一種琴鍵堰流式分級消能消泡虹吸井和方法與流程

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本發明涉及一種琴鍵堰流式分級消能消泡虹吸井和方法，是一種水工設施和方法，是一種環保設施和方法。

背景技術：

采用直流冷卻方式的濱海火電或核電站，一般都設有排水虹吸井，以利用虹吸作用降低水泵揚程，節省能源。虹吸井內設有頂高程超過平均潮位的出流堰，以減輕外海潮位變化對虹吸井上游段的影響。這些堰多采用薄壁堰、實用堰和寬頂堰等堰頂自由溢流排水，造成堰后跌水過程中產生強烈的水氣摻混，從而產生不易破滅的微黃色泡沫，形成泡沫污染區，飛濺的含鹽水霧也會腐蝕排水口附近的金屬結構物，而且許多電站設計時為了降低工程量，設計的虹吸井尺寸往往偏小，導致堰上水流的流態較差，更加劇了泡沫的產生。這些泡沫一旦隨水流進入排水口附近海域，將會形成泡沫污染區，形成視覺污染，影響電站附近的海域環境。傳統標準虹吸井體型為不設置均流墩的直角進水口。這種標準體型對于尺寸較大的虹吸井是合適的，雖然是直角進水口，但是如果虹吸井尺寸較大，水流運動路徑較長，水流可以充分調整流線，使得過堰水體較為平順。現有的虹吸井工程，為節省成本，降低土石方工程量，尺寸往往較小（可節省投資少則數千萬，多則上億），這帶來的問題是：堰前流態很差，存在陣發性的水體壅高，過堰水體紊動強度大，對堰后消泡帶來不利影響。

技術實現要素：

為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種琴鍵堰流式分級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上，通過進行一些體形上的改進和增加一些水工設施，可大大減少了虹吸井排出的水中的氣泡，減少了對周圍環境的影響。

本發明的目的是這樣實現的：一種琴鍵堰流式分級消能消泡虹吸井，包括：進水口、井體和出水口，所述的井體中部設有溢流堰，將井體分為堰前段和堰后段，所述的進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散式，出水口正前方設置多個均流墩，所述的溢流堰為琴鍵堰，所述的堰后段設置多層水平孔板和豎直孔板。

進一步的，多個所述的均流墩為交錯布置的雙層均流墩。

進一步的，所述均流墩的水平截面形狀為矩形。

進一步的，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置，使各層水平孔板與各層豎直孔板形成L形。

進一步的，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+過堰水體水深。

進一步的，水平孔板和豎直孔板分別為三層。

進一步的，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。

進一步的，溢流堰上均布多個用于支撐孔板的支墩，所述支墩的高度與豎直孔板平齊。

進一步的，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：用于水流從進水涵管流入井體時，在出口處遇到多個分流墩，將水分為多股股水流；

擴散的步驟：用于水流分為多股水流后在漸變擴散式堰前段的作用下水流擴散開來，引導水流均勻、平穩的到達琴鍵堰的堰頂，利用琴鍵溢流堰提高過堰水流的過水斷面面積，顯著增大流量系數，降低堰上作用水頭和出流跌落落差，減緩水流的跌落過程和氣泡的產生；

孔板消能的步驟：用于水流經過堰頂進入第一層水平孔板和豎直孔板圍護的第一層消能區，在第一層消能區中，在水平孔和豎直孔板的作用下，水流產生繞水平軸的旋流，旋轉的水流產生消能作用，同時使水中溶解的空氣析出形成氣泡，同時水流通過水平孔板和豎直孔板上的孔進入第二層消能區，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生繞水平軸的旋流，在消能的同時使得氣泡在短距離之內，能上浮至水面、破裂；水流最終通過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顯著的優勢是實現了水體低紊動強度下的分級跌落消能，第一級消能水體跌落少，紊動強度低，水氣摻混不劇烈，且第一級孔板又可隔絕后兩層孔板消能過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度和接觸面積，可有效減少水體中的氣泡數量，避免泡沫的形成。

流出井體的步驟：用于經過消能和消泡的水流通過出水口進入出水涵管排出。

本發明產生的有益效果是：本發明在堰前段采用漸變擴散式的井體，在出水口處還設立多個均流墩，將薄壁堰改為琴鍵堰，在堰后設置多層孔板，通過井體體形上的改進和增加孔板等水工設施，可大大減少了虹吸井排出的水中的氣泡，減少了對周圍環境的影響。使用本發明所述的虹吸井和方法可以在排除氣泡污染的干擾，實現相對清潔排水的前提下，大大減少虹吸井的工程量，降低建造成本，節約人力物力。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的實施例一、八所述虹吸井的平面結構示意圖；

圖2是本發明的實施例一、八所述虹吸井的立面結構示意圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種琴鍵堰流式分級消能消泡虹吸井，如圖1、2所示。本實施例包括：進水口1、井體2和出水口3，所述的井體中部設有溢流堰4，將井體分為堰前段201和堰后段202，所述的進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散式，出水口正前方設置多個均流墩5，所述的溢流堰為琴鍵堰，所述的堰后段設置多層水平孔板6和豎直孔板7。

本實施例所述的虹吸井的堰前采用漸變擴散+均流墩的設計型式。集中于虹吸井中部的水體首先經過均流墩的分流作用下擴散開來，再利用堰前漸變擴散的體形進一步引導水流均勻、平穩到達琴鍵堰頂，提高堰前流態的平穩性，使得進水口進入虹吸井的水體能夠均勻擴散，并將薄壁堰改為琴鍵堰，增加過流面積，易于消泡。

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

在靠近進水口位置設置多個均流墩，使得從進水口進入虹吸井內的水體能夠快速擴散，過堰水體穩定。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，說明的是這些墩的水平截面的形狀。

均流墩不是一個墩，而是過多成組出現的，可以設置為多排，每排多個，各排均流墩交錯排列。每排均流墩的數量根據水流方向逐漸增加，如：第一排設置兩個，第二排設置三個，第三排設置四個，以金字塔形排列。根據需要可以排列2-3排均流墩。

溢流堰設置在虹吸井的中部，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的虹吸井溢流堰高度相仿。

本實施例所述的虹吸井與傳統虹吸井一個顯著的不同是，將傳統虹吸井使用的薄壁堰溢流堰改為琴鍵溢流堰，簡稱琴鍵堰。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落。利用琴鍵堰的折線形狀，提高過堰水流的過水斷面面積，顯著增大流量系數，降低堰上作用水頭和出流跌落落差，減緩水流的跌落過程和氣泡的產生。

堰后設置多層“L”型阻流孔板，用于分層消能，減少堰后水體跌落過程中的水氣摻混，進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。

虹吸井中泡沫的產生核心原因是水體跌落過程中形成的強烈的水氣摻混。避免虹吸井中泡沫的產生的方法之一是消減堰前跌落水流入水前的速度，避免強烈的水氣摻混過程的形成。多層“L”型孔板便是基于上述思想而形成的新的消泡措施。孔板與實心擋板不同，它具有一定的流體阻力，同時也可以通過孔洞過流。過堰水體遇到“L”型孔板后會形成強度較小的消能區消減部分能量（大強度的旋滾消能會大量攙氣，導致泡沫的形成），水流通過孔洞時流速升高、過孔洞后流速降低的這一過程也會產生消能作用。通過設置多層“L”型孔板完成水體跌落過程中的分級、分步消能過程，避免水流流速過大導致的強水氣摻混。

“L”型孔板可以設施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+過堰水體水深。

為增強孔板的結構強度可以在虹吸井堰后增設幾個支墩，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計，以降低水流阻力，同時避免結構突變導致的水流紊動。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于均流墩的細化。本實施例多個所述的均流墩為交錯布置的雙層均流墩。

本實施例所述的多個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量較少，后面的一排數量較多，如圖1所示的兩排均流墩，第一排三個均流墩，第二排四個均流墩。兩排的均流墩交錯排列，即后面均流墩在前面的兩個均流墩之間，以起到更好的均流作用。

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于均流墩排列的細化。本實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、長方形等，本實施例采取水平截面為正方形的均流墩。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于孔板的細化。本實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置，使各層水平孔板與各層豎直孔板形成L形。

本實施例所述的水平孔板和豎直孔板的位置設置形成“L”形，多層孔板形成多個“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置縫隙（可以設計在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，進而造成孔板堵塞，減少孔板的使用效果，并在后期的運行階段增加維護費用。

實施例五：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于孔板的細化。本實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，隨著深度的增加，沿水流方向增加。

實施例六：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于孔板的細化。本實施例水平孔板和豎直孔板分別為三層。

本實施例對于寬度（兩面側墻之間的最大距離）為15米的虹吸井，比較適合。

實施例七：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于孔板的細化。本實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。

實施例八：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于孔板的細化。本實施例溢流堰上均布多個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。

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

實施例九：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于支墩的細化。本實施例所述的支墩前后均采用圓弧。

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

實施例十：

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

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

擴散的步驟：用于水流從進水涵管流入井體時，在出口處遇到多個分流墩，將水分為多股股水流。水流分為多股水流后在漸變擴散式堰前段的作用下水流擴散開來，引導水流均勻、平穩的到達琴鍵堰的堰頂，利用琴鍵溢流堰提高過堰水流的過水斷面面積，顯著增大流量系數，降低堰上作用水頭和出流跌落落差，減緩水流的跌落過程和氣泡的產生。

孔板的阻力損失原理為：流體在各孔內收縮，使過孔時的流速增大，流向發生改變，流體流出孔時再一次發生流速和流向的改變，進而產生水頭損失。

對于多孔孔板，當孔邊為銳邊時（），單個孔板的水頭損失系數可用下式計算（雷諾數Re>10⁵）

式中：l為孔板的厚度，，為一個孔的面積，為孔的濕周，，F₁為孔板的總面積。

當孔邊為厚邊時（），單個孔板的水頭損失系數可用下式計算（雷諾數Re>10⁵）

式中：。

“L”型孔板中旋滾消能區的消能強度相對于常規的水躍消能的強度小，以減少強烈的水氣摻混消能過程，避免泡沫的產生。孔板除具有消能作用外，還具有很好的均流特性，通過孔板后，虹吸井中的水流流速分布均勻，進一步使得氣泡在短距離之內即能上浮至水面、破裂，進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，氣泡水平方向的運動距離S_b可用下式計算：

(1)

其中：V_b為氣泡隨水流的運動速度，t為氣泡從虹吸井從水中上浮到水面的時間，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為恒定為0.4m/s，因此：

(2)