一种侧掺气坎前置的防水翅三维掺气设施

摘要

本发明公开了一种侧掺气坎前置的防水翅三维掺气设施。在泄水建筑物的底板及侧墙分别设置底掺气坎和侧掺气坎的三维掺气设施基础上，通过将侧掺气坎向上游前置这一简单的体型调整，使侧掺气空腔的尾部位置始终位于底掺气空腔的上游，达到减免水翅危害发生的目的，避免因水翅引起的水流脉动及建筑物的结构振动，同时提高了掺气设施的空蚀防止效果，从而在水利水电工程泄水建筑物中的设计和运行中得到良好的运用。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄水建筑物中的一种侧掺气坎前置的防水翅新型 三维掺气设施，主要用于在满足一定掺气效果的前提下，遏制水翅发生，减免 水翅危害，满足工程安全等需要。

背景技术

水利水电工程常常需要通过泄洪洞、溢洪道等泄水建筑物，来实现库区和 下游河道的水流衔接以及洪水宣泄。近年来随着水利水电工程建设技术的不断 发展，高坝、大泄量等特性导致泄水建筑物的高速水流问题尤其是空化空蚀问 题日趋突出，逐渐成为危害整个水电工程安全和稳定的一大难题。目前工程上 对上述问题的解决方法主要是通过在泄水建筑物上设置掺气设施来实现人工强 迫掺气从而避免空蚀破坏的发生。早期通常在泄水建筑物底板上设置掺气设施， 工程实践证明掺气设施是避免空蚀破坏的有效措施。然而，2001年二滩水电站 1号泄洪洞在经历了1843.77小时，约152亿m³/s流量的长时间大泄量运行后， 汛后检查发现1号洞2号掺气坎下游约400米范围内的边墙和底板均遭到了严 重空蚀破坏，边墙和底板混凝土全部剥离，基岩外露，另外有300多米边墙和 底板遭到磨损，局部冲坑深度达19米。经分析，仅在泄水建筑物底板设置掺气 设施还不能完全保证避免空蚀破坏，在泄水建筑物底板设置掺气设施的同时在 侧墙上增设掺气设施是必要的。二滩水电站1号泄洪洞修复中在侧墙上增设了 掺气设施，避免了空蚀破坏的再次发生。因此，在大型泄水建筑物的底板和侧 墙同时设置掺气设施(称之为三维掺气设施)形成了业内共识。

然而，三维掺气设施容易引发水翅，水翅抬高水面线并可能窜至泄洪洞洞 顶，或翻越边墙冲击建筑物地基从而威胁整个结构的安全和稳定。因此，对于 三维掺气设施的结构设计，如何在保证充分掺气效果的同时控制和避免水翅发 生，是目前设计人员亟需解决的重点和难点问题。

发明内容

如图1所示，传统三维掺气设施由底掺气坎(1)(渠道底板突然下跌形成 的跌坎)和侧掺气坎(2)(渠道边墙突然扩大形成的突扩)组成，且底板下跌 与侧墙突扩设置在同一断面。高速水流经过三维掺气设施后在下游底板及侧墙 产生底空腔(3)和侧空腔(4)，由专门设计的通风系统源源不断地向空腔内供 气，达到向水流中掺气以减免泄水建筑物发生空化空蚀破坏。其中，L_d为底空 腔长度，L_c为侧空腔长度。当射流底板撞击点(5)位于射流侧墙撞击点(6) 的上游时，即满足公式(1)：

L_c>L_d  (1)

此时，射流撞击底板后向上反弹，顺着侧空腔喷溅出水面，形成水翅。

本发明提出一种侧掺气坎前置的防水翅三维掺气设施，其结构形式如图2 所示，包括：底掺气坎(1)，向上游前置的突扩式侧掺气坎(7)，水流经过掺 气坎后形成底空腔(3)和侧空腔(4)，L_d为底空腔长度，L_c为侧空腔长度， L_f为侧掺气坎后退的距离。其特征在于：在传统泄水建筑物底板及侧墙分别设置 底掺气坎和侧掺气坎的基础上，通过将侧掺气坎位置由传统的与底掺气坎平齐 处向上游移动，从而使侧空腔的尾部位置始终位于底掺气空腔的上游，即使射 流侧墙撞击点始终在射流底板撞击点的上游，减免水翅危害的发生。

图3中虚线所示部分为传统三维掺气设施中的突扩式侧掺气坎，其与底掺 气坎处于同一断面。在本发明中将原侧掺气坎向上游方向移动，移动距离为L_f， 形成前置的突扩式侧掺气坎(7)。此时侧掺气腔起点与底空腔起点不在同一断 面，而是向上游移动了L_f，同时侧空腔长度L_c基本不变，侧空腔整体随之向上 游平移，射流与侧墙撞击点(6)亦随之向上游移动，移动距离也为L_f。若避免 水翅发生，要求射流底板撞击点(5)在射流侧墙撞击点(6)的上游，即满足 公式(2)：

L_c-L_f<L_d  (2)

此时，射流撞击到底板后没有可利用的侧空腔向上窜溅，水翅得以避免。 因此，本发明能显著优化泄水建筑物流态，避免水流脉动及建筑物的结构振动， 同时提高掺气设施的空蚀防止效果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)结构布置简单；

(2)减免水翅效果显著；

(3)优化泄水建筑物水流流态，避免水流脉动；

(4)控制建筑物的结构振动及水流对边墙的破坏，

(5)提高掺气设施的空蚀防止效果。

本发明对于水利水电工程泄水建筑物的空蚀防治和工程的安全运行是十分 重要的。本发明力求通过简单的结构体型改变，从而达到减免由侧向掺气设施 引起的水翅危害的目的。本项发明结构简单易行，有效性也已得到试验验证， 可以在满足工程所需掺气效果的前提下，减免水翅危害的发生，最终保证泄水 建筑物结构的安全和稳定。

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优先实施例的非限制性说明进行 图示和解释，这些实施例是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是传统突扩式侧掺气坎几何参数示意图。

图2是本发明侧坎前置防水翅三维掺气设施几何参数示意图。

图中：(1)代表底掺气坎，(2)代表突扩式侧掺气坎，(3)代表底空腔，(4) 代表侧空腔，(5)代表射流底板撞击点，(6)代表射流侧墙撞击点，(7)代表 前置的突扩式侧掺气坎，L_d为底空腔长度，L_c为侧空腔长度，L_f为侧坎后退的 距离，t_rl为突扩式侧坎高度。

图3是工程实施例1当上游水位为785m时方案1的实验照片。

图4是工程实施例1当上游水位为785m时方案2的实验照片。

图5是工程实施例1当上游水位为785m时方案3的实验照片。

图6是工程实施例1当上游水位为805m时方案1的实验照片。

图7是工程实施例1当上游水位为805m时方案2的实验照片。

图8是工程实施例1当上游水位为805m时方案3的实验照片。

具体实施方式

本发明所述的一种侧掺气坎前置的防水翅三维掺气设施，即在传统泄水建 筑物底板及侧墙分别设置底掺气坎和侧掺气坎的基础上，通过将侧掺气坎位置 由传统的与底掺气坎平齐处向上游移动，从而使侧空腔的尾部位置始终位于底 掺气空腔的上游，即使射流侧墙撞击点始终在射流底板撞击点的上游，减免水 翅危害的发生。

本发明所述的一种三维掺气设施，其布置图参照图2，包括：底掺气坎(1)， 向上游前置的突扩式侧掺气坎(7)，水流经过掺气坎后形成底空腔(3)和侧空 腔(4)，L_d为底空腔长度，L_c为侧空腔长度，L_f为侧掺气坎后退的距离。传统 三维掺气设施(见图1)侧掺气坎(2)与底掺气坎(1)位于同一断面，在本发 明中将其向上游移动(前置)，见图2中的(7)。

若避免水翅发生，要求射流底板撞击点(5)在射流侧墙撞击点(6)的上 游。因此，侧掺气坎向上游移动的距离L_f要求满足公式(2)：

L_c-L_f<L_d  (2)

本项发明在传统三维掺气设施结构的基础上，通过侧掺气坎前置，有效减 免了水翅的发生，优化了泄水建筑物掺气坎后的水流流态，避免了水流脉动及 建筑物的结构振动，同时提高了掺气设施的空蚀防止效果。

下面结合一个工程实施例对本发明作出更为详细的说明。

白鹤滩3号泄洪洞由进口闸门段、缓坡段、龙落尾段和出口消能段组成， 原型长为2170.00m，进口为短有压进水口，控制闸门尺寸15.00m×9.50m(宽× 高)，进口底高程770.00m，出口高程为650.00m，龙落尾段坡度为1:4.0，设置 4道底掺气坎加侧掺气坎的三维掺气设施进行掺气减蚀。第一道掺气设施距离龙 落尾起点处的水平距离和垂直距离分别为78.87m和12.30m。原设计方案中，每 道掺气设施的底掺气坎和侧掺气坎均位于同一断面上，在运行过程中，由于侧 掺气空腔和底空腔不匹配，导致掺气设施后总是产生一定程度的水翅，存在较 严重的安全隐患。

工程各特征水位为，死水位：765.00m；正常蓄水位：825.00m；设计洪水 位：827.83m；校核洪水位：832.34m；防洪限制水位：785.00m。

本实施例根据上述泄洪洞布置形式及结构尺寸设计1:40比尺物理模型进行 掺气减蚀试验，在相同来流条件下，仅改变龙落尾段第一道掺气设施侧掺气坎 的位置，通过研究对应的水翅特性，验证本发明的有效性。

在上述模型中，通过将龙落尾段第一道掺气设施的侧掺气坎向上游移动不 同的距离L_f，从而设计了方案1、方案2及方案3。方案1采用传统三维掺气设 施结构形式，即把侧掺气坎和底掺气坎布置在同一断面上；方案2和方案3在 保持其他体型参数不变的前提下，将侧掺气坎分别向上游移动0.8m及1.6m(即 L_f1＝0m，L_f2＝0.8m，L_f3＝1.6m)。方案1、方案2及方案3的侧坎坎高t_rl均为0.35m。 实验得到当上游库水位为785m和805m时方案1、方案2及方案3的原型水翅 高度、长度数据如表1所示，其对应的流态照片如图3-8所示，图中椭圆标记处 为产生的水翅。

表1

由表1可得，当上游库水位为785m和805m时，方案1的水翅高度分别为 2.4m和2m，水翅长度分别为26.4m和21.6m，远大于方案2在同样来流条件下 所对应的水翅高度1.2m和0.8m，及水翅长度15.2m和12.0m；而方案3在上游 水位为785m和805m时均不发生水翅。对比图3-8中方案1，2，3在相同来流 条件所对应的流态，也可以得到类似的答案，即通过侧掺气坎向上游后退合适 的距离，可以有效减小水翅尺寸，甚至使其完全消失。实施例一证明，本发明 能有效减免水翅的发生，优化水流流态，从而避免建筑物的水流脉动及结构振 动，提高掺气设施的空蚀防止效果，保证工程的安全和稳定。