專利名稱：高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法
技術領域：
高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法屬于泄水建筑物側墻保護技術領域，特別涉及防止高流速泄水建筑物側墻空蝕破壞的技術領域。
背景技術：
隨著壩工技術的提高和我國水利水電建設事業(yè)的快速發(fā)展，高水頭、大流量泄水建筑物正在不斷增加，一批壩高在200～300m的超高壩和超高速水流的巨型水電工程(如小灣、溪洛渡、錦屏一級等)將陸續(xù)建成。這些工程的泄洪洞、深孔和溢洪道等高水頭泄水建筑物中的最高過流速度可達50m/s。由此產(chǎn)生的高速水流問題日益突出，泄水建筑物發(fā)生嚴重空蝕破壞的可能性逐漸增大，成為高壩設計、建設的制約因素之一，因而備受工程界及研究人員的關注。
目前，對于高水頭泄洪洞空蝕破壞的防護，僅采用保證壁面平整度及使用抗空蝕材料的方法已不能很好滿足要求，實踐證明摻氣減蝕是防止空駛破壞的有效手段。已有的試驗研究表明，當水中近壁面處摻氣濃度C＝1％～2％時，即可明顯減輕固壁面的空蝕破壞；當摻氣濃度達到C＝5％～7％時，空蝕破壞可完全消失。近年來對于摻氣減蝕已有很多研究成果，已在陡槽、溢洪道、泄洪洞、閘下出流、豎井等高水頭泄水建筑物中得到廣泛應用，并取得了極大成功，大量工程實踐表明，摻氣減蝕設施可使泄水建筑物的底板受到良好的保護；但是，在泄洪洞反弧段下游側墻附近，突擴突跌布置的泄水孔側墻部分仍出現(xiàn)了一些較為嚴重的破壞實例，如原蘇聯(lián)克拉斯諾雅爾斯克水電站設置了8個底孔，1967年投入運行，運行水頭為0～60m，1968年檢查發(fā)現(xiàn)在4、5、8號孔的跌坎下游接近射流底緣的側壁上發(fā)生空蝕破壞；龍羊峽水電站底孔1987年開始運用，至1989年總共運行3次，總過水歷時7137小時，孔口最高運用水頭89m。1989年訊后檢查發(fā)現(xiàn)距跌坎下游約37m處，側墻破壞嚴重，左邊墻最大沖深2.5m，破壞面積180m2，右邊墻最大沖深0.7m，破壞面積104m2，破壞原因為水流摻氣不足造成的空蝕破壞；美國德沃歇克大壩也是側墻空蝕破壞的典型案例，三個泄水孔均采用突擴突跌布置，設計水頭81m，孔口尺寸2.7m×3.8m，工作閘門處斷面最大流速38m/s，泄水孔泄水一個月后，三個泄水孔均發(fā)生了不同程度的空蝕破壞，其中，中間和左側泄水孔破壞較為嚴重，特別是左側泄水孔護面末端兩側邊墻上的空蝕破壞最為嚴重，空蝕破壞區(qū)長達6m，深0.56m，高3m；另外如二灘水電站1#泄洪洞、巴基斯坦塔貝拉電站的泄水孔側墻等都發(fā)生了程度不同的空蝕破壞，且隨著水頭的增高和流速的增大，泄洪洞反弧段下游側墻發(fā)生空蝕破壞的可能性有增長的趨勢。
關于如何加強高水頭泄水建筑物的側墻保護，改善側壁水流結構現(xiàn)在國內外無具體體型的研究。針對泄水建筑物側墻的空蝕破壞原因，有少量研究成果，已有的研究認為，由于摻氣空腔將明顯降低底空腔上部及其附近側壁處的動水壓強，同時由于該范圍內水面自由摻氣尚處于發(fā)展階段，在底部摻氣坎后的側墻中部將形成較大范圍的清水帶(摻氣盲區(qū))，該區(qū)域水流的摻氣量很小，遠達不到減蝕的要求，僅能依靠控制壁面不平整度和提高壁面材料的抗蝕能力。而對于大面積的側墻，要嚴格控制壁面不平整度等施工質量指標是較為困難的，因此易產(chǎn)生空蝕破壞。
現(xiàn)有研究僅停留在理論分析原因階段，并未提出具體解決辦法。本申請者曾結合三峽深孔模型試驗，研究了側向折流器對側空腔和低空腔摻氣參數(shù)的影響，對于側墻特殊水流特性、側墻摻氣機理等問題均進行了深入探究。申請者所進行的大比尺模型試驗研究表明側墻上形成四個區(qū)域，即側空腔區(qū)、壓力驟降區(qū)、低壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，各個區(qū)域的位置及形狀均受水流流速的影響。流速到達一定程度后，低壓區(qū)域中開始出現(xiàn)閉合的負壓區(qū)，并且，隨著流速的增加，負壓區(qū)的位置逐漸向下游移動、范圍不斷增大、負壓值不斷升高，逐步發(fā)展成為空化誘發(fā)源。觀測發(fā)現(xiàn)，在側墻水流沖擊點處，由于立軸旋滾對空氣的卷吸，產(chǎn)生了少量摻氣條帶，摻氣濃度在1.3％左右，但此濃度的摻氣尚不能滿足防止空蝕破壞的要求。
申請者后來在國家自然科學基金的資助下，對側墻摻氣進行了深入研究，提出了在側墻實現(xiàn)自摻氣的新技術。該自摻氣技術通過新型的側墻摻氣設施，成功地解決了此類問題。經(jīng)大比尺模型試驗證實，可以有效地提高側墻摻氣濃度，形成廣泛的側墻摻氣保護區(qū)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提出一種高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法，該方法通過在高流速泄水建筑物側壁加裝自摻氣設施，在側壁附近形成大范圍、高濃度的摻氣水流，從而有效地保護側壁，減免了高流速泄水建筑物側墻發(fā)生空化空蝕破壞的危險。
本方法的特征在于在高流速泄水建筑物側墻上沿著水深方向設置坡形側挑坎，此側挑坎與水流流正交，在所述側墻上位于側挑坎下開有一排摻氣孔，在所述側墻后部設置一個與所述摻氣孔相通的通氣管。
所述側挑坎可以只設一個連續(xù)的長挑坎。
所述側挑坎也可以設為差動式挑坎，由兩個以上短挑坎組成，間隔排列，且每一個側挑坎下開有一個摻氣孔。相鄰側挑坎之間的距離可以相等。側挑坎的長度也可以相等。
試驗證明，在高流速泄水建筑物側墻上加裝挑坎、并在坎后開設側摻氣孔，水流流經(jīng)側挑坎后，即可在側壁上形成大范圍、穩(wěn)定的負壓空腔。在負壓作用下，外部空氣經(jīng)由側摻氣孔進入水中，氣、水充分混摻后，可在側壁附近形成高濃度的摻氣水流；并且，在下游相當長的距離內，側壁水流均能保持足夠的摻氣濃度，從而有效地減免了側壁發(fā)生空蝕破壞的危險。


圖1是連續(xù)式側墻自摻氣設施示意圖；圖2是連續(xù)式側墻自摻氣設施示的三向視圖，其中是圖2b是的主視圖，圖2a是圖2b的A剖圖，圖2c是圖2b的俯視圖；圖3是差動式側墻自摻氣設施示意圖；圖4是差動式側墻自摻氣設施示的三向視圖，其中是圖4b是的主視圖，圖4a是圖4b的A剖圖，圖4c是圖4b的俯視圖；圖5是連續(xù)式側挑坎側墻摻氣濃度分布曲線；圖6是差動式側挑坎側墻摻氣濃度分布曲線。
上述圖中，1為側墻，2為摻氣孔，3為通氣管，4為側挑坎，L表示側挑坎長度，箭頭表示水流方向。
具體實施例方式側挑坎可分為連續(xù)式和差動式兩種類型，雖然都可達到摻氣減蝕保護側墻的目的，但兩者所引起的水流流態(tài)及摻氣濃度分布規(guī)律具有不同特征。
如圖1和圖2所示連續(xù)式側挑坎，在側墻1上只設一個側挑坎4，長度L較長，在側挑坎4下有一排摻氣孔2，與側墻1后的通氣管3相通。在連續(xù)式挑坎的工況下，水流流經(jīng)側挑坎后，向內部挑射，與壁面脫離開，經(jīng)過一定距離后，方能重新落回壁面。在這段區(qū)域內，即可形成一個上下封閉、一定長度的近壁空腔；外部空氣由設在坎后的摻氣孔進入空腔，并在氣、水接觸面上發(fā)生摻混，形成一定的摻氣濃度。摻氣水流落回壁面時，在落射處(即空腔末端)形成一條白色的旋滾帶，也能形成良好的氣、水摻混。其后氣泡逐漸逸出，摻氣濃度逐步下降。
如圖3和圖4所示差動式側挑坎，在側墻1上設有多個側挑坎4，長度L較短，每一個側挑坎4下有一個摻氣孔2，與側墻1后的通氣管3相通。在差動式挑坎的工況下，部分水流從挑坎上流過，部分水流從分段挑坎之間的空隙處流過。在此工況下，差動式挑坎的挑射作用并不能使側壁水流大范圍脫離壁面、形成空腔，而是在挑坎后形成一道狹長的進氣帶。側壁表面，若干條平行的進氣帶在水流中不斷紊動、破碎，發(fā)展成大范圍的氣、水摻混區(qū)域，在近壁水流中形成相當高的摻氣濃度，并延伸至下游。差動式側挑坎可以等間距布置。與連續(xù)式相比，其總摻氣量略大。
通過模型試驗，測量了連續(xù)式和差動式兩種工況下的近壁水流摻氣濃度，如表1所示表1 側壁水流摻氣濃度(％)

如圖5所示，連續(xù)式側挑坎工況下，摻氣濃度曲線的前部往往高達80％以上；這一部分，并非摻氣水流，而是側挑坎后水流脫離壁面所形成的帷幕狀的近壁側空腔區(qū)，此區(qū)域的長度約為一般底空腔長度的1.5-2倍。在此摻氣幕內，由于水流已脫離壁面，可形成完全的側墻局部保護區(qū)域。在摻氣幕的末端，即水流回落處，通?？尚纬蓾舛葹?0％-20％的摻氣帶；隨著氣泡的不斷逸出，下游近壁水流的摻氣濃度逐漸降低。
如圖6所示在差動式側挑坎的工況下，側壁并不形成大面積的近壁空腔區(qū)。氣、水直接在側壁附近紊動摻混，形成30％左右的摻氣濃度。隨著氣泡的逐漸逸出，下游水流的摻氣濃度逐步降低，但與連續(xù)式側挑坎的工況相比，其下降趨勢較為平穩(wěn)緩慢，可以在下游相當長的范圍內保持5％以上的摻氣濃度。在此摻氣濃度范圍內，可以有效地減免空蝕破壞，保護側墻。
從水流流態(tài)及摻氣濃度分布特征來看，連續(xù)式側挑坎在前部形成側壁空腔，水流脫離壁面；后部近壁水流可保持一定的摻氣濃度，但衰減較快。差動式側挑坎對水流流態(tài)的改變較小，在前部形成氣、水紊動摻混區(qū)，形成高濃度近壁摻氣水流；后部摻氣濃度衰減較慢，可在較長區(qū)域內保持有效的摻氣減蝕濃度。跟據(jù)實際應用情況及防護目的，可以選擇適宜的側挑坎形式用以保護側墻。
側墻自摻氣設施由側挑坎、摻氣孔及通氣管等部分組成，通過側挑坎及摻氣孔的聯(lián)合作用達到側壁水流自摻氣的效果。單獨設置側挑坎或摻氣孔是無效的。
試驗證明，封堵側摻氣孔后，側挑坎不能形成摻氣水流；去除側挑坎，則側摻氣孔附近不能形成足夠的負壓，不能進氣。因此，側挑坎及側摻氣孔的聯(lián)合作用是此新型設施發(fā)揮效用的關鍵。位置可根據(jù)實際工程的應用情況及防護目的，在高流速泄水建筑物側墻需要重點保護的部位上游加裝此項自摻氣裝置(如泄水道反弧末端的側墻上，突擴突跌出射水流在側墻的沖擊點下游等)，即可在側墻近壁處形成摻氣水流，保護側墻減免空蝕破壞。
該項技術解決了高水頭泄水建筑物側墻發(fā)生空蝕破壞的問題。采用此項自摻氣技術將有效地保護高速水流建筑物的側墻，形成高摻氣濃度水流，避免側墻空蝕破壞。
權利要求
1.高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法，其特征在于，在高流速泄水建筑物側墻上沿著水流方向設置坡形側挑坎，在所述側墻上位于側挑坎下開有一排摻氣孔，在所述側墻后部設置一個與所述摻氣孔相通的通氣管。
2.如權利要求1所述的高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法，其特征在于，所述側挑坎有一個。
3.如權利要求1所述的高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法，其特征在于，所述側挑坎有兩個以上，間隔排列，且每一個側挑坎下開有一個摻氣孔。
4.如權利要求3所述的高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法，其特征在于，相鄰側挑坎之間的距離相等。
5.如權利要求3所述的高流速泄水建筑物側墻自摻氣方法，其特征在于，所述側挑坎的長度相等。
全文摘要
流速泄水建筑物側墻自摻氣方法屬于泄水建筑物側墻保護技術領域，特別涉及防止高流速泄水建筑物側墻空蝕破壞的技術領域。其特征在于，它是在高流速泄水建筑物側墻上沿著水流方向設置坡形側挑坎，在側墻上位于側挑坎下開有一排摻氣孔，在側墻后部設置一個與摻氣孔相通的通氣管。側挑坎分為連續(xù)式和差動式兩種。該方法的實施，能夠在側壁附近形成大范圍、高濃度的摻氣水流，從而有效地保護側壁，減免了高流速泄水建筑物側墻發(fā)生空化空蝕破壞的危險。
文檔編號E02B5/02GK1760463SQ200510086920
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權日2005年11月18日
發(fā)明者聶孟喜 申請人:清華大學