专利名称：高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法
技术领域：
高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法属于泄水建筑物侧墙保护技术领域，特别涉及防止高流速泄水建筑物侧墙空蚀破坏的技术领域。
背景技术：
随着坝工技术的提高和我国水利水电建设事业的快速发展，高水头、大流量泄水建筑物正在不断增加，一批坝高在200～300m的超高坝和超高速水流的巨型水电工程(如小湾、溪洛渡、锦屏一级等)将陆续建成。这些工程的泄洪洞、深孔和溢洪道等高水头泄水建筑物中的最高过流速度可达50m/s。由此产生的高速水流问题日益突出，泄水建筑物发生严重空蚀破坏的可能性逐渐增大，成为高坝设计、建设的制约因素之一，因而备受工程界及研究人员的关注。
目前，对于高水头泄洪洞空蚀破坏的防护，仅采用保证壁面平整度及使用抗空蚀材料的方法已不能很好满足要求，实践证明掺气减蚀是防止空驶破坏的有效手段。已有的试验研究表明，当水中近壁面处掺气浓度C＝1％～2％时，即可明显减轻固壁面的空蚀破坏；当掺气浓度达到C＝5％～7％时，空蚀破坏可完全消失。近年来对于掺气减蚀已有很多研究成果，已在陡槽、溢洪道、泄洪洞、闸下出流、竖井等高水头泄水建筑物中得到广泛应用，并取得了极大成功，大量工程实践表明，掺气减蚀设施可使泄水建筑物的底板受到良好的保护；但是，在泄洪洞反弧段下游侧墙附近，突扩突跌布置的泄水孔侧墙部分仍出现了一些较为严重的破坏实例，如原苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站设置了8个底孔，1967年投入运行，运行水头为0～60m，1968年检查发现在4、5、8号孔的跌坎下游接近射流底缘的侧壁上发生空蚀破坏；龙羊峡水电站底孔1987年开始运用，至1989年总共运行3次，总过水历时7137小时，孔口最高运用水头89m。1989年讯后检查发现距跌坎下游约37m处，侧墙破坏严重，左边墙最大冲深2.5m，破坏面积180m2，右边墙最大冲深0.7m，破坏面积104m2，破坏原因为水流掺气不足造成的空蚀破坏；美国德沃歇克大坝也是侧墙空蚀破坏的典型案例，三个泄水孔均采用突扩突跌布置，设计水头81m，孔口尺寸2.7m×3.8m，工作闸门处断面最大流速38m/s，泄水孔泄水一个月后，三个泄水孔均发生了不同程度的空蚀破坏，其中，中间和左侧泄水孔破坏较为严重，特别是左侧泄水孔护面末端两侧边墙上的空蚀破坏最为严重，空蚀破坏区长达6m，深0.56m，高3m；另外如二滩水电站1#泄洪洞、巴基斯坦塔贝拉电站的泄水孔侧墙等都发生了程度不同的空蚀破坏，且随着水头的增高和流速的增大，泄洪洞反弧段下游侧墙发生空蚀破坏的可能性有增长的趋势。
关于如何加强高水头泄水建筑物的侧墙保护，改善侧壁水流结构现在国内外无具体体型的研究。针对泄水建筑物侧墙的空蚀破坏原因，有少量研究成果，已有的研究认为，由于掺气空腔将明显降低底空腔上部及其附近侧壁处的动水压强，同时由于该范围内水面自由掺气尚处于发展阶段，在底部掺气坎后的侧墙中部将形成较大范围的清水带(掺气盲区)，该区域水流的掺气量很小，远达不到减蚀的要求，仅能依靠控制壁面不平整度和提高壁面材料的抗蚀能力。而对于大面积的侧墙，要严格控制壁面不平整度等施工质量指标是较为困难的，因此易产生空蚀破坏。
现有研究仅停留在理论分析原因阶段，并未提出具体解决办法。本申请者曾结合三峡深孔模型试验，研究了侧向折流器对侧空腔和低空腔掺气参数的影响，对于侧墙特殊水流特性、侧墙掺气机理等问题均进行了深入探究。申请者所进行的大比尺模型试验研究表明侧墙上形成四个区域，即侧空腔区、压力骤降区、低压区和稳定区，各个区域的位置及形状均受水流流速的影响。流速到达一定程度后，低压区域中开始出现闭合的负压区，并且，随着流速的增加，负压区的位置逐渐向下游移动、范围不断增大、负压值不断升高，逐步发展成为空化诱发源。观测发现，在侧墙水流冲击点处，由于立轴旋滚对空气的卷吸，产生了少量掺气条带，掺气浓度在1.3％左右，但此浓度的掺气尚不能满足防止空蚀破坏的要求。
申请者后来在国家自然科学基金的资助下，对侧墙掺气进行了深入研究，提出了在侧墙实现自掺气的新技术。该自掺气技术通过新型的侧墙掺气设施，成功地解决了此类问题。经大比尺模型试验证实，可以有效地提高侧墙掺气浓度，形成广泛的侧墙掺气保护区。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法，该方法通过在高流速泄水建筑物侧壁加装自掺气设施，在侧壁附近形成大范围、高浓度的掺气水流，从而有效地保护侧壁，减免了高流速泄水建筑物侧墙发生空化空蚀破坏的危险。
本方法的特征在于在高流速泄水建筑物侧墙上沿着水深方向设置坡形侧挑坎，此侧挑坎与水流流正交，在所述侧墙上位于侧挑坎下开有一排掺气孔，在所述侧墙后部设置一个与所述掺气孔相通的通气管。
所述侧挑坎可以只设一个连续的长挑坎。
所述侧挑坎也可以设为差动式挑坎，由两个以上短挑坎组成，间隔排列，且每一个侧挑坎下开有一个掺气孔。相邻侧挑坎之间的距离可以相等。侧挑坎的长度也可以相等。
试验证明，在高流速泄水建筑物侧墙上加装挑坎、并在坎后开设侧掺气孔，水流流经侧挑坎后，即可在侧壁上形成大范围、稳定的负压空腔。在负压作用下，外部空气经由侧掺气孔进入水中，气、水充分混掺后，可在侧壁附近形成高浓度的掺气水流；并且，在下游相当长的距离内，侧壁水流均能保持足够的掺气浓度，从而有效地减免了侧壁发生空蚀破坏的危险。
图1是连续式侧墙自掺气设施示意图；图2是连续式侧墙自掺气设施示的三向视图，其中是图2b是的主视图，图2a是图2b的A剖图，图2c是图2b的俯视图；图3是差动式侧墙自掺气设施示意图；图4是差动式侧墙自掺气设施示的三向视图，其中是图4b是的主视图，图4a是图4b的A剖图，图4c是图4b的俯视图；图5是连续式侧挑坎侧墙掺气浓度分布曲线；图6是差动式侧挑坎侧墙掺气浓度分布曲线。
上述图中，1为侧墙，2为掺气孔，3为通气管，4为侧挑坎，L表示侧挑坎长度，箭头表示水流方向。
具体实施例方式侧挑坎可分为连续式和差动式两种类型，虽然都可达到掺气减蚀保护侧墙的目的，但两者所引起的水流流态及掺气浓度分布规律具有不同特征。
如图1和图2所示连续式侧挑坎，在侧墙1上只设一个侧挑坎4，长度L较长，在侧挑坎4下有一排掺气孔2，与侧墙1后的通气管3相通。在连续式挑坎的工况下，水流流经侧挑坎后，向内部挑射，与壁面脱离开，经过一定距离后，方能重新落回壁面。在这段区域内，即可形成一个上下封闭、一定长度的近壁空腔；外部空气由设在坎后的掺气孔进入空腔，并在气、水接触面上发生掺混，形成一定的掺气浓度。掺气水流落回壁面时，在落射处(即空腔末端)形成一条白色的旋滚带，也能形成良好的气、水掺混。其后气泡逐渐逸出，掺气浓度逐步下降。
如图3和图4所示差动式侧挑坎，在侧墙1上设有多个侧挑坎4，长度L较短，每一个侧挑坎4下有一个掺气孔2，与侧墙1后的通气管3相通。在差动式挑坎的工况下，部分水流从挑坎上流过，部分水流从分段挑坎之间的空隙处流过。在此工况下，差动式挑坎的挑射作用并不能使侧壁水流大范围脱离壁面、形成空腔，而是在挑坎后形成一道狭长的进气带。侧壁表面，若干条平行的进气带在水流中不断紊动、破碎，发展成大范围的气、水掺混区域，在近壁水流中形成相当高的掺气浓度，并延伸至下游。差动式侧挑坎可以等间距布置。与连续式相比，其总掺气量略大。
通过模型试验，测量了连续式和差动式两种工况下的近壁水流掺气浓度，如表1所示表1 侧壁水流掺气浓度(％)
如图5所示，连续式侧挑坎工况下，掺气浓度曲线的前部往往高达80％以上；这一部分，并非掺气水流，而是侧挑坎后水流脱离壁面所形成的帷幕状的近壁侧空腔区，此区域的长度约为一般底空腔长度的1.5-2倍。在此掺气幕内，由于水流已脱离壁面，可形成完全的侧墙局部保护区域。在掺气幕的末端，即水流回落处，通常可形成浓度为10％-20％的掺气带；随着气泡的不断逸出，下游近壁水流的掺气浓度逐渐降低。
如图6所示在差动式侧挑坎的工况下，侧壁并不形成大面积的近壁空腔区。气、水直接在侧壁附近紊动掺混，形成30％左右的掺气浓度。随着气泡的逐渐逸出，下游水流的掺气浓度逐步降低，但与连续式侧挑坎的工况相比，其下降趋势较为平稳缓慢，可以在下游相当长的范围内保持5％以上的掺气浓度。在此掺气浓度范围内，可以有效地减免空蚀破坏，保护侧墙。
从水流流态及掺气浓度分布特征来看，连续式侧挑坎在前部形成侧壁空腔，水流脱离壁面；后部近壁水流可保持一定的掺气浓度，但衰减较快。差动式侧挑坎对水流流态的改变较小，在前部形成气、水紊动掺混区，形成高浓度近壁掺气水流；后部掺气浓度衰减较慢，可在较长区域内保持有效的掺气减蚀浓度。跟据实际应用情况及防护目的，可以选择适宜的侧挑坎形式用以保护侧墙。
侧墙自掺气设施由侧挑坎、掺气孔及通气管等部分组成，通过侧挑坎及掺气孔的联合作用达到侧壁水流自掺气的效果。单独设置侧挑坎或掺气孔是无效的。
试验证明，封堵侧掺气孔后，侧挑坎不能形成掺气水流；去除侧挑坎，则侧掺气孔附近不能形成足够的负压，不能进气。因此，侧挑坎及侧掺气孔的联合作用是此新型设施发挥效用的关键。位置可根据实际工程的应用情况及防护目的，在高流速泄水建筑物侧墙需要重点保护的部位上游加装此项自掺气装置(如泄水道反弧末端的侧墙上，突扩突跌出射水流在侧墙的冲击点下游等)，即可在侧墙近壁处形成掺气水流，保护侧墙减免空蚀破坏。
该项技术解决了高水头泄水建筑物侧墙发生空蚀破坏的问题。采用此项自掺气技术将有效地保护高速水流建筑物的侧墙，形成高掺气浓度水流，避免侧墙空蚀破坏。
权利要求
1.高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法，其特征在于，在高流速泄水建筑物侧墙上沿着水流方向设置坡形侧挑坎，在所述侧墙上位于侧挑坎下开有一排掺气孔，在所述侧墙后部设置一个与所述掺气孔相通的通气管。
2.如权利要求1所述的高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法，其特征在于，所述侧挑坎有一个。
3.如权利要求1所述的高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法，其特征在于，所述侧挑坎有两个以上，间隔排列，且每一个侧挑坎下开有一个掺气孔。
4.如权利要求3所述的高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法，其特征在于，相邻侧挑坎之间的距离相等。
5.如权利要求3所述的高流速泄水建筑物侧墙自掺气方法，其特征在于，所述侧挑坎的长度相等。
全文摘要
流速泄水建筑物侧墙自掺气方法属于泄水建筑物侧墙保护技术领域，特别涉及防止高流速泄水建筑物侧墙空蚀破坏的技术领域。其特征在于，它是在高流速泄水建筑物侧墙上沿着水流方向设置坡形侧挑坎，在侧墙上位于侧挑坎下开有一排掺气孔，在侧墙后部设置一个与掺气孔相通的通气管。侧挑坎分为连续式和差动式两种。该方法的实施，能够在侧壁附近形成大范围、高浓度的掺气水流，从而有效地保护侧壁，减免了高流速泄水建筑物侧墙发生空化空蚀破坏的危险。
文档编号E02B5/02GK1760463SQ200510086920
公开日2006年4月19日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者聂孟喜 申请人:清华大学