一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法技术

本发明专利技术公开了一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法，通过合理的底坡设计，使泄洪洞内形成一种短壅水接均匀流的水面线，降低流速，降低空蚀风险；通过建立泄洪洞底坡坡度与相对水深增量、水流空化数的函数关系，确定防空蚀设计底坡；通过建立初生空化数与流速的函数关系

【技术实现步骤摘要】
一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法
本专利技术属于水利水电工程中的高速水流
，具体涉及一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法。
技术介绍
空蚀是高水头大流量泄洪洞面临的主要安全风险，根据国内外泄洪洞工程破坏实例的调查分析，引起空蚀破坏的主要原因包括：泄洪洞体型不合理，导致一些关键部位空化数过小；施工误差造成的错台、突体等导致过流面不平整；运行方式不合理或者在没有达到运行条件时却被迫参与运行等等。对于常规高速水流泄洪洞来说，采用掺气减蚀是最有效的防空蚀措施。而对于那些坡度缓(如小于8％)、流速较高(超过25～30m/s)的低Fr数无压泄洪洞，掺气设施很难发挥作用，有时可能因空腔回水无法掺气而形成潜在的空化源，导致发生空蚀破坏。而长距离的泄洪洞因施工不平整度出现概率累积较高，空蚀破坏的风险将大大增加。因此如何避免无法采用掺气减蚀措施的长距离缓坡无压泄洪洞的空蚀破坏，将是工程界需要解决的关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在的问题，提出一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法。旨在通过合理的底坡设计，使泄洪洞内形成一种短壅水接均匀流的水面线，降低流速，降低空蚀风险；再配套制定防空蚀控制指标和施工不平整度的控制标准，确保泄洪洞运行安全，进一步地，建立长距离泄洪洞空蚀风险评估指标，进行定量预测。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种长距离缓坡无压泄洪洞防空蚀设计方法，其特征在于，包括长距离缓坡无压泄洪洞底坡设计、制定防空蚀控制指标和制定施工不平整度控制标准组成的成套设计方法，其中，所述长距离缓坡无压泄洪洞底坡设计包括以下步骤：步骤1.1：确定影响泄洪洞底坡的主要因素和适应范围；泄洪洞进口流速v1应不超过35m/s，计算公式如下：其中，H为泄洪洞进口水头，为流速系数，g为重力加速度；v1、h1分别为进口断面的流速和水深，h1＝q/v1，q为设计单宽流量；步骤1.2：确定水流边界条件：h1≤h<hk；通过选择合适底坡坡度使洞内水流形成一种短壅水接均匀流的水面线，以降低洞内水流流速；需满足的水流边界条件为：h1≤h<hk，即沿程水深h应大于等于进口断面水深h1，而小于临界水深hk，其中，当h＝h1时，为保持进口流速不变的均匀流流态；临界水深按下式计算hk＝(q2/g)1/3(2)步骤1.3：建立泄洪洞底坡的坡度i与相对水深增量h0/h1、水流空化数б的函数关系，h0/h1＝f(i)和σ＝f(i)；按均匀流计算的底坡的坡度i计算公式如下：水流空化数计算公式如下：其中，i为泄洪洞底坡的坡度，n为糙率，h0为均匀流的正常水深，R为水力半径；σ为水流空化数，he为时均动水压力水柱高，可近似用水深h代替，ha为大气压力水柱高，hw为水的汽化压力水柱高，v为计算断面的平均流速，g为重力加速度；将公式(3)转化为：代入公式(4)，建立泄洪洞底坡的坡度i与水流空化数σ的函数关系为：对公式(3)通过量纲分析进一步得到：底坡的坡度i与相对水深增量h0/h1的函数关系：步骤1.4：制定水流空化数σ和相对水深增量h0/h1的控制指标σ0和Eh，需满足：σ＝f(i)>σ0(8)h0/h1＝f(i)<Eh(9)其中，σ0为水流空化数控制指标。Eh为相对水深增量控制指标；步骤1.5：进行水力计算，将步骤1.3推导的函数h0/h1＝f(i)和σ＝f(i)绘制成曲线，得到步骤1.4要求的水流空化数控制指标σ0和相对水深增量控制指标Eh所对应的界限底坡iб和ih；步骤1.6：确定设计底坡，设计底坡的坡度i应满足ih<i<iб，并在此区间选择，获得满足防空蚀要求且经济合理的设计底坡；所述制定防空蚀控制指标和施工不平整度控制标准，包括以下步骤：步骤2.1：进行减压模型试验，确定各种施工不平整度的初生空化数，将施工中可能出现的不平整度概化成五种类型(不同形状、不同高度的突体或凹坑)，进行不同流速水流下的过流面不平整度减压模型试验，获得其初生空化数σ0i随流速v的变化规律，并绘制成曲线；步骤2.2：建立初生空化数与流速的函数关系，采用函数拟合步骤2.1获得的各种不平整度的初生空化数σ0i与流速v的函数关系曲线，如公式(10)，其中，Δ为模型不平整度高度；公式适用范围v＝25～35m/s，Δ＝1mm～5mm；步骤2.3：制定防空蚀控制指标，选择步骤2.2拟合公式(10)中模型不平整度高度Δ＝1mm的初生空化数作为防空蚀水流空化数控制指标σ0，σ0随流速变化关系见公式(11)；σ0＝0.033v-0.451(11)步骤2.4：确定原型不平整度高度tp与模型不平整度高度Δ的换算关系，基于边界层理论推导出原型不平整度高度tp与模型不平整度高度Δ的换算关系为公式(12)，即模型比尺λ的0.7次方；tp/Δ＝λ0.7(12)如:减压模型试验的模型比尺λ＝25，模型不平整度高度Δ＝1mm换算至原型不平整度高度tp为9.52mm；步骤2.5：制定施工不平整度控制标准；考虑长距离泄洪洞施工不平整度风险的累积效应，引入施工风险安全系数K1，制定与防空蚀控制指标配套的施工不平整度控制标准【t】为：【t】≤tp/K1；取施工风险安全系数K1为2.0，则满足步骤2.3防空蚀控制指标σ0的施工不平整度控制标准为【t】≤4.76mm。超出此标准的施工不平整度均碾磨成1:20～1:30的坡度。进一步地，本专利技术建立一种长距离缓坡无压泄洪洞空蚀风险评估指标，对泄洪洞运行安全进行定量预测。其特征在于：：采用风险评估系数K作为泄洪洞抗空蚀风险安全评估指标，K＝K1K2，其中K1为施工风险安全系数，K1＝2【t】/t，t为实际的施工不平整度，当t≤【t】时，则K1≥2.0；K2为设计风险安全系数，当进口流速v1小于25m/s，或进口流速v1大于25m/s，但通过设计底坡的坡度选择使洞内形成短壅水接均匀流的水面线，将流速降至v0<25m/s时，K2＝1.5；降至25m/s≤v0≤27m/s时，K2＝1；降至v0>27m/s，K2＝0.75；风险评估系数K＝K1K2，当K>2时，空蚀风险低，K＝2时，空蚀风险较低，但安全余度较小，当K<2时空蚀风险较高。优选地：考虑长距离施工不平整度风险的泄洪洞防空蚀控制指标为，σ0＝0.45，对应的设计底坡的均匀流流速不大于27m/s。优选地：相对水深增量控制指标Eh＝1.25，综合考虑水深增加对工程投资的影响，选择洞高增加幅度不超过25％。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本专利技术提供了一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法及其评估指标，包括三个方面的创新，提出了一种长距离缓坡无压泄洪洞底坡的设计方法，通过壅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长距离缓坡无压泄洪洞防空蚀设计方法，其特征在于，包括长距离缓坡无压泄洪洞的底坡(1)设计、制定防空蚀控制指标和制定施工不平整度(3)控制标准组成的成套设计方法，其中，/n所述长距离缓坡无压泄洪洞的底坡(1)设计包括以下步骤：/n步骤1.1：确定影响泄洪洞的底坡(1)的主要因素和适应范围；/n泄洪洞进口流速v

【技术特征摘要】
1.一种长距离缓坡无压泄洪洞防空蚀设计方法，其特征在于，包括长距离缓坡无压泄洪洞的底坡(1)设计、制定防空蚀控制指标和制定施工不平整度(3)控制标准组成的成套设计方法，其中，
所述长距离缓坡无压泄洪洞的底坡(1)设计包括以下步骤：
步骤1.1：确定影响泄洪洞的底坡(1)的主要因素和适应范围；
泄洪洞进口流速v1应不超过35m/s，计算公式如下：



其中，H为泄洪洞进口水头，为流速系数，g为重力加速度；v1、h1分别为进口断面的流速和水深，h1＝q/v1，q为设计单宽流量；
步骤1.2：确定水流边界条件：h1≤h<hk；
通过选择合适底坡(1)使洞内水流形成一种短壅水(21)接均匀流(22)的水面线(2)，以降低洞内水流流速；需满足的水流边界条件为：h1≤h<hk，即沿程水深h应大于等于进口断面水深h1，而小于临界水深hk，其中，当h＝h1时，为保持进口流速不变的均匀流(22)流态；
临界水深按下式计算
hk＝(q2/g)1/3(2)
步骤1.3：建立泄洪洞底坡(1)的坡度i与相对水深增量h0/h1、水流空化数б的函数关系，h0/h1＝f(i)和σ＝f(i)；
按均匀流计算的底坡(1)的坡度i的计算公式如下：



水流空化数计算公式如下：



其中，i为泄洪洞底坡(1)的坡度，n为糙率，h0为均匀流(22)正常水深，R为水力半径；σ为水流空化数，he为时均动水压力水柱高，可近似用水深h代替，ha为大气压力水柱高，hw为水的汽化压力水柱高，v为计算断面的平均流速，g为重力加速度；
将公式(3)转化为：



代入公式(4)，建立泄洪洞底坡(1)的坡度i与水流空化数σ的函数关系为：



对公式(3)通过量纲分析进一步得到：底坡(1)的坡度i与相对水深增量h0/h1的函数关系：
步骤1.4：制定水流空化数σ和相对水深增量h0/h1的控制指标σ0和Eh，需满足：
σ＝f(i)>σ0(8)
h0/h1＝f(i)<Eh(9)
其中，σ0为水流空化数控制指标。Eh为相对水深增量控制指标；
步骤1.5：进行水力计算，将步骤1.3推导的函数h0/h1＝f(i)和σ＝f(i)绘制成曲线，得到步骤1.4要求的水流空化数控制指标σ0和相对水深增量控制指标Eh所对应的界限底坡iб和ih；
步骤1.6：确定设计底坡(1)，设计底坡(1)的坡度应满足ih<i<iб，并在此区间选择，获得满足防空蚀要求且经济合理的设计底坡(1)的坡度；
所述制定防空蚀控制指标和施工不平整度(3)控制标准，包括以下步骤：
步骤2.1：进行各种不平整度(3)在不同流速水流下的减压模型试验，获得其初生空化数σ0i随流速v的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭育，徐建荣，都辉，薛阳，张石，陶俊佳，蒋明，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33