專利名稱：一種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出口潛水挑流消能工的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出ロ潛水挑流坎的消能エ，是ー種水利工程設施，是ー種用于水庫防洪泄水的泄洪洞中的設置。
背景技術：
傳統的斜井式泄洪洞，洪水從其進水口通過斜井進入反弧段，再通過平洞的出口挑流坎將水流拋射到下游河內。在高速水流的作用下，反弧段末端的底板極易由于空蝕引起嚴重破壞。例如美國胡佛壩泄洪洞發生的深達3米的空蝕破壞，格林峽壩處泄洪洞深達6米的破壞，還有墨西哥的英菲爾尼羅壩、西班牙的阿爾達阿達比拉壩等處的泄洪洞，以及中國的劉家峽和ニ灘大壩的泄洪洞都曾發生過類似的破壞。為了防止泄洪洞反弧段末端底板的破壞，通常在反弧段起始處上游斜井的底板上澆注摻氣坎(摻氣槽)，并在坎后的邊墻設置通氣孔，防止地板的破壞。然而，由于僅在底板上設置用以防止下游空蝕的摻氣坎和通氣 孔，當水流的流速很大時(超過40m/s)，摻氣坎的邊墻也可能發生空蝕，破壞摻氣坎和通氣孔，使摻氣坎失去了保護反弧段末端的防蝕作用。例如中國ニ灘水電站的一號泄洪洞就是由于摻氣挑坎后的側墻出現空蝕，導致下游鋼筋混凝土底板嚴重破壞。傳統斜井式泄洪洞的另ー個問題是由于洞內未能有效消能，泄洪洞出水ロ水流帶有大量能量，為防止這些能量破壞出水ロ岸邊，傳統的方式是采用出口挑流坎。這種出口挑流坎都是設在高于下游洪水位以上的高程處，用空中挑流的方式將高速水流拋射到下游河內。這種高速水流拋射會造成嚴重的河床沖刷，同時由于高速水流在空中的摻氣擴散作用，以及從高空降落沖擊河水濺起高大的浪花，同大氣再次摻混彌散形成嚴重的霧化現象，產生特大暴雨，某些泄洪洞泄洪吋，由于霧化形成的降雨量竟達1000mm/h，嚴重破壞生態植被，引起山體滑坡和環境惡化。由于出ロ挑流霧化攜帯泥沙粉塵，還會使高壓變電器短路，導致電力中斷，同時還破壞了岸邊公路。
發明內容為了克服現有技術的問題，本實用新型提出了一種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出口潛水挑流坎的消能エ，對已建成的泄洪洞進行改進，在反弧段起始處底板的摻氣坎上游側壁設置帶有通氣管的側摻氣坎，改造泄洪洞出水ロ，設置潛水挑流坎，以防止反弧段末端空蝕和減輕出水ロ的霧化現象，消除對泄洪洞下游的生態破壞。本實用新型的目的是這樣實現的一種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出ロ潛水挑流坎的消能エ，所述斜井式泄洪洞包括入水ロ，所述入水ロ與斜井連接，所述的斜井與出水洞連接，所述的斜井與出水洞連接的反弧段的起始處的底板上設置帶有通氣管的主摻氣坎，在所述主摻氣坎的上游的兩側壁設置相對而立的ー對分別帶有通氣管的側摻氣坎；所述的出水洞的出口的位置設置在河道的洪水水位之下，所述出水洞的出口與所述河道水流的夾角小于90度并沿泄洪水流的方向擴大，形成喇叭形，所述出水洞的出口處底板上設置帶有通氣管的沿所述河道水流方向和所述泄洪水流方向抬起潛水挑流坎。[0006]本實用新型產生的有益效果是為了解決反弧段底板上摻氣坎下游空蝕的問題本實用新型在反弧段底板上的摻氣坎上游斜井的兩邊壁設置帶有通氣管的側摻氣坎。由于側摻氣坎消能并用負壓吸允空氣，輸送到下游底板上的摻氣挑坎處，保護其側壁不發生空蝕。本實用新型將泄洪洞出口帶有通氣管的挑流坎設置在洪水位以下的高程，使河道中的水流在高速射流的拖曳下在挑流水舌的下方產生順時針的漩渦流，在其上方產生逆時針的漩渦流，進行紊動剪切作用，提高消能率，減輕對河道的沖刷，避免了傳統挑流坎所濺起巨大的浪花和在高空中彌散水汽，大大減輕了霧化現象。本實用新型在原有泄洪洞的基礎上做兩項改造一是在主摻氣坎上游設置側摻氣坎，ニ是改造出水ロ，將出水口的挑流坎設置在下游河道洪水水位之下。兩項改造對原有洞體基本不做任何改變，洞內澆筑側摻氣坎和洞出ロ改造在工程上十分容易實現，改進的土方量極小，所以改建成本較低，而防止空蝕和提高消能作用卻十分明顯的。本實用新型最好應用在新建泄洪洞的設計中。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進ー步說明。圖I是本實用新型的實施例一所述斜井式泄洪洞的示意圖，是圖2 B-B向視圖；圖2是本實用新型的實施例一所述斜井式泄洪洞的示意圖，是圖I A-A向視圖；圖3是本實用新型的實施例ニ所述側摻氣坎的示意圖，是圖2中的d點放大圖；圖4是本實用新型的實施例ニ所述側摻氣坎的示意圖，是圖3中F-F向視圖；圖5是本實用新型的實施例三所述的潛水挑流坎的示意圖，是圖2中的C-C向視圖；圖6是本實用新型的實施例三所述的潛水挑流坎的示意圖，是圖5中的D-D向視圖。
具體實施方式
實施例一本實施例是ー種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出ロ潛水挑流坎的消能エ，如圖I、2所示。本實施例所述的斜井式泄洪洞包括入水ロ 1，所述入水ロ與斜井2連接，所述的斜井與出水洞8連接，所述的斜井與出水洞連接的反弧段7的起始處的底板上設置帶有通氣管5的主摻氣坎6，在所述主摻氣坎的上游的兩側壁設置相對而立的ー對分別帶有通氣管3的側摻氣坎4。所述的出水洞的出口的位置設置在河道的洪水水位之下，所述出水洞的出ロ與所述河道水流的夾角小于90度并沿泄洪水流的方向擴大，形成喇叭形，所述出水洞的出ロ處底板上設置帶有通氣管9的沿所述河道水流方向和所述泄洪水流方向逐漸抬起的潛水挑流坎10。斜井式(俗稱龍抬頭式)泄洪洞，設有足夠的進水和進氣通道，其斜井的斷面尺寸較大，以便在頂端有足夠的空間流通空氣，使水流在整個斜井流通過程保持明流。由于洞頂有足夠的空氣，為設置通氣管準備了良好的條件。所述的反弧段指的是斜井與平洞(出水洞)的平滑連接的一段洞體。本實施例所述的斜井和出水洞的截面形狀均為城門洞型。為了防止泄洪洞破壞，通常在緊靠反弧段的上游斜井底板上澆注主摻氣坎(摻氣槽)，并在坎后的邊墻設置通氣孔，在主摻氣坎后產生負壓吸允的大量空氣，由高速水流帶到反弧段的末端形成水氣墊層，可以抑制空蝕對鋼筋混凝土底板的破壞。所述的主摻氣坎可設計為三角墩或其他類型的挑流坎。三角墩的迎水面坡度較小，背水面坡度較大，在斜井中心的縱切面(沿斜井中心軸線的豎直平面)上，所述主摻氣坎的形狀為三角形，故稱為三角墩。通氣管安裝在斜井洞壁上，進氣ロ設置在接近洞頂的位置，出氣ロ設置在摻氣坎背水面，或摻氣坎背水面相鄰的兩側洞壁上。通氣管的截面形狀可以是圓形，也可以是矩形，或者正方形等形狀。 以往僅在底板上設置摻氣坎和通氣管，用以防止下游空蝕，但是當高速水流的流速很大時(超過40m/s)，主摻氣坎的側壁上也可能發生空蝕，破壞主摻氣坎和通氣管，使主摻氣坎失去了保護反弧段末端的防蝕作用。為了解決此問題本實施例在主摻氣坎上游斜井的兩側壁設置帶有通氣管的側摻氣坎。由于側摻氣坎的負壓吸允空氣輸送到下游主摻氣挑坎處，可以保護其側壁不發生空蝕，同時在兩道側摻氣坎后形成的立軸漩渦也起到一定的消能作用。所述的側摻氣坎是成對的設置在斜井兩側的洞壁上，兩個側摻氣坎相對而立，使斜井在側摻氣坎的位置過水截面積縮小，以產生一種擠壓射流的作用。所述的側摻氣坎可以是三角墩或其他的墩形。所述的三角墩是由于沿水流平面所截取的側摻氣坎截面形狀為三角形，故稱為三角墩。三角墩上設置的通氣管可以是ー根主管帶有幾根支管，主管的進氣ロ設置三角墩的頂部，接近斜井的洞頂。在主管上連接幾根支管，支管的出氣ロ設置在三角墩的背水面。也可以用數根管子，直接將三角墩的背水面與接近洞頂的位置連接。所述的出水洞是一條縱向底坡很小接近水平的隧洞。出水洞流出的水流(如圖2中箭頭E所示)，與河道中的水流(如圖2中箭頭D所示)成小于90度的夾角，這個角度越大則出水洞流出的水流對河道的沖擊越大，因此越小越好。出水ロ成喇叭形，即沿出水水流的方向(如圖2中箭頭D所示)出水ロ越來越大，是水流進入河道上呈擴散形，也具有一定消能作用。所述出水洞的出水ロ是一段開敞的矩形截面的凹槽(無頂蓋)，在凹槽出口處設置挑流坎。為了消減泄洪洞出ロ處霧化問題，本實施例將出水洞出ロ的挑流坎設置在洪水位以下的高程，成為潛水挑流坎，并在所述挑流坎設置摻氣防蝕的通氣管，因此，可以稱之為自摻氣潛水挑流消能エ，用以取代傳統的空中射流的水上挑流坎。潛水挑流坎的消能機理是，河道中的水流在高速射流的拖曳下在挑流水舌的下方產生順時針的漩渦流，在其上方產生逆時針的漩渦流，進行紊動剪切作用，提高消能率減輕對河道的沖刷，同時由于水下消能無濺起巨大的浪花和在高空中彌散水汽，故可以大大減輕了霧化現象。所述挑流坎的縱截面形狀為三角形，其橫截面形狀也為三角形，即是ー個立體三角形，即高低挑流坎。實施例ニ 本實施例是實施例一所述的改進，是實施例一所述側摻氣坎的細化，如圖3、4所示。本實施例所述的側摻氣坎的通氣管，由主管301和連接主管上的支管302組成，所述的主管的進氣ロ設置在側摻氣坎的頂部，所述支管的出氣ロ設置在側摻氣坎的背水面。所述側摻氣坎的挑射角α <15度。兩個側摻氣坎之間的過流面積不小于O. 65倍的斜井截面積。本實施例所述的側摻氣坎的截面形狀為三角形截面，距底板的高度//應滿足O. Ζ<ガ< O. 8Z條件(z-斜井截面高度，見圖I )，ガ不得高于斜井城門洞截面兩邊的直壁高度。側摻氣坎的三角形斜面同邊壁的夾角為α為15度或小于15度(見圖3)，確定側摻氣坎厚度S (見圖3)的原則是，使兩個兩對的側摻氣坎之間的過流面積ω不小于0.65メ(Α-斜井截面積)。實施例三本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于潛水挑流坎的細化，如圖5、6所述。本實施例所述的潛水挑流坎的通氣管聯通沿潛水挑流坎的背水面設置，所述通氣管的進氣ロ 901設置在所述河道的最高洪水水位之上，并在潛水挑流坎的背水面均勻排列多個出氣ロ 902。本實施例所述的潛水挑流坎澆筑在下游設計洪水位以下，而傳統的挑流坎澆筑在下游校核洪水位之上。本實施例所述的潛水挑流坎沿河道水流流向的坎高也是變化的，由低坎b直線變到高坎a(見圖5)，但相應的挑射角β較小，β由15度變到30度。泄洪吋，在潛水挑流坎的坎后形成負壓渦，為了防止坎后結構物發生空蝕，在潛水挑流坎內埋設帶有支管904的豎通氣管903，通過支管向坎后補氣，以防止坎后結構物發生空蝕。圖5只是表示一種通氣管出氣ロ在潛水挑流坎背水面的布置，還可以有其他形狀的布置。實施例四本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于潛水挑流坎的細化，如圖5、6所述。本實施例所述的潛水挑流坎沿所述河道水流的挑射角小于15度(圖5中的Y角)，沿所述泄洪水流的挑射角15-30度(圖6中的β角)。實施例五本實施例是ー種使用上述實施例所述消能エ的消能方法，所述方法的步驟如下水流通過入水ロ進入斜井。泄洪時水庫上游高出洪水水位的水流進入斜井。水流接近斜井底部時，通過所述主摻氣坎，在主摻氣坎后產生負壓吸允的大量空氣，由高速水流帶到反弧段的末端形成水氣墊層，以抑制發生空蝕，導致對鋼筋混凝土底板的破壞。由于反弧段上水頭高、流速大，在反弧段與出水洞的連接處的底板易產生空蝕，導致底板沖蝕破壞，甚至將底板中的粗大鋼筋拉斷。而主摻氣坎所產生的坎后渦旋，通過通氣管摻氣所產生的水氣墊層可以有效的防止發生空蝕，因而可防止高速水流對空蝕區沖蝕破壞。水流經過反弧段進入出水洞,在出水洞出口水流應與河道水流小于90度的角度流入河道。水流從出水洞流出時，還帶有一定的能量。為減小這些能量對河道的沖擊，出水洞出ロ水流與河道水流方向應盡量一致。由于本實施例所述出水洞出ロ設置在下游河道洪水水位之下，出水洞水流在出水洞出口處與下游河道中的水流發生沖擊，如果兩股水流以垂直相交的方式所產生的紊流會對出水洞ロ產生過大的影響。為減少影響，使出水洞流出的水流以小角度進入河道減小兩股水流的沖擊。所述在斜井中的水流在經過主摻氣坎之前，流經側摻氣坎，水流在側摻氣坎背水面產生立軸渦流和負壓，所述負壓經通氣管吸收大量洞頂空氣，摻入水中形成水汽墊層，保證下游主摻氣坎兩側壁不發生空蝕，同時側摻氣坎產生的的立軸渦流也起到一定的消能作用。主摻氣坎雖然能夠有效的保護反弧段與出水洞連接處的底板，但主摻氣坎兩側的洞壁并不能保證不發生空蝕，由于自身難保，最終還是破壞了反弧段下游出水洞。本實施例在主摻氣坎上游再增加側摻氣坎，以保護主摻氣坎不受破壞。所述的側摻氣坎防蝕的作用原理是，在高速水流通過側摻氣坎時，在側摻氣坎后產生豎軸旋轉的負壓漩渦，這個負壓渦流從側摻氣坎中埋設的通氣管和斜井頂部的空氣源同時吸吮空氣，這些空氣在水流的裹挾之下被輸送到下游主摻氣坎的側壁上，可以防止主摻氣坎的通氣孔附近壁面發生空蝕。在側摻氣坎后形成的水氣摻混的漩渦也起到一定的消能作用。所述出水洞中的水流流出出水洞，與所述河道中的水流匯合，使河道中的水流在出水洞流出的水流高速射流的拖曳下，在出水洞潛水挑流坎作用下，挑流水舌的下方產生水平軸順時針的漩渦流，并通過通氣管摻入大量空氣，在所述挑流水舌上方產生水平軸逆時針的漩渦流，進行紊動剪切作用，提高消能率，減輕對河道的沖刷，同時由于水下消能無濺起巨大的浪花和在高空中彌散水汽，大大減輕了霧化現象。由于本實施例所述的潛水挑流坎是ー個立體三角形，出水洞所流出的水流經潛水挑流坎流出時產生一個傾斜的水舌，河道中水流受到所述水舌的拖曳，在水舌的下部靠下游產生近似水平軸的順時針漩滾流，在水舌的上部靠上游產生近似水平軸的逆時針漩滾流，如圖I所示，這兩股旋滾流的共同作用，產生很好的消能效果。這樣改建的出水洞挑流坎可以防止傳統的挑流坎向空中射流 摻汽擴散和急速降落時激起萬丈高的水翅，防止使水汽彌散在海_天空中，形成霧化現象，破壞生態植被和引起山體滑坡，同時也可以防止射流急速降落時造成河床的嚴重沖刷，不再會因沖刷堆積物引起水電站尾水位升高，降低發電量。最后應說明的是，以上僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案(比如側摻氣坎的形狀、潛水挑流坎的形狀等)進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍。
權利要求1.一種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出ロ潛水挑流坎的消能エ，所述的斜井式泄洪洞包括入水ロ，所述入水ロ與斜井連接，所述的斜井與出水洞連接，所述的斜井與出水洞的連接處為反弧段，所述反弧段的起始處的底板上設置帶有通氣管的主摻氣坎，其特征在干，在所述主摻氣坎的上游的兩側壁設置相對而立的ー對分別帶有通氣管的側摻氣坎；所述的出水洞的出ロ的位置設置在河道的洪水水位之下，所述出水洞的出口與所述河道水流的夾角小于90度并沿泄洪水流的方向擴大，形成喇叭形，所述出水洞的出ロ處底板上設置帶有通氣管的沿所述河道水流方向和所述泄洪水流方向逐漸抬起的潛水挑流坎。
2.根據權利要求I所述的消能エ，其特征在于，所述的側摻氣坎的通氣管，由主管和連接主管上的支管組成，所述的主管的進氣ロ設置在側摻氣坎的頂部，所述支管的出氣ロ設置在側摻氣坎的背水面；所述側摻氣坎的挑射角< 15度；兩個側摻氣坎之間的過流面積不小于0. 65倍的斜井截面積。
3.根據權利要求I或2所述的消能エ，其特征在于，所述的潛水挑流坎的通氣管聯通沿潛水挑流坎的背水面設置，所述通氣管的進氣ロ設置在所述河道的最高洪水水位之上，并在潛水挑流坎的背水面均勻排列多個出氣ロ。
4.根據權利要求3所述的消能エ，其特征在于，所述的潛水挑流坎沿所述河道水流的挑射角小于15度,沿所述泄洪水流的挑射角< 30度。
專利摘要本實用新型涉及一種斜井式泄洪洞的側壁摻氣坎和出口潛水挑流坎的消能工，包括入水口與斜井連接，斜井與出水洞連接，斜井與出水洞連接的反弧段的起始處的底板上設置帶有通氣管的主摻氣坎，主摻氣坎的上游的兩側壁設置相對而立的一對分別帶有通氣管的側摻氣坎。出水洞的出口的位置設置在河道的洪水水位之下，出水洞的出口處底板上設置帶有通氣管的沿河道水流方向和泄洪水流方向逐漸抬起的潛水挑流坎。由于側摻氣坎用渦流負壓吸允空氣，保護其側壁不發生空蝕。在泄洪洞出口帶有通氣管的挑流坎設置在洪水位以下的高程，使河道中的水流產生紊動剪切，提高消能率，減輕對河道的沖刷，避免了泄洪洞破壞和出口下游山體滑坡，大大改善生態環境。
文檔編號E02B8/06GK202610773SQ20122015584
公開日2012年12月19日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者董興林, 楊開林, 李福田, 付輝, 郭新蕾, 王濤, 郭永鑫 申請人:中國水利水電科學研究院