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1、10申请公布号CN102277862A43申请公布日20111214CN102277862ACN102277862A21申请号201110121895022申请日20110511E02B8/06200601E02B3/1020060171申请人中国水利水电科学研究院地址100048北京市海淀区车公庄西路20号72发明人张东吴一红章晋雄刘之平张宏伟高建标张文远李长河项亚萍74专利代理机构北京康盛知识产权代理有限公司11331代理人张良54发明名称一种侧壁掺气坎及其设置有侧壁掺气坎的明流隧洞57摘要本发明公开了一种侧壁掺气坎，该侧壁掺气坎设置在明流隧洞起始部位的两侧，该侧壁掺气坎为梯形收缩突扩式的。
2、样式，在突扩突跌掺气坎后增设该侧壁掺气坎，可妥善地解决泄洪洞闸门出口的高速水流由压力流转变为明流的衔接问题，并同时提高了水流的掺气效果，增强了对下游高速过流表面的掺气减蚀保护。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图6页CN102277866A1/1页21一种侧壁掺气坎，其特征在于所述侧壁掺气坎为五面体，所述五面体结构包括，上表面、下表面、左侧面、右侧面和背面；所述上表面和下表面均为直角梯形，所述左侧面和右侧面均为直角三角形，所述背面为长方形。2如权利要求1所述的侧壁掺气坎，其特征在于还包括长方体，所述长方体设置在所述五面体的背面位置。3如权利。
3、要求2所述的侧壁掺气坎，其特征在于还包括底板，所述底板设置在所述长方体和五面体的下部。4如权利要求1所述的侧壁掺气坎，其特征在于掺气坎沿流向倾斜比的取值范围在051之间；侧向收缩比的取值范围在0050125之间。5一种设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，所述明流隧洞包括宽度不变的明流隧洞和含二次突扩段的明流隧洞，其特征在于所述侧壁掺气坎设置在所述宽度不变的明流隧洞起始部位的两侧，或者所述侧壁掺气坎设置在所述含二次突扩段的明流隧洞二次突扩部位的两侧；所述侧壁掺气坎为五面体，所述五面体结构包括，上表面、下表面、左侧面、右侧面和背面；所述上表面和下表面均为直角梯形，所述左侧面和右侧面均为直角三角形，所述背面。
4、为长方形。6如权利要求5所述的设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，其特征在于还包括长方体，所述长方体设置在所述五面体的背面位置。7如权利要求6所述的设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，其特征在于所述五面体的右侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩侧壁处，所述五面体的下表面放置在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩竖墙；或者，所述五面体的右侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的侧壁处，所述五面体的下表面放置在所述宽度不变的明流隧洞的进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的起始部位。8如权利要求6所述的设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，。
5、其特征在于还包括底板，所述底板设置在所述长方体和五面体的下部。9如权利要求8所述的设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，其特征在于所述五面体的右侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩侧壁处，所述底板的下表面放置在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩竖墙；或者，所述五面体的右侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的侧壁处，所述底板的下表面放置在所述宽度不变的明流隧洞的进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的起始部位。权利要求书CN102277862ACN102277866A1/5页3一种侧壁掺气坎及其设置有侧壁掺气坎的明流隧。
6、洞技术领域0001本发明涉及水利工程的泄洪消能领域，特别涉及一种侧壁掺气坎及其设置有侧壁掺气坎的明流隧洞。背景技术0002高水头低位泄洪洞在压力洞向明流洞过渡段为配合闸门止水设计一般采用突扩突跌掺气坎的衔接型式。对于突扩突跌掺气坎的衔接型式，由于闸门出口处水流流速高，且前后宽度不同，水流由压力流向明流过渡的过程中，必然伴随着水力特性的剧烈调整。突扩突跌掺气坎的衔接型式的缺点在于弧门局部开启时水流流态差，侧面水流掺气困难，掺气设施两侧边墙存在清水带，容易发生空蚀破坏，不利于泄洪洞的安全。如龙羊峡底孔、紫坪铺冲沙放空洞在运行过程中都出现了不同程度的空蚀破坏。为了避免空蚀破坏，在突扩突跌掺气坎后增设。
7、过渡段，来做进一步的水力调整。0003目前压力隧洞出口突扩突跌掺气坎后直接与明流隧洞相连接，或者是增设一定长度的渐扩段过渡衔接。0004如图1所示，是现有技术中压力隧洞连接宽度不变的明流隧洞的结构示意图。压力隧洞1与宽度不变的明流隧洞2相连接。对于该连接型式，其突扩宽度是该体型的主要参数。合适的突扩宽度可保证水流流态良好，有利于水流掺气，实现泄洪洞水流由有压向无压的良好过渡。过大的突扩宽度导致侧向扩散水流对边壁的冲击角偏大，不仅引起流态恶化，还影响侧壁掺气效果，不利于泄洪洞的安全运行。而过小的突扩宽度导致侧空腔太小，通气不畅，影响水流掺气，还可能形成负压区。水流侧向冲击边墙产生的反弹折流作用容。
8、易发生水流分离现象，导致存在负压区，这种水流条件下容易诱发空化水流，同时由于边墙冲击区压力升高妨碍水流挟气，影响侧壁水流掺气效果，不能对边墙形成有效的掺气保护。0005如图2所示，是现有技术中压力隧洞连接含渐扩段的明流隧洞的结构示意图。压力隧洞1与含渐扩段的明流隧洞3相连接。对于该连接型式，渐扩段的扩散角是设计中的重要参数。合理的扩散角有利于水流平稳过渡，而不当的扩散角很容易引起高速水流的边壁分离现象，诱发空蚀破坏。由于扩散角受具体工程布置等多种因素限制，出于各自水力条件、运行特点、工程布置等因素考虑，工作弧门和下游明流段的宽度可能不同，选择合适的扩散角以适应不同的水力运行条件有一定难度。因此。
9、在实际应用中，多选用压力隧洞1出口突扩突跌掺气坎后直接与宽度不变的明流隧洞2相连接的型式。0006现有技术中的连接形式在闸门局部开启时侧空腔短，水翅强，而且受闸门底缘作用，水流封堵侧空腔，减弱侧壁掺气效果，侧空腔后往往存在大面积掺气盲区，容易发生空蚀风险，影响泄洪洞安全。以某工程冲沙放空洞为例，工作闸门出口下游设计体型不善引起水流分离使边墙局部压力陡然降低并发生空化水流；而突扩突跌掺气坎后侧空腔较短，边墙附近水流掺气能力不足，不能对边墙提供有效的掺气减蚀保护。以上两个因素是闸室出口两侧边墙容易发生空蚀破坏的主要原因。目前没有很好的解决压力隧洞与明流隧洞连接后水流流态差、掺气困难、边壁容易发生空。
10、化空蚀问题的办法。说明书CN102277862ACN102277866A2/5页4发明内容0007本发明所解决的技术问题是提供一种侧壁掺气坎及其设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，其能有效的解决现有技术中压力隧洞连接明流隧洞后水流流态差、掺气困难、边壁容易发生空化空蚀及闸门不能局部开启运行的问题。0008技术方案如下0009一种侧壁掺气坎，所述侧壁掺气坎为五面体，所述五面体结构包括，上表面、下表面、左侧面、右侧面和背面；所述上表面和下表面均为直角梯形，所述左侧面和右侧面均为直角三角形，所述背面为长方形。0010进一步，还包括长方体，所述长方体设置在所述五面体的背面位置。0011进一步，还包括底板，所述。
11、底板设置在所述长方体和五面体的下部。0012进一步，掺气坎沿流向倾斜比的取值范围在051之间；侧向收缩比的取值范围在0050125之间。0013一种设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，所述明流隧洞包括宽度不变的明流隧洞和含二次突扩段的明流隧洞，其特征在于所述侧壁掺气坎设置在所述宽度不变的明流隧洞起始部位的两侧，或者所述侧壁掺气坎设置在所述含二次突扩段的明流隧洞二次突扩部位的两侧；所述侧壁掺气坎为五面体，所述五面体结构包括，上表面、下表面、左侧面、右侧面和背面；所述上表面和下表面均为直角梯形，所述左侧面和右侧面均为直角三角形，所述背面为长方形0014进一步，还包括长方体，所述长方体设置在所述五面体的背面。
12、位置。0015进一步，所述五面体的右侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的侧壁处，所述五面体的下表面放置在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩竖墙；或者，所述五面体的右侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的侧壁处，所述五面体的下表面放置在所述宽度不变的明流隧洞的进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的起始部位。0016进一步，还包括底板，所述底板设置在所述长方体和五面体的下部。0017进一步，所述五面体的右侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩侧壁处，所述底板的下表面放置在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩进水。
13、口处，所述长方体的后侧面贴在所述含二次突扩段的明流隧洞的二次突扩竖墙；或者，所述五面体的右侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的侧壁处，所述底板的下表面放置在所述宽度不变的明流隧洞的进水口处，所述长方体的后侧面贴在所述宽度不变的明流隧洞的起始部位。0018技术效果如下00191、本发明提出了一种侧壁掺气坎，该侧壁掺气坎为梯形收缩突扩式的样式，在突扩突跌掺气坎后增设该掺气坎，可妥善地解决泄洪洞闸门出口的高速水流由压力流转变为明流的衔接问题，并同时提高了水流的掺气效果，增强了对下游高速过流表面的掺气减蚀保护。00202、本发明以梯形收缩式突扩掺气坎代替传统的渐扩衔接，可消除侧壁清水带的负压区，增大侧空腔。
14、面积，改善侧面通气状况，增强侧壁水流掺气效果。00213、使用本发明的侧壁掺气坎，可控制水舌自上而下先后出坎，从而有效地抑制了说明书CN102277862ACN102277866A3/5页5水翅的产生，大大地改善下游的水流流态，同时增强侧壁掺气效果。00224、本发明的侧壁掺气坎沿水流方向逐渐缩窄，可进一步增大侧空腔底部面积，形成上宽下窄的三维自由射流，控制水流与边墙交汇点，有效的抑制了边墙水翅的形成，侧向收缩的体型设计可进一步改善下游的水流流态，增强侧壁掺气效果。00235、本发明满足了闸门局部运行的要求。附图说明0024图1是现有技术中压力隧洞连接宽度不变的明流隧洞的结构示意图；0025图。
15、2是现有技术中压力隧洞连接含渐扩段的明流隧洞的结构示意图；0026图3是本发明放置在含二次突扩段的明流隧洞的俯视结构示意图；0027图4是本发明放置在含二次突扩段的明流隧洞的侧视结构示意图；0028图5是本发明中优选实施例一的立体结构示意图；0029图6是本发明中优选实施例一的俯视结构示意图；0030图7是本发明中优选实施例一的侧视结构示意图；0031图8是本发明中优选实施例二的立体结构示意图；0032图9是本发明中优选实施例二的俯视结构示意图；0033图10是本发明中优选实施例二的侧视结构示意图；0034图11是本发明中优选实施例三的立体结构示意图；0035图12是本发明中优选实施例三的俯视。
16、结构示意图；0036图13是本发明中优选实施例三的侧视结构示意图。具体实施方式0037本发明提供一种侧壁掺气坎及其设置有侧壁掺气坎的明流隧洞，该侧壁掺气坎为梯形收缩式突扩形状，该侧壁掺气坎设置在明流隧洞的起始部位。下面参考附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细描述。0038如图3和图4所示。压力隧洞1与含二次突扩段的明流隧洞4相连接，本发明的侧壁掺气坎5设置在含二次突扩段的明流隧洞4二次突扩部位的两侧。本发明的侧壁掺气坎5也可以设置在宽度不变的明流隧洞2起始部位的两侧。0039优选实施例一0040如图5所示，本发明中优选实施例一的立体结构示意图；如图6所示，是本发明中优选实施例一的俯视结构。
17、示意图；如图7所示，是本发明中优选实施例一的侧视结构示意图。0041本发明优选实施例一的侧壁掺气坎为一个五面体，五面体的结构分为上表面11、下表面、左侧面12、右侧面和背面；其中，上表面11和下表面均为直角梯形，上表面11中上底边的长度为B1，下底边的长度为B2；左侧面12和右侧面均为直角三角形，左侧面12中高的长度为H；右侧面中高的长度为H，底边的长度为L；背面为长方形，宽的长度为B1，长的长度为H。0042本发明优选实施例一的侧壁掺气坎的体型参数包括坎高的长度为H，坎底长度为L，突扩宽度为B1，坎前沿宽度为B2。其中H/L表示掺气坎沿流向倾斜比，取值范围在说明书CN102277862ACN。
18、102277866A4/5页6051之间。B2B1/L表示侧向收缩比，取值范围在0050125之间。0043优选实施例一的侧壁掺气坎设置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩部位，其中，五面体的右侧面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩的侧壁处，五面体的下表面放置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩进水口处，五面体的背面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩竖墙；或者，优选实施例一的侧壁掺气坎设置在宽度不变的明流隧洞2的起始部位，其中，五面体的右侧面贴在宽度不变的明流隧洞2的侧壁处，五面体的下表面放置在宽度不变的明流隧洞2的进水口处，五面体的背面贴在宽度不变的明流隧洞2的起始部位。0044优选。
19、实施例二0045如图8所示，是本发明中优选实施例二的立体结构示意图；如图9所示，是本发明中优选实施例二的俯视结构示意图；如图10所示，是本发明中优选实施例二的侧视结构示意图。0046本发明优选实施例二的侧壁掺气坎为五面体和长方体的组合结构。五面体设置在长方体的前侧面。其中，五面体的结构分为上表面11、下表面、左侧面12、右侧面和背面；其中，上表面11和下表面均为直角梯形，上表面11中上底边的长度为B1，下底边的长度为B2；左侧面12和右侧面均为直角三角形，左侧面12中高的长度为H；右侧面中高的长度为H，底边的长度为L；背面为长方形，宽的长度为B1，长的长度为H。背面设置在长方体的前侧面且背面与。
20、长方体的前侧面相重合。长方体结构中，长方体的高的长度为H，长方体的上表面中，横边的长度为L1，竖边的长度为B1。0047本发明优选实施例二的侧壁掺气坎的体型参数包括坎高的长度为H，坎顶长度为L1，坎底长度为L2，L2的长度为LL1。突扩宽度为B1，坎前沿宽度为B2。其中H/L2L1表示掺气坎沿流向倾斜比，取值范围在051之间。B2B1/L2L1表示侧向收缩比，取值范围在0050125之间。0048优选实施例二的侧壁掺气坎设置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩部位，其中，五面体的右侧面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩侧壁处，五面体的下表面放置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩进水口处，。
21、长方体的后侧面13贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩竖墙；或者，优选实施例二的侧壁掺气坎设置在宽度不变的明流隧洞2的起始部位，其中，五面体的右侧面贴在宽度不变的明流隧洞2的侧壁处，五面体的下表面放置在宽度不变的明流隧洞2的进水口处，长方体的后侧面13贴在宽度不变的明流隧洞2的起始部位。0049优选实施例三0050图11是本发明中优选实施例三的立体结构示意图；图12是本发明中优选实施例三的俯视结构示意图；图13是本发明中优选实施例三的侧视结构示意图。0051本发明优选实施例三的侧壁掺气坎为五面体、长方体和底板的组合结构。五面体设置在长方体的前侧面，五面体和长方体的组合结构设置在底板上。其中，。
22、五面体的结构分为上表面11、下表面、左侧面12、右侧面和背面；其中，上表面11和下表面均为直角梯形，上表面11中上底边的长度为B1，下底边的长度为B2；左侧面12和右侧面均为直角三角形，左侧面12中高的长度为H；右侧面中高的长度为H，底边的长度为L；背面为长方形，宽的长度为B1，长的长度为H。背面设置在长方体的前侧面且背面与长方体的前侧面相重合。长方说明书CN102277862ACN102277866A5/5页7体结构中，长方体的高的长度为H，长方体的上表面中，横边的长度为L1，竖边的长度为B1。在五面体和长方体的组合结构的下部还设置有底板，底板的上表面和下表面均为直角梯形和长方形的组合，底板。
23、的上表面和下表面大小相同，底板的上表面与五面体和长方体的组合结构的下表面相重合。底板的高度为D。0052本发明优选实施例三的侧壁掺气坎的体型参数包括坎高的长度为HD，坎顶长度为L1，坎底长度为L2，L2的长度为LL1。突扩宽度为B1，坎前沿宽度为B2，其中H/L2L1表示掺气坎沿流向倾斜比，取值范围在051之间。B2B1/L2L1表示侧向收缩比，取值范围在0050125之间。0053优选实施例三的侧壁掺气坎设置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩部位，其中，五面体的右侧面贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩侧壁处，底板的下表面放置在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩进水口处，长方体的后侧面1。
24、3贴在含二次突扩段的明流隧洞4的二次突扩竖墙；或者，优选实施例三的侧壁掺气坎设置在宽度不变的明流隧洞2的起始部位，其中，五面体的右侧面贴在宽度不变的明流隧洞2的侧壁处，底板的下表面放置在宽度不变的明流隧洞2的进水口处，长方体的后侧面13贴在宽度不变的明流隧洞2的起始部位。0054本发明的侧壁掺气坎在侧向为梯形突扩式，水流扩散起点位置沿水深而变化，随水深增加而逐渐向下游移动。即上部水流先出坎先扩散，底部水流后出坎后扩散。这种扩散方式的优点是能控制侧向水流与边墙的交汇点，使上部水流与边墙的交汇点始终位于其下部水流与边墙交汇点的上游，从而能有效抑制底部水流沿侧壁空腔上窜。侧向突扩坎沿水流方向逐渐收缩。
25、的体型增大了底部侧空腔长度。0055本发明的侧壁掺气坎主要针对压力隧洞向明流洞过渡所采用的突扩突跌掺气坎加下游二次突扩的衔接型式，但本发明对于单一的突扩突跌或突扩衔接型式同样适用。说明书CN102277862ACN102277866A1/6页8图1图2图3图4说明书附图CN102277862ACN102277866A2/6页9图5图6说明书附图CN102277862ACN102277866A3/6页10图7图8说明书附图CN102277862ACN102277866A4/6页11图9图10说明书附图CN102277862ACN102277866A5/6页12图11图12说明书附图CN102277862ACN102277866A6/6页13图13说明书附图CN102277862A。