射水舌下緣面沿中心和兩側(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡差異較大，中心拋射距離遠(yuǎn)而高、兩側(cè)近而低，落點(diǎn)并非在同一直線上，而是呈現(xiàn)出兩側(cè)近、中間遠(yuǎn)的“凸”型分布。不同落點(diǎn)處流速與底板夾角(射流沖擊角)不一致，當(dāng)?shù)装迤露容^緩時(shí)，水舌射流沖擊角度較大，即使采用坡度大于原底板的下游貼坡后，回溯水流對水舌落點(diǎn)分布及射流沖擊角依然十分敏感，因此對于小底坡?lián)綒饪?，?yōu)化挑坎體型來減輕空腔回流積水十分必要。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，邊壁由于阻力影響容易產(chǎn)生滑落積水并形成“積水源”，為了避免邊壁“積水源”，增加兩側(cè)水舌挑距，使得兩側(cè)落點(diǎn)與中心水舌落點(diǎn)齊平或者稍微大于中心挑距，有利于消除空腔積水。以往多采用垂向變化的三維異型挑坎，如U型、V型、凹型等，均是為了增加兩側(cè)挑距。但是三維體型復(fù)雜，過流面有突變，對拋出水體產(chǎn)生垂向擾動(dòng)，適應(yīng)范圍也小。本發(fā)明在常規(guī)連續(xù)二維直線挑坎末端對稱于流道中心線開“燕尾”槽，稱其為燕尾坎，讓中心水體比兩側(cè)水體提前挑出，且減小中部水流出坎流速方向與底板夾角，使拋射水舌下緣面的中部比兩側(cè)曲線曲率更小，且挑距稍短，可減小中部流速較高水體的射流沖擊角(即落水點(diǎn)處拋射水舌與底板夾角)，有利于統(tǒng)一拋射水舌與貼坡的射流沖擊角。燕尾坎開槽深度需物理模型試驗(yàn)研究確定，目的是調(diào)整坎后水舌挑距盡量相同或中間比兩側(cè)稍近，落點(diǎn)呈“一”或“V”字型分布。
[0009]下游貼坡一一摻氣空腔積水由拋射水舌沖擊下游流道底板及側(cè)墻回溯或滑落產(chǎn)生。當(dāng)落入底板水舌流速方向與底板夾角(射流沖擊角)較大時(shí)，落點(diǎn)處產(chǎn)生向上游回溯水股和向下游水體，前者形成空腔積水且不能及時(shí)排走；當(dāng)射流沖擊角小于產(chǎn)生回溯水流臨界值時(shí)，拋射水舌下緣面與流道底板幾乎相切，空腔末端形成狹長空腔，不易產(chǎn)生漩滾水流，空腔出現(xiàn)負(fù)壓，即使產(chǎn)生積水也會(huì)被向下游水流“帶走”，此時(shí)，水舌落點(diǎn)處沖擊力也最小。因此，只要保證拋射水舌下緣面與落點(diǎn)處底板夾角(射流沖擊角)小于產(chǎn)生回溯水流的臨界值，形成有負(fù)壓的狹長空腔，即可保持空腔無積水狀態(tài)。一般情況下，小底坡上射流沖擊角比陡坡大得多，必然會(huì)產(chǎn)生回溯水流，本發(fā)明在下游底板原水舌落點(diǎn)處人為設(shè)置比底坡陡的貼坡，通過調(diào)整貼坡坡度，拋射水體基本落于較陡的貼坡上，保證沖擊射流角小于產(chǎn)生回溯水流的臨界值，可避免回溯水流產(chǎn)生。貼坡上游端位置直接關(guān)系摻氣效果好壞，一般上游端比常遇水位下水舌下緣面稍下，高程需考慮中部連接段坡度并留出空腔