一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法
【专利摘要】本发明是一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，当前直线坡与后直线坡的延长线夹角α≥150°时，后直线坡顶端通过一段水平线或斜向上的折线交于挑坎的末端向下的垂线形成位于挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽；当前直线坡与后直线坡的延长线夹角α＜150°时，后直线坡顶端先通过一段斜向上的曲线连接一段水平线或斜向上的折线，然后水平线或斜向上的折线交于挑坎的末端向下的垂线形成位于挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽。本发明体型简单，易施工，空腔大，掺气足，挑坎段泄槽流态好。
【专利说明】一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程【技术领域】，涉及一种掺气槽设置方法，具体的说是一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法。
【背景技术】
[0002]泄水建筑物高速水流泄槽，从进口到出口因地形地质原因，或流态结构设计需要，变坡是一种常用坡度衔接的布置方式。如泄洪洞进口位置较高时，无论用龙抬头或龙落尾方式，均有一段由较缓底坡变为较陡底坡的现阶段，同样在溢洪道泄槽中，一坡到底较少，比较多的是由缓坡变为陡坡的设计方法。众所周知，掺气槽是高速水流减少空化空蚀的有效手段。通常泄槽底坡不变时，掺气槽只要通过掺气槽体形变化与优化达到通气足、空腔长、掺气浓度满足防止空化空蚀要求的效果，同时也能达到坎后泄槽流态平稳的目的。
[0003]对于由缓底坡变为陡底坡衔接段设置的掺气槽，除掺气槽体形要适应变坡的特点夕卜，还需对变坡点区域内底板形状加以优化。变坡分为两种情况:一种变坡交点前后段均为直线，另一种变坡交点前段底板前为直线，交点之后底板为渥奇曲线或其他形状连接曲线。底坡变化点亦是曲率的畸变点，水流特别是高速水流流动时易发生脱离边壁现象而产生低压区或负压区，导致水流发生空化，以致空蚀。掺气槽作为防止空化空蚀的一种设施，也因为变坡掺气槽的体型相对常规体型要复杂些。
[0004]当前我国高坝水库大量建设，泄水建筑物的高速水流水力学问题是必然要有效解决的技术问题，同时亦要求措施易于实现以及便于施工和管理，在泄水建筑物中溢洪道、溢流坝及泄水隧洞中，高速水流空化空蚀，就是这类严重的需有效解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提出一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，体型简单，易施工，空腔大，掺气足，挑坎段泄槽流态好。
[0006]本发明解决以上技术问题的技术方案是:
[0007]一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，该高速水流泄槽底坡包括位于上游的前直线坡和位于下游的后直线坡，且前直线坡高于后直线坡并形成由缓变陡的结构，前直线坡的长度il小于后直线坡的长度i2，前直线坡末端接有挑坎；
[0008]当前直线坡与后直线坡的延长线夹角α >150°时，后直线坡顶端通过一段水平线或斜向上的折线交于挑坎的末端向下的垂线形成位于挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽；
[0009]当前直线坡与后直线坡的延长线夹角α <150°时，后直线坡顶端先通过一段斜向上的曲线连接一段水平线或斜向上的折线，然后水平线或斜向上的折线交于挑坎的末端向下的垂线形成位于挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽；
[0010]掺气槽的槽深h2为挑坎末端与水平线或斜向上的折线之间的垂直距离，槽深h2为I?IOm ；[0011]通过调整掺气槽上游前直线坡结束点和掺气槽下游后直线坡起始点相对高差和水平距离以及掺气槽的坎下槽底的形状，达到掺气空腔最长最大，掺气量最足，使挑坎下水流下缘水面线与掺气槽下游底坡交角最小，冲击下游底板作用弱化到最小；所述相对高差是5?IOm,所述水平距离是30?50m。
[0012]本发明进一步限定的技术方案是:
[0013]前述的高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，其中曲线为抛物曲线，曲线表达式为:y=0.05x+0.00425x2，或曲线表达式:y=0.023x+0.0025x2 ;以水平线或斜向上的折线与抛物曲线的交点为原点，作水平线为横坐标X。
[0014]前述的高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，其中挑坎的坎高hi为挑坎的末端至坡底的垂直距离，坎高hi为0.3?1.5m。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]本发明变底坡掺气体形及布置，体型简单，易施工，空腔大，掺气足，挑坎段泄槽流态好。本发明掺气槽的设置方法是解决高速水流空蚀空化有效可行的方法，而常规通用挑坎体形和布置方法适用于不变底坡的条件，而本发明适用于变坡掺气槽。
[0017]由于本发明不仅优化挑坎形状，保证坎下泄槽流态好，而且调整掺气槽上游坡结束点和掺气槽下游坡起始点相对高差和水平距离以及掺气槽的坎下槽底的坡度与形状，达到掺气空腔最长最大，掺气量最足，而且使挑坎下水流下缘水面线与掺气槽下游底坡交角最小，冲击下游底板作用弱化到最小。换言之，掺气槽下游底坡上没压力峰值，且脉动最小，同时又能确保坎下没有回溯水流，掺气槽后水流平稳。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例1的结构示意图。
[0019]图2是本发明实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]实施例1
[0021]本实施例提供一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，掺气槽结构如图1所示，该高速水流泄槽底坡包括位于上游的前直线坡I和位于下游的后直线坡2，且前直线坡高于后直线坡并形成由缓变陡的结构，即泄槽底坡由缓变陡，泄槽底坡面呈凸面，水流流经凸面易脱离边界，形成低压区产生空穴，特别高速水流状态，更易发生空蚀，前直线坡的长度il小于后直线坡的长度i2，前直线坡I的末端A接有挑坎3，即挑坎3的前端连接前直线坡I的末端A ;前直线坡I与后直线坡2的延长线夹角α >150° ;后直线坡2的顶端通过一段水平线或斜向上的折线4交于挑坎3的末端向下的垂线5形成位于挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽，即穿过下游底坡顶部接点B作水平线或折线交于坎末垂线，定出槽深h2，槽深h2为挑坎末端与水平线或斜向上的折线之间的垂直距离，槽深h2为I?10m，挑坎的坎高为挑坎的末端至坡底的垂直距离，坎高hi为0.3?1.5m。
[0022]本实施例通过调整掺气槽上游前直线坡结束点和掺气槽下游后直线坡起始点相对高差(相对高差是5?IOm)和水平距离(水平距离是30?50m)以及掺气槽的坎下槽底的形状(水平线或斜向上的折线4)，达到掺气空腔最长最大，掺气量最足，使挑坎下水流下缘水面线与掺气槽下游底坡交角最小，冲击下游底板作用弱化到最小。
[0023]实施例2
[0024]本实施例提供一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，掺气槽结构如图2所示，该高速水流泄槽底坡包括位于上游的前直线坡I和位于下游的后直线坡2，且前直线坡高于后直线坡并形成由缓变陡的结构，即泄槽底坡由缓变陡，泄槽底坡面呈凸面，水流流经凸面易脱离边界，形成低压区产生空穴，特别高速水流状态，更易发生空蚀，前直线坡的长度il小于后直线坡的长度i2，前直线坡I的末端A接有挑坎3，即挑坎3的前端连接前直线坡I的末端A ;前直线坡I与后直线坡2的延长线夹角α <150° ;后直线坡2顶端先通过一段斜向上的抛物曲线6连接一段水平线或斜向上的折线4，然后水平线或斜向上的折线4交于挑坎3的末端向下的垂线5形成位于挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽，α < 150°时，槽底突起较大，泄槽宜用渥奇曲线，由于直线坡I的末端A (掺气槽底坎起坡点)与下游底坡顶部接点B (下游坡起点)水平距离不宜过长和过高，因此，将渥奇段顶部(从B点起)削成较缓坡，形成槽；即穿过下游底坡顶部接点B先作抛物曲线6，然后连接水平线或折线交于坎末垂线，定出槽深h2，槽深h2为挑坎末端与水平线或斜向上的折线之间的垂直距离，槽深h2为I?10m，挑坎的坎高为挑坎的末端至坡底的垂直距离，坎高hi为0.3?1.5m。其中曲线为抛物曲线，曲线表达式为:y=0.05x+0.00425x2，或曲线表达式:y=0.023x+0.0025x2 ;如图2所示，以水平线或斜向上的折线4与抛物曲线6的交点为原点，作水平线为横坐标X轴，作垂直线为竖坐标I轴。
[0025]本实施例通过调整掺气槽上游前直线坡结束点和掺气槽下游后直线坡起始点相对高差(相对高差是5?IOm)和水平距离(水平距离是30?50m)以及掺气槽的坎下槽底的形状(渥奇曲线6及水平线或斜向上的折线4)，达到掺气空腔最长最大，掺气量最足，使挑坎下水流下缘水面线与掺气槽下游底坡交角最小，冲击下游底板作用弱化到最小。
[0026]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，其特征在于:该高速水流泄槽底坡包括位于上游的前直线坡和位于下游的后直线坡，且前直线坡高于后直线坡并形成由缓变陡的结构，前直线坡的长度il小于后直线坡的长度i2，所述前直线坡末端接有挑坎； 当前直线坡与后直线坡的延长线夹角α >150°时，所述后直线坡顶端通过一段水平线或斜向上的折线交于所述挑坎的末端向下的垂线形成位于所述挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽； 当前直线坡与后直线坡的延长线夹角α <150°时，所述后直线坡顶端先通过一段斜向上的曲线连接一段水平线或斜向上的折线，然后所述水平线或斜向上的折线交于所述挑坎的末端向下的垂线形成位于所述挑坎末端与后直线坡顶端之间的掺气槽； 所述掺气槽的槽深h2为所述挑坎末端与所述水平线或斜向上的折线之间的垂直距离，所述槽深h2为I?IOm; 通过调整掺气槽上游前直线坡结束点和掺气槽下游后直线坡起始点相对高差和水平距离以及掺气槽的坎下槽底的形状，达到掺气空腔最长最大，掺气量最足，使挑坎下水流下缘水面线与掺气槽下游底坡交角最小，冲击下游底板作用弱化到最小；所述相对高差是5?IOm,所述水平距离是30?50m。
2.如权利要求1所述的高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，其特征在于:所述曲线为抛物曲线，曲线表达式为:y=0.05x+0.00425x2，或曲线表达式:y=0.023x+0.0025x2 ;以水平线或斜向上的折线与抛物曲线的交点为原点，作水平线为横坐标Xo
3.如权利要求1或2所述的高速水流泄槽底坡由缓变陡的掺气槽设置方法，其特征在于:所述挑坎的坎高hi为挑坎的末端至坡底的垂直距离，所述坎高hi为0.3?1.5m。
【文档编号】E02B8/06GK103821113SQ201410029555
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】吴时强, 周辉, 周杰, 吴修锋, 陈惠玲, 戴江玉, 王芳芳 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院