[发明专利]一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法

说明书

本发明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制定配套的防空蚀控制指标：σ₀＝0.033v‑0.451；建立原型不平整度高度tp与模型不平整度高度Δ的换算关系tp/Δ＝λ^0.7，和施工风险安全系数K₁，制定施工不平整度控制标准【t】≤tp/K₁；建立基于施工风险安全系数K₁和设计安全风险K₂的长距离泄洪洞空蚀风险评估指标K＝K₁K₂进行定量预测。该发明可广泛的在无法采用掺气减蚀措施的长距离缓坡无压泄洪洞工程中推广使用。

技术领域

本发明属于水利水电工程中的高速水流技术领域，具体涉及一种长距离缓坡无压泄洪洞的防空蚀设计方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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≤hh_k；

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≤hh_k，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h_k，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

h_k＝(q²/g)^1/3 (2)