一种突扩式掺气结构的制作方法

1.本实用新型涉及水利工程技术领域中的一种突扩式掺气结构。


背景技术：

2.泄水建筑物在大型水利工程中扮演着举足轻重的角色。消能泄洪问题随着现代水利工程高坝的建设越来越突出，如底板临底流速和脉动压强较大，抗冲刷保护难度大，下泄水流易对坝体及下游基坑的冲刷，导致坝体破坏和坝基失稳，且因消力池尺寸大导致造价高等，这些问题限制了高坝的消能方式研究与工程实践。在我国80年代主要的三大消能方式包括底流消能、面流消能和挑流消能，在水利工程中均已得到广泛应用，但研究表明，三种传统的消能方式具有一定缺陷，如挑流消能水流雾化较为严重，从而影响到岸边边坡的稳定；采用底流消能的方式易导致消力池出现较大的脉动压强，且消能率较低；面流消能的临底流速过大，易对消力池产生冲刷，影响坝体安全等。同时随着水电事业的发展，传统的消能方式已不再满足现代水利安全消能泄洪的要求。相关学者在前人总结底流消能的基础上，将阶梯坝引入消能，利用阶梯坝面台阶形成多级跌坎，下泄水流沿坝坡逐级掺气，并在阶梯上形成翻滚，阶梯上的漩滚水流与下泄主流以相互剪切的形式消耗下泄水流能量。这种消能方式显著的提高了阶梯面上水流的掺气浓度，在消能效果上得到大大的增强，使阶梯面避免了空化空蚀的威胁。但这种强迫掺气的方式，只适用于单宽流量在40m3/(s
·
m)的情况下，其消能效果与溢流坝坡度密切相关。
3.随着一系列单宽流量均高于40m3/(s
·
m)的高坝建设，单纯的靠阶梯坝消能泄洪已不再适用，在下泄流量较大时，溢流水舌完全覆盖在阶梯面，阶梯坝面难以与外界通气，使水舌底部掺气率较低，导致阶梯坝面发生空化空蚀破坏。为了解决高水头、大单宽流量下的消能泄洪问题，我国提出了宽尾墩、阶梯坝和消力池的一体化消能工，该消能工同时拥有宽尾墩消能和阶梯坝面消能的优点，大大提高了宽尾墩的消能效率，同时因宽尾墩作用，在阶梯面前段出现无水区，使得外界空气通过无水区向水舌底部源源不断地通气，形成动态平衡的挟气过程，避免了阶梯面发生空蚀空化破坏。宽尾墩与阶梯坝联合运用的消能方式解决了阶梯面通气问题，使阶梯坝朝着高水头、大单宽流量方向发展。但在高水头、大单宽流量条件下，阶梯坝面上水深加大，水舌底部仍然掺气不及时，阶梯面水流掺气浓度较低，阶梯坝面依然受到了空蚀破坏的威胁，如福建水东水电站通过单宽流量为90m3/(s
·
m)时，尽管阶梯坝与宽尾墩联合应用，但是在溢洪道部分仍然发生了空蚀破坏，又如阿海水电站在实际运行后，发现阶梯坝面也遭到了空化空蚀破坏。
4.为了解决宽尾墩、阶梯坝和消力池一体化消能工在高水头、大单宽流量运行时阶梯面空蚀破坏问题，保证阶梯坝应力和稳定要求，进一步提高下泄流量，需寻求合理掺气设施，能使水流平稳过渡和衔接，减小负压，避免发生空化空蚀破坏的可能。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种突扩
式掺气结构，能减少阶梯面空蚀破坏现象。
6.根据本实用新型的实施例，提供一种突扩式掺气结构，包括wes溢流堰，所述wes溢流堰用于与上游水库连接，所述wes溢流堰上间隔设有宽尾墩；阶梯坝，所述阶梯坝的末端连接有消力池；掺气坎，所述wes溢流堰通过所述掺气坎与所述阶梯坝连接，所述掺气坎上设有突扩体，所述突扩体靠近所述wes溢流堰的一端为起始端，所述突扩体靠近所述阶梯坝的一端为末端，所述突扩体的高度从起始端向末端增大。
7.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述突扩体的高度从其自身中线向两侧减小。
8.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述突扩体的起始端与所述宽尾墩相接，所述突扩体的末端与所述掺气坎的末端齐平。
9.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述wes溢流堰与所述掺气坎的连接处切向方向与所述掺气坎所在平面之间成角度设置。
10.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述突扩体的落差值不大于所述掺气坎的首端高度与末端高度之差。
11.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述突扩体关于其自身中线对称。
12.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述宽尾墩呈对称的y型。
13.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述阶梯坝的末端通过反弧段与所述消力池连接，所述反弧段的末端与所述消力池相切连接。
14.根据本实用新型的实施例，进一步地，所述消力池上设有尾坎，所述尾坎的上游段坡长大于下游段坡长。
15.本实用新型的有益效果是：通过在掺气坎上设置突扩体，从宽尾墩之间流出的水流流经突扩体，从而得到充分的掺气，避免了水流在阶梯坝上出现不连续空腔，水流在消力池内紊动强度和紊动耗散率更大，加快了能量的耗散，从而极大地减轻了下泄水流对消力池底板的冲刷破坏。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
17.图1是本实用新型的整体结构示意图；
18.图2是本实用新型中突扩体的其中一种实施方式；
19.图3是本实用新型中突扩体的另一种实施方式。
具体实施方式
20.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
21.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
22.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
23.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
24.参照图1，本实用新型实施例中的突扩式掺气结构，包括wes溢流堰10、掺气坎20和阶梯坝30，wes溢流堰10通过掺气坎20与阶梯坝30连接，阶梯坝30的末端连接有消力池60。wes溢流堰10与上游水库连接，wes溢流堰10上间隔设有宽尾墩11，宽尾墩11呈对称的y型。本实施例中，宽尾墩11的收缩比为0.445，宽尾墩11的长度为10.73m，宽尾墩11的左收缩角为18.52度，宽尾墩11的右收缩角为18.52度。可选地，阶梯坝30的坡度在50～55度之间，具体地为53.13度，阶梯坝30的各阶梯均匀且等高。
25.上游水库的水位到达一定高度时，上游水库中的水通过宽尾墩11之间的间隙溢流至wes溢流堰10并流走。掺气坎20上设有突扩体40，突扩体40靠近wes溢流堰10的一端为起始端，突扩体40靠近阶梯坝30的一端为末端，突扩体40的高度从起始端向末端增大。流水流经掺气坎20及其上的突扩体40后再沿阶梯坝30流入消力池60。由于突扩体40位于wes溢流堰10与阶梯坝30之间，因此能避免产生首级阶梯负压超过规范值的问题，削弱首级阶梯发生空化空蚀的可能性。本实施例中，突扩体40的中线是指突扩体40的起始端与其末端中点的连线。参照图2～图3，突扩体40的高度从其自身中线向两侧减小，突扩体40关于其自身中线对称，突扩体40的顶面可包括两个相接的弧面或两个相接的倾斜平面。突扩体40的设置能增加水流的掺气浓度，改变下泄水流挑射形态，避免在阶梯坝30上出现不连续的空腔，使得水流在消力池60内紊动强度和紊动耗散率更大，加快能量的消耗，避免了消力池60底部受下泄水流的冲刷破坏，改善了泄流时产生的雾化现象，也改善实际泄流时所产生的负压及空化空蚀等不利现象。进一步地，突扩体40的起始端与宽尾墩11相接，突扩体40的末端与掺气坎20的末端齐平，提高水流流经掺气坎20上的突扩体40时的掺气效果，从而经过宽尾墩11的挑射水舌底部得到充分的翻滚掺气，使其达到避免破坏阶梯坝30的同时，提升了阶梯坝30的了消能率。
26.wes溢流堰10的顶面为曲面，包括三段弧面。wes溢流堰10与掺气坎20的连接处切向方向与掺气坎20所在平面之间成角度设置，该角度在5～20度之间，具体地，wes溢流堰10与掺气坎20的连接处切向方向与掺气坎20所在平面之间的角度为10度。突扩体40的落差值不大于掺气坎20的首端高度与末端高度之差，具体地，突扩体40的落差值指的是，突扩体40起始端与末端的高度之差。相应地，突扩体40的长度也不大于掺气坎20的长度，突扩体40的宽度也不大于掺气坎20的宽度。
27.在一些实施例中，阶梯坝30的末端通过反弧段50与消力池60连接，反弧段50的末
端与消力池60相切连接。具体地，阶梯坝30坝面和反弧段50切点斜率为1/0.75。反弧段50的设置避免了下泄水流直接冲击破坏消力池60，降低下泄水流的能量，使下泄水流更加稳定。
28.在一些实施例中，消力池60上设有尾坎61，尾坎61的上游段坡长大于下游段坡长。具体地，尾坎61上游段坡长与下游段坡长比为1:0.6，尾坎61的顶部宽为5m。尾坎61的下游端与消力池60之间的夹角为90度。
29.水流流经本实用新型时的过程如下：
30.水流经宽尾墩11横向收缩及纵向拉伸后形成纵向挑射水舌，水舌上部扩散成水面向两侧内翻的三元水流，水舌顶部出现大曲率水气交界面，由于射流水舌和空气之间的粘滞作用，形成强大的“水舌风”，使水舌承受部分空气阻力，加大了水流的紊动强度，促使水舌表面呈波纹和水舌摆动，使得进一步的加大了空气阻力，加速水流的分裂破碎及气流的相互厮混。在掺气坎20上突扩体40的作用下，水舌落点附近又利用水股卷吸作用大量掺气后跌入反弧段50中。在水舌底部水流经过阶梯坝30，在射流水舌下形成空腔，靠近宽尾墩11的两侧与大气相连，在二相流交界面切向力的作用下，对气流产生拖曳，空腔范围内部分空气被宽尾墩11作用的挑射水舌底部带走，出现负压，在此位置与外界空气形成压力差，迫使外界中的空气不断的进入此位置。下泄水流经历连续不断的携气过程后，最终跌入反弧段50，实现保护阶梯坝30的坝面。水流冲击反弧段50和消力池60前段形成水跃，下泄水流到达尾坎61附近，并经过尾坎61的抬升作用使水流再一次挑射。消力池60消能和消力尾坎61的雍水作用下使水位抬升，而致阶梯坝30产生回流，最终经过一段时间后消力池60水位不再抬升，达到动态平衡状态。
31.以上是对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。