一种复合琴键溢流堰式虹吸井和方法

摘要

本发明涉及一种复合琴键溢流堰式虹吸井，包括：至少一个单井组合体，单井组合体包括：带有进水涵管的竖井，竖井与溢流连接井连接，溢流连接井与输水涵管连接，竖井与溢流连接井之间设有复合式琴键溢流堰；复合式琴键溢流堰包括：堰体，堰体顶部交错设置底面水平的正向三角墩和反向三角墩，正向三角墩和反向三角墩的底面沿水流方向的长度超过堰体顶端的厚度，形成堰前悬臂和堰后悬臂。发明采用的复合式琴键溢流堰作为过流设施和抑泡方案。从而增强了虹吸井溢流堰的单宽过流能力，降低了与外海间的跌流落差，抑制了过堰水流掺混气泡，减少对周围环境的影响。发明可以降低工程造价，有效的消能消泡，实现相对清洁的排水。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合琴键溢流堰式虹吸井和方法，是一种水工设施和方法，是一种火核电厂排出冷却水的排水虹吸井和方法。

背景技术

传统的火核电厂排水虹吸井一般为中部进水，且为减轻外海潮位变化对虹吸井上游段的影响，火核电厂虹吸井内设有顶高程超过平均潮位的溢流堰，常见的为薄壁堰、宽顶堰和实用堰。另一方面，随着近年来电站容量的增大，虹吸井四季过流量都较大，为节约建设成本，虹吸井本身的尺寸往往偏小。这种设计存在下述问题：

1、如果虹吸井上游水池不采取导流、整流措施，虹吸井中部进流突扩后，主流扩散距离不够，进水口两侧出现明显的回流区，导致虹吸井上游流态较差，且溢流堰中部会出现阵发性的水体壅高，进而影响下游流态。

2、由于外海潮位较低，虹吸井堰顶多为自由溢流，堰后跌落落差太大，水跃消能掺混过程中大量掺气，如果虹吸井下游距离不够，大量气泡未能及时上浮至水面易被带入下游箱涵，将在排水口附近海域形成泡沫污染区。大量的微黄色泡沫随排水进入海域，将在排水口附近海域形成泡沫污染区，影响环境水域观感，而且飞溅的含盐水雾会腐蚀排水口附近的金属结构物。

发明内容

为克服现有技术的问题，本发明提出了一种复合琴键溢流堰式虹吸井和方法。所述的虹吸井和方法，通过改进堰顶形状，提高水流单宽流量。

本发明的目的是这样实现的：一种复合琴键溢流堰式虹吸井，包括：至少一个单井组合体，所述的单井组合体包括带有进水涵管的竖井，所述的竖井与溢流连接井连接，所述的溢流连接井与输水涵管连接，所述竖井与溢流连接井之间设有复合式琴键溢流堰；所述的复合式琴键溢流堰包括：堰体，所述的堰体顶部交错设置底面水平的正向三角墩和反向三角墩，所述的正向三角墩和反向三角墩的底面沿水流方向的长度超过堰体顶端的厚度，形成堰前悬臂和堰后悬臂；所述的正向三角墩和反向三角墩之间设置隔板，所述的正向三角墩沿水流方向的截面形状是两个底角为锐角，顶角为钝角的三角形；所述的反向三角墩沿水流方向的截面形状是迎水的底角为锐角，背水的底角为钝角，顶角为锐角的三角形。

进一步的，所述的正向三角墩的迎水面与反向三角墩的背水面平行，所述的隔板的形状是与正向三角墩与反向三角墩沿水流方向截面相符的平行四边形。

进一步的，所述的正向三角墩的迎水底角大于反向三角墩的迎水底角。

进一步的，所述的正向三角墩的迎水底角为30~60度。

进一步的，所述的正向三角墩为三个，反向三角墩为两个。

进一步的，所述的虹吸井具有两个单井组合体，两个所述的单井组合体共用一面侧墙，两个所述的单井组合体各自的输水方涵的出水方向中心轴线向共用的侧墙偏移。

进一步的，所述的虹吸井具有三个单井组合体，三个所述的单井组合体共用两面侧墙，其中两侧的两个单井组合体各自的输水方涵的出水方向中心轴线向共用的侧墙偏移。

一种使用上述复合琴键溢流堰式虹吸井的复合琴键溢流堰方法，所述的方法包括如下步骤：

水流进行竖井的步骤：用于水流通过进水涵管进入竖井

消除堰前涡流的步骤：用于利用堰前悬臂强迫水流改变流向，对进水流进行导流，消除两侧回流区，使进水涵管出口上部顺时针漩涡消失，纵向形成S型流线，增加水流流向距离，消除竖井中部堰前出现的阵发性水体壅高；

水流堰顶溢流的步骤：用于水流通过正向三角墩和反向三角墩和隔板组成的堰顶，利用正向三角墩和反向三角墩与隔板交错排列，提高过堰水流的单宽流量，增大流量系数，降低水头和出流跌落落差，使水流从堰顶顺畅溢流；

减少堰后气泡的步骤：用于利用正向三角墩与反向三角墩混合排列，迫使斜向下部分出水水流急速向下，导致溢流连接井中顺时针的漩涡整体上移和前移，使得掺气水流气泡进入出水涵管之前及时上浮，同时控制水跌高度，避免过多气泡产生；

水流流出的步骤：用于水流经溢流连接井和输水涵管输出。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的复合式琴键溢流堰作为过流设施和抑泡方案。即在尽量保持原虹吸井工程的前提下，在已有虹吸井的基础上，增加一些复合式的水工设施，省略了为调整流态在虹吸井上游设置的导流墩或在堰上设置的整流栅，从而增强了虹吸井溢流堰的单宽过流能力，降低了与外海间的跌流落差，抑制了过堰水流掺混气泡，减少对周围环境的影响。对于新设计的火核电厂排水虹吸井，使用所述的虹吸井和方法可以尽量降低工程造价，并有效的消能消泡，实现相对清洁的排水。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述复合琴键溢流堰式虹吸井的单井组合体的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述复合琴键溢流堰式虹吸井的单井组合体的结构示意图，是图1中A-A方向的截面图；

图3是本发明的实施例一所述复合琴键溢流堰立体示意图；

图4是本发明的实施例一所述复合琴键溢流堰结构示意图，是图1中K处的放大图；

图5是本发明的实施例一、二所述复合琴键溢流堰结构示意图，是图4中D-D向剖视图；

图6是本发明的实施例六所述两个单井组合体结合的结构示意图；

图7是本发明的实施例七所述三个单井组合体结合的结构示意图；

图8是本发明的实施例八所述实例的流量系数对比曲线图；

图9是本发明的实施例八所述传统实用溢流堰与复合琴键溢流堰水面对比图；

图10是传统虹吸井中的流态；

图11是传统虹吸井中的流态，是图10中的E-E方向剖面图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种复合琴键溢流堰式虹吸井，如图1、2、3、4、5所示。本实施例包括：至少一个单井组合体，所述的单井组合体包括带有进水涵管1的竖井2，所述的竖井与溢流连接井4连接，所述的溢流连接井与输水涵管5连接，所述竖井与溢流连接井之间设有复合式琴键溢流堰3，见图1、2。所述的复合式琴键溢流堰，如图2所示，包括：堰体306，所述的堰体顶部交错设置底面水平的正向三角墩303和反向三角墩305，所述的正向三角墩和反向三角墩的底面沿水流方向的长度超过堰体顶端的厚度，形成堰前悬臂301和堰后悬臂302。所述的正向三角墩和反向三角墩之间设置隔板304，所述的正向三角墩沿水流方向的截面形状是两个底角α₁、β₁为锐角，顶角γ₁为钝角的三角形；所述的反向三角墩沿水流方向的截面形状是迎水的底角为锐角α₂，背水的底角β₂为钝角，顶角γ₂为锐角的三角形，如图5所示。

本实施例所述的虹吸井可以由多个单井组合体构成，通常情况下可以使用一个单井组合体，也可以使用两个、三个或更多个单井组合体，以便增加流量。

一个单井组合体的基本结构包括进、输水涵管（进、输水箱涵）和一个井体，井体中设有溢流堰。溢流堰将井体分为两部分，进水的部分称为竖井，出水的部分称为溢流连接井。由于溢流堰的作用，使两部分井体中的水流产生落差，出现水跌。

本实施例的关键在于在溢流堰的堰顶设置复交错排列的三角墩，形成类似琴键的形状，如图3、4、5所示。

本实施例所述复合琴键溢流堰整体由竖直的支座（堰体）和复合琴键溢流堰顶组成。复合琴键溢流堰顶水平的底面呈锯齿形，沿水流方向的剖面由三个不同体型构件组成：两个三角形和一个四边形，两个三角形具有一定宽度（水平面内垂直于水流方向的延伸），形成三角墩，而四边形为薄壁，形成隔板。两个三角形分为为两个底角为锐角、顶角为钝角和一个底角为锐角，一个底角为钝角，顶角为锐角的三角形。两种截面不同的三角形之间设置四边形的隔板，组成一个基本结构单元。在堰顶排列这些基本结构单元，形成交替排列的两种截面不同的三角墩交错排列。对于具体的单井组合体，可以根据需要排列数个基本结构单元，如3个、4个或者更多。

复合琴键溢流堰顶放在堰体支座之上，分别向水流的上下游伸出了悬臂。悬臂是三角墩的底面或倾斜面，可以起到阻止底部水流向上的冲击。正向三角墩和反向三角墩的形状可以这样确定：两个三角形的底面长度相等并重合，两条斜边形成一个平行四边形的两个斜边，而两个三角形的另一个斜边，形成平行四边形的对角线，而两个三角形顶角之间的连线是平行四边形的另一个底边。隔板的形状即为这个平行四边，即：平行四边的一个底边与两个三角墩的底边重合，两个斜边分别与两个三角形的一个斜边重合，而平行四边形的另一个底边则形成两个三角形顶角的连线。

以带有平行四边形隔板所形成的基本结构单元的支座中心线为准，体型两侧为翻转后的镜像布置。基本结构单元的正向三角墩迎水面的锐角α₁角度在30-60°之间。由于平行四边形的特点，α₁角度的确定，将整个平行四边形以及之内的三角形的形状也确定了。

当然，隔板不一定要设计为平行四边形，两个三角墩的截面形状也不一定要设计为一个平行四边形中的两个三角形，还可以有多种选择，即基本形状为：正、反向的三角墩交错排列，并在两个墩之间设置隔板。两个三角墩的截面三角形的各个角度有多种选择，但其基本形状为：正向三角墩的迎水面的底角的角度大于反向三角墩的迎水面底角的角度，并且都是锐角（小于90度），在三角墩的背水面，正向三角墩的背水面底角的角度小于反向三角墩的底角角度，但正向三角墩的背水面底角是锐角（小于90度），而反向三角形背水面底角的角度不但大于正向三角墩的背水面底角的角度，而且还要大于90度（钝角）。

复合琴键溢流堰跟泄水建筑物所用单纯的琴键堰有很大不同，从体型上说，琴键堰顶部宽、底部窄，平面呈矩形，类似钢琴键。复合琴键溢流堰顶平面呈锯齿形，剖面呈平行四边形。复合琴键溢流堰顶是由三个不同体型构件组成，即沿着平行四边形切割形成的2个三角体，和一个平行四边形边墙组成其基本结构。用于虹吸井时，只需重复几个构件横向铺开。实践中，不仅结构稳固，基本结构单元也很好预制。复合琴键溢流堰顶放在堰体支座之上，呈轴线镜像对称。由于横向伸出了悬臂结构，加之正向流与侧向流混合调整，产生消能和消泡的作用。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于正、反向三角墩以及隔板的细化。本实施例所述的正向三角墩的迎水面与反向三角墩的背水面平行，所述的隔板的形状是与正向三角墩与反向三角墩沿水流方向截面相符的平行四边形，如图5所示。

平行四边形的隔板形状是有两个三角墩的形状所确定的，或者反过来说，是隔板的两个底边和两个斜边确定了两个三角墩的地面和迎水面、背水面的角度。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于正、反向三角墩的细化。本实施例所述的正向三角墩的迎水底角大于反向三角墩的迎水底角。

这样情形所产生的具体效果是：正向三角墩的迎水面较为陡峭，而反向三角墩的迎水面比较平缓。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例关于正向三角墩的迎水底角的细化。本实施例所述的正向三角墩的迎水底角α₁为30~60度，如图5所示。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，上述实施例关于正、反向三角墩个数的细化。本实施例所述的正向三角墩为五个，反向三角墩为四个，如图1所示。

如此排列的基本结构单元具有8块隔板。其具体宽度由竖井及溢流连接井的宽度，或者说是堰体的宽度而确定。

实施例六：

本实施例是上述实施例的细化，上述实施例关于单井组合体的细化。本实施例所述的虹吸井具有两个单井组合体，两个所述的单井组合体共用一面侧墙，两个所述的单井组合体各自的输水方涵的出水方向中心轴线向共用的侧墙偏移，如图6所示。

实施例七：

本实施例是上述实施例的细化，上述实施例关于单井组合体的细化。本实施例所述的虹吸井具有三个单井组合体，三个所述的单井组合体共用两面侧墙，其中两侧的两个单井组合体各自的输水方涵的出水方向中心轴线向共用的侧墙偏移，如图7所示。

实施例八：

本实施例是一种使用上述复合琴键溢流堰式虹吸井的复合琴键溢流堰方法。所述方法利用复合琴键溢流堰提高过堰水流的单宽流量，显著增大流量系数，降低堰上作用水头和出流跌落落差，避免大量气泡的产生。由于提高了单宽过流量，可减小虹吸井设计尺寸，节省了工程量。

本实施例达到效果提高单宽流量并显著增大流量系数的理论原理和数学基础如下：

复合琴键溢流堰由于堰轴线沿纵向（水流方向）被拉长，形成多个首尾相连的测堰，溢流前沿比直线堰增长数倍，在堰上水头相同时，过流能力比传统溢流堰有较大提高。

本实施例所使用的复合琴键溢流堰的特征参数如图4、5所示，图4中W为横向堰宽；B为堰一个基本结构单元沿水流方向的长度，P为堰高，定义L为单井组合体沿水流方向的总长度，这个总长度可以这样确定：L=W+2NB，其中N为基本结构单元的个数。

对虹吸井过流能力的影响因素将主要包括堰的设计参数，如总宽L、横向堰宽W、垂向堰高P、进出水宫的宽度Wi、Wo、长度B、T_s为边墙厚等，此外还与堰上水头H（包含行近流速水头）、流速V、重力加速度和密度有关，其函数关系可表示如下：

>

由π定理和流量公式，可得：

>

其中C_d为无量纲系数。由于堰厚度对流量的影响很小，若忽略它的影响，式(2)可写为

>

式中a为待定系数。

通过理论分析和利用试验数据结合遗传算法进行拟合、寻优，得到上述系数的最优解为：

(4)

为了评估复合琴键溢流堰的过流能力，用一个流量比系数（或超泄比）来描述复合琴键溢流堰：

(5)

式中：Q_d、C_d分别为复合琴键溢流堰的流量和流量系数。对于标准的薄壁堰，流量系数C_S可用Rehbock或巴赞公式计算，近似等于恒定的常数，即C_S=0.42，对于标准的WES实用堰（Ogee-crested>C_S=0.494。因传统实用溢流堰过流能力相对最大，这里选择传统实用溢流堰作对比。图8给出的是传统实用溢流堰和复合琴键溢流堰的流量系数对比曲线图。该曲线图分别给出了传统实用溢流堰（实用堰）的流量系数曲线（图8中用虚线表示），以及与之对比的复合琴键溢流堰的对比实验的实际测试值（资料实验值）的流量系数曲线（图8中用间断的点表示）和公式（5）的计算值进行对比（图8中用实线表示）。实例中流量比系数即超泄比在1.2-3.5之间，且H/P值越小，超泄能力越强，当H/P>1时，超泄比将小于1.5。这表明若按照本实施例进行设计，达到相同设计过流量所需水头H远小于标准实用溢流堰虹吸井所需水头，二者差值即是减小的水头差，如图9所示。图9中的水流虚线表示传统实用溢流堰的水面线，实线表示本实施例的水面线。

复合琴键溢流堰能有效提高过堰水流单宽流量，在相同设计流量下，同薄壁堰、宽顶堰和实用堰相比，流量系数显著增大，堰上作用水头明显降低，出流跌落落差减小，进而水流掺混作用减弱，抑制了气泡产生。

复合琴键溢流堰由于堰上水头减低，设计上能够缩减溢流堰下游水池长度，进而缩减虹吸井整体设计尺寸，减少占地面积的同时减少了工程量，投资少且维护费用低。图9说明复合琴键溢流堰和传统溢流堰的差距。图9在溢流堰的顶部用实线和虚线分别表示了复合琴键溢流堰和传统溢流堰的堰顶形状。其原理是：

根据“火力发电厂水工设计规范（DL/T 5339-2006）”的规定，溢流堰纵向尺寸设计按下式计算：

(6)

式中：L₁为竖井沿水流方向的长度，L₂为溢流连接井沿水流方向的长度，D₀为进水涵管断面高度或直径，H为溢流堰作用水头（图9用虚线和实线标出两个箭头的位置，分别表示常规溢流堰的作为水头和复合琴键溢流堰的作用水头），C_H为溢流堰下游的高度。

规范推荐溢流堰的堰型为薄壁堰，但在工程中，亦有采用宽顶堰、实用堰、折线堰等。复合琴键溢流堰式虹吸井达到相同设计过流量所需水头H已经远小于标准实用溢流堰虹吸井所需水头，由式（6）可知，按本发明设计，溢流堰纵向尺寸将明显减小，这将减少占地面积，同时减少工程量，更具经济合理性。进一步的，堰上水位和外海潮位差缩小，过堰水流掺混气泡量得到抑制减弱。

复合琴键溢流堰上游侧突出的悬臂结构使溢流堰具备导流、调流和消能作用。悬臂结构强迫水流改变流向，同薄壁堰、宽顶堰和实用堰效果相比，上游水池流态发生很大变化，原有的两侧回流区消失，进水口上部顺时针漩涡消失，取而代之的是垂向的S型流线，等效于增加了水流流向距离，使得过堰水流更加平顺，消除了常规设计虹吸井中部堰前出现的阵发性水体壅高。为调整流态在虹吸井上游设置的导流墩或在堰上设置的整流栅可以省略。本实施例利用复合琴键溢流堰上游侧突出的悬臂结构强迫水流改变流向，使原有两侧的回流区消失，进水口上部顺时针漩涡消失，纵向形成S型流线，增加水流流向距离，消除虹吸井中部堰前出现的阵发性水体壅高，起到导流作用，如图1、2所示。

复合琴键溢流堰的堰上水流流态大有不同。复合琴键溢流堰过堰水流属正向流（三角体）与侧向流（测堰）的混合体，堰上有两条水面线，水流过侧堰后转向下游流动，与斜角向下的出水水流相互撞击，迫使该部分水流急速向下，而不是向前，引起下游水池顺时针的漩涡整体上移并减弱，有利于掺气水流气泡进入下游涵管之前及时上浮，并进一步抑制了掺混气泡的数量，如图2所示。

本实施例尤其适合已建宽顶堰或薄壁堰虹吸井的升级改造，对于火核电厂一机一井、一机两井等（一般虹吸井中部设有隔墙）均适用。受虹吸井地形等因素限制，要想获得较小落差常规是设计较宽的虹吸井，但应用本实施例后，单宽流量显著增大。换句话说，采用复合琴键溢流堰虹吸井的设计，在常规设计的虹吸井宽度条件下，过流能力将显著的增强。

所述的方法包括如下具体步骤：

水流进行竖井的步骤：用于水流通过进水涵管进入竖井。

消除堰前涡流的步骤：用于利用堰前悬臂强迫水流改变流向，对进水流进行导流，消除两侧回流区，使进水涵管出口上部顺时针漩涡消失，纵向形成S型流线，增加水流流向距离，消除竖井中部堰前出现的阵发性水体壅高。传统的虹吸井的水流进入虹吸井突扩后，主流扩散距离不够，进水口两侧出现明显的回流区，即：在溢流堰前产生两个较大的竖直轴旋流和一个水平轴旋流，如图10、11所示，导致虹吸井上游流态较差，且溢流堰中部会出现阵发性的水体壅高，进而影响下游流态。而在本步骤中，由于使用复合琴键溢流堰，改变了流态（见图1、2），解决了漩涡问题。

水流堰顶溢流的步骤：用于水流通过正向三角墩和反向三角墩和隔板组成的堰顶，利用正向三角墩和反向三角墩与隔板交错排列，提高过堰水流的单宽流量，增大流量系数，降低水头和出流跌落落差，使水流从堰顶顺畅溢流。

减少堰后气泡的步骤：用于利用正向三角墩与反向三角墩混合排列，迫使斜向下部分出水水流急速向下，导致溢流连接井中顺时针的漩涡整体上移和前移，使得掺气水流气泡进入出水涵管之前及时上浮，同时控制水跌高度，避免过多气泡产生。传统的虹吸井溢流堰是自由溢流，堰后跌落落差太大，水跃消能掺混过程中大量掺气，如果虹吸井下游距离不够，大量气泡未能及时上浮至水面易被带入下游箱涵，将在排水口附近海域形成泡沫污染区。而上一步骤使用的正向三角墩和反向三角墩和隔板组成的堰顶提高过堰水流的单宽流量，增大流量系数，降低水头和出流跌落落差，本步骤则利用正向三角墩与反向三角墩混合排列，迫使斜向下部分出水水流急速向下，导致溢流连接井中顺时针的漩涡整体上移和前移，也具有明显的消泡作用，两者结合很好的解决了上述问题。

水流流出的步骤：用于水流经溢流连接井和输水涵管输出。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如琴键式溢流堰的具体形式，溢流堰的各个参数、规格等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。