一种整流防涡装置的制作方法

本实用新型涉及倒虹吸管道输水工程技术领域，特别涉及一种整流防涡装置。

背景技术：

倒虹吸管道是输水工程跨越河道及其他阻碍物时常采用的一种过流交叉建筑物，正常运行情况下倒虹吸管道处于满流状态，属于有压管流。倒虹吸管道进口与出口之间的水位差大小取决于倒虹吸管道进出口之间的水头损失(包括沿程损失hf和局部损失hi)。倒虹吸管道进、出口之间的水头损失与引水流量、管道长度、断面形状尺寸、轴线布置及管道表面糙率等诸多因素有关，如果倒虹吸管道的断面形状和尺寸保持不变，则倒虹吸管道的沿程水头损失可以由式(1)计算：

其局部水头损失由式(2)计算：

式(1)和式(2)中：hf—倒虹吸管道的沿程损失，n—管道表面糙率系数，L—管道长度，R—管道的水力半径，A—管道过水断面的横断面面积，Q—管道的输水流量，hi—管道的局部损失，—管道的局部水头损失系数。

在管道轴线布置和断面形状尺寸已经确定的情况下，其水头损失的大小仍然随着引水流量和管道表面糙率的不同而变化。当输水工程在运行期间的流量变化范围较大，或者倒虹吸管道较长，管道表面糙率系数难于准确估计或运行过程中其表面糙率发生变化的情况下，例如预应力钢筒混凝土管道的表面糙率系数n可能在0.011～0.0135之间，这样倒虹吸管道进出口之间的水头损失也会相差较大，从而使得倒虹吸工程在正常运行期间其进口与出口之间的水位差发生大幅度变化。然而，倒虹吸管道进口上、下游的输水渠道的高程往往根据地形条件及输水工程的某一个特殊运行条件确定，一般情况下设计时按照输送最大引水流量Qmax来确定倒虹吸进口上游和出口下游的输水渠道的高程及断面大小。倒虹吸进口上游引水渠的水位及出口下游输水渠内的水位之差相对固定，不可能随倒虹吸管道的水头损失大小而改变，这就会造成倒虹吸进口前池7的水位大幅度变化。前池7水位大幅度变化往往引起以下两个方面的问题：(1)进水口淹没深度不足形成吸气旋涡而卷吸空气进入倒虹吸管道；(2)前池水位降低，导致引水渠水流以急流流态进入前池，并在前池内产生水跃，形成水气两相流，挟带大量气泡进入倒虹吸管道。进入倒虹吸管道的空气易聚集形成气囊，气囊随压力波动的变化振荡不仅可能引起管道水流不稳定，波动压力增大，而且可能引发气爆现象，诱发安全事故。

为了解决运行期间由于引水流量和管道表面糙率的改变引起的倒虹吸管道水头损失变化，从而导致前池水位大幅度降低引起倒虹吸管道进气及运行不稳定的问题，如图1所示，现有的技术方案是在倒虹吸管道出口段设置一道控制闸门。倒虹吸管道过流能力按照倒虹吸出口闸门全开，管道表面糙率可能最大值nmax情况下通过引水最大流量Qmax进行设计。对于引水流量和管道表面糙率减小的其他非设计运行工况，可以采取控制闸门局部开启的运行方式，使前池水位在能够维持倒虹吸管道的安全运行水位区间，以保证倒虹吸工程的正常运行。

但是这种方法存在以下缺陷：

1)需要根据倒虹吸管的表面糙率及引水流量的大小控制出口闸门的开度，调节前池水位，运行期间操作管理过程比较繁杂；

2)倒虹吸工程引水流量发生变化需要调节出口闸门开度，对于长达数公里的倒虹吸管道，闸门开度变化过快可能引起管道水击压力过大；另一方面，如果闸门在运行过程中锁定失效而突然坠落关闭，也可能引起过大的水击压力使管道破裂，存在一定的安全隐患。

3)采用闸门局部运行的措施抬高前池水位，使倒虹吸管道出口水流流速增高，出口需要设计消能设施，下游引水渠内的水流稳定性差。

为了防止倒虹吸进水口前产生有害吸气漩涡，避免空气进入倒虹吸管道而引起水流压力波动，现有的另一种技术方案是在临近进水口的上方设置若干根消涡梁，通过消涡梁的干扰来阻止进水口前形成环流流动，以避免出现吸气漩涡，防止漩涡卷吸空气进入倒虹吸管道。

该技术方案仅能解决倒虹吸管道进水口前发生吸气漩涡的问题。对于输水流量变化和管道表面糙率改变而引起前池水位降低的运行情况，引水渠的水流以急流流态进入前池，并在前池内产生水跃消能使水体掺入大量空气泡，水流挟带气泡进入倒虹吸管道的问题，其现有的技术方案不能解决。同时，前池内水流消能引起的水面大幅波动也会影响倒虹吸管道的平稳运行。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的缺陷，提供了一种整流防涡装置，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上实用新型目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种整流防涡装置，包括：跌流消力池1、尾坎2、通气管3、整流幕墙4、导流防涡孔5、排气升坎6、前池7、进水口8和隔墩9；

跌流消力池1紧邻引水渠、跌流消力池1末端设尾坎2以形成消能水垫，尾坎2后设通气管3使坎后过流面与大气连通；

跌流消力池1有多级，每一级跌流消力池1的跌坎高度一般为 3.0～6.0m，在最后一级跌流消力池1尾部底板上布置排气升坎6；

在排气升坎6下游3.0～5.0m处布置整流幕墙4和导流防涡孔5，导流防涡孔5出口直接接入前池7，进水口8布置于前池7末端。

导流防涡孔5位于最后一级跌流消力池1与前池7之间，其过流横断面呈矩形，导流防涡孔5宽度与前池7宽度相同，导流防涡孔5 的出口孔口高度按照进入前池7的水流为缓流流态确定，为保持水流稳定，其出口最大水流佛氏数可取0.50～0.70。

整流幕墙4位于导流防涡孔5进口上部，整流幕墙4垂直布置，呈矩形状，整流幕墙4的宽度与前池7宽度相同，整流幕墙4顶部高于前池7最高水位，整流幕墙4顶部约高于最后一级跌流消力池1正常运行期间的最高水位。整流幕墙4隔断跌流消力池1水面与前池7 水面的连通，防止跌流消能引起的水面波动传播到前池7内，避免影响前池7及管道内的水流稳定。

排气升坎6位于导流防涡孔5前的最后一级跌流消力池1的底板上，排气升坎6坎址至导流防涡孔进口距离为3.0～5.0m，升坎顶部高程高于导流防涡孔5的进口底板高程约0.5m。排气升坎6约束水流流向上方，借助流线弯曲加速跌流消能过程中卷入水体的气泡漂移上浮，避免水流挟带气泡经导流防涡孔5进入前池7。

通气管3一般采用圆形管道，通气管3的出口布置在跌流消力池 1的尾坎2靠近坎顶的下游面，出口采用孔径约10cm的圆孔，通气管3出口个数根据跌流消力池1尾坎2的宽度确定。

作为优选，跌流消力池1的长度L由水舌跌落长度l1和跌流壅高水跃长度l2组成，根据跌坎高度和正常运行期间的最大单宽流量确定。水舌跌落长度可按式(3)估算：

式(1)中：q—跌坎处的单宽流量；P—跌坎高度；h0—来流水深。对于高坎水舌的跌落距离可用式(4)估算：

跌流壅高水跃长度：

l2＝3.2h2 (5)

式(5)中：h2—跌流水跃第二共轭水深，按水跃公式计算。

作为优选，跌流消力池1的级数取决于倒虹吸工程正常运行期间进水口8前池7水位的变化范围；假设进水口前池的水位最大变化值为ΔHmax，则跌流消力池的级数N按式(6)计算：

N＝ΔHmax/(3～6) (6)

作为优选，跌流消力池1末端尾坎2高度为跌坎高度的1/3～1/4 之间，且最后一级跌流消力池1的高度减小0.3～0.6m；其长度增加长度3m。

作为优选，导流防涡孔5的出口顶板高程低于前池7最低运行水位，保持出口最小淹没深度不小于0.5m，导流防涡孔5进口上，下缘均采用圆弧曲面或椭圆曲面修圆，以利进口水流顺畅稳定。

作为优选，导流防涡孔5和前池7由沿水流方向布置的隔墩9按照倒虹吸管道的根数均匀分成多孔，以便各倒虹吸管道在独立和联合的运行条件下都可以保持前池的水流顺畅。

与现有技术相比本实用新型的优点在于：

1)本实用新型通过多级跌流消力池消耗引水渠与前池正常运行水位之间的多余能量，使得最后一级跌流消力池的水流能量与前池正常运行所需能量相匹配，多级跌流消力池可根据引水渠的来流状况自动调节最后一级跌流消力池的水位，避免了前池内水流消能引起水气混合流问题，以适应前池水位因运行条件改变所引起的大幅度变化。

2)实现了不同运行条件下前池内一直维持缓流流态，不会因为运行条件改变而发生流态变化，前池内主流流动轨迹相对固定，避免了进水口前的环向水流，消除了形成漩涡的不利流动，从而能够在前池水位大幅度变化的情况下保持进水口前不会形成有害漩涡。

3)借助整流幕墙将消能区的水面与前池水面隔离分开，水流消能区域与前池相互独立，消除了水流消能引起的水面大幅波动对前池水流流动的影响，有效减小了前池水面波动；借助排气升坎的排气作用，避免了跌流消能过程中卷入水流的气泡流入前池，以维系倒虹吸管道的平稳运行。

4)倒虹吸工程过水流量发生变化时无需改变闸门开度，避免闸门开度变化引起的水击压力，可增强倒虹吸管道运行的安全性能。

5)可以自动适应前池水位的大幅度变化，简化倒虹吸工程的运行管理过程。

附图说明

图1为现有技术倒虹吸管道的纵剖面示意图；

图2为本实用新型实整流防涡装置立体图；

图3为本实用新型实施例1整流防涡装置的结构示意图；

图3A为本实用新型实施例1整流防涡装置纵剖面示意图；

图3B为本实用新型实施例1整流防涡装置平面结构图。

图中个数字代表意义为：1、跌流消力池；2、尾坎；3、通气管； 4、整流幕墙；5、导流防涡孔；6、排气升坎；7、前池；8、进水口； 9、隔墩。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并举实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1

如图2、3所示，本实施例中的倒虹吸管道长度约11000m，并排布置两根内径2.8m的预应力混凝土管，正常运行期间的引水流量为 16.0～39.0m³/s，管道糙率系数取值区间为0.012～0.013，倒虹吸进出口之间的水头损失介于16.6m至28.8m之间，正常运行情况下，前池水位的变化幅度约12.0m。

整流防涡装置的结构如图2所示，包括与紧靠引水渠的三级跌流消力池1、三级跌流消力池1的跌落高度分别为4.5m、4.5m和4.1m，以满足前池7水位与12.0m的变化幅度的要求。在跌流消力池1的末端设尾槛2，使消力池壅水以满足形成跌流水跃所需的水垫水深。每一级跌流消力池1的池长和尾槛2高度按照运行期间工程最大引水流量情况下，跌流消力池内形成稳定淹没水流的要求根据经验公式进行设计计算：

h1、h2—水跃前后的共轭水深(m)，hk—相应于最大引水流量的临界水深(m)；P—跌坎高度(m)。

跌流消力池1的长度为水舌跌落距离和水跃长度之和，水舌跌落距离为：

跌流水跃的跃长l2为：

l2＝3.2h2 (10)

尾槛的高度a为：

a＝σh2-h3 (11)

式中:a-尾槛高度(m)；σ-水跃淹没系数，一般取1.05～1.1；h3—尾槛的坎顶水深(m)。跌流消力池宽度为13.0m，最大引水流量为39.0m³/s，由式(1)～式(5)计算得到三级消力池的长度分别为 13.42m、13.42m和13.19m，尾槛高度分别为1.37m、1.37m和1.33m。

位于第三级跌流消力池1后部底板上的排气升坎可以兼备第三级跌流消力池1的尾槛功能，排气升坎6的顶部高程高于导流防涡孔5 进口底板高程约0.5m，或者其高度可取相应尾槛高度的1.5～2.0倍。在排气升坎6后3～5m处设置整流幕墙4，整流幕墙4的墙顶高于最高运行水位(超高值0.3m)。导流防涡孔5和前池7由沿中心线布置的隔墩9对称分成两孔，以便两根倒虹吸管道在独立和联合的运行条件下都可以保持前池的水流顺畅。导流防涡孔5的宽度与前池7的宽度相同，均为5.0m，导流防涡孔5出口的高度按照最大引水流量为 39m³/s时，其出口水流的水流佛氏数为0.5的控制条件设计，经计算可知其出口孔口高度为1.8m，导流防涡孔5出口顶部高程低于前池7 正常运行的最低水位约1.0m，以保证由导流防涡孔5流入前池的水流在正常运行情况下都处于缓流流态，同时兼顾减小水面波动，稳定水流。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的实施方法，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。