技术摘要：
本发明公开了一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水‑过流坝及设计方法，属于水利工程泵站技术领域。应用本发明可使出水渠道最大水位变幅超过5m和水泵机组开机前出水渠道内无水或水位较低的大流量泵站也能应用断流简单可靠、运行维护方便、水力性能优异的虹吸式出水流道 全部
背景技术：
大流量泵站的出水流道有虹吸式、直管式、低驼峰式、斜式等多种型式，其中，虹吸 式出水流道因具有断流方式简单可靠、运行维护方便和水力性能优异等突出优点，在大流 量泵站中得到了十分广泛的应用。并不是所有大流量泵站都能应用虹吸式出水流道，因为 虹吸式出水流道对出水渠道的水位有一定的要求。 虹吸式出水流道对出水渠道水位的要求如下： (1)虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度不应超过7.5m； (2)虹吸式出水流道出口断面上缘的最小淹没深度不应少于0.3m。 在以下两种情况下，不能采用虹吸式出水流道： 1 .有些大流量泵站出水渠道水位的变幅较大，其最大水位变幅超过5m，很可能导 致虹吸式出水流道驼峰断面顶部的最大真空度超过7.5m而使流道内产生汽蚀；这样的泵站 就不满足所述第(1)个要求，因而不能采用虹吸式出水流道； 2.有些大型灌区的大流量泵站在水泵机组开机前出水渠道内没有水，水泵机组启 动后虹吸式出水流道出口断面不能淹没在出水渠道水面以下，导致虹吸式出水流道内长时 间不能形成满管流而无法完成水泵机组的启动过程；这样的泵站就不满足所述第(2)个要 求，因而也不能采用虹吸式出水流道。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对上述问题，提出了一种与虹吸式出水流道配合应用的挡 水-过流坝及设计方法，可以使不具备出水渠道水位条件的大流量泵站也能采用虹吸式出 水流道。本发明的特征是：对于出水渠道最大水位变幅超过5m和水泵机组开机前出水渠道 内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用与虹吸式出水流道 配合应用的挡水-过流坝；所述挡水-过流坝是由挡水面和过流面构成的组合坝，具有挡水 和过流两种功能；提供了所述挡水-过流坝坝顶高程的计算公式；分别提供了经过优化水力 设计的挡水-过流坝挡水面和过流面的纵剖面型线相对坐标；借助于CFD数值模拟计算虹吸 式出水流道水头损失；按所提供的公式计算所述挡水-过流坝的顶高程；根据挡水-过流坝 坝顶高程与虹吸式出水流道出口断面底高程之差，按所提供的挡水-过流坝的挡水面型线 相对坐标计算所述挡水面纵剖面型线的绝对坐标；根据所述挡水-过流坝坝顶高程与出水 渠道底高程之差，按所提供的挡水-过流坝的过流面型线相对坐标计算所述过流面的纵剖 面型线绝对坐标；根据所述挡水面和过流面绝对坐标计算结果绘制挡水-过流坝纵剖面的 型线。本发明所提供的挡水-过流坝水头损失小、土建工程量小，便于大流量泵站都能应用 5 CN 111611640 A 说 明 书 2/7 页 具有突出优点的虹吸式出水流道。 为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下： 一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝，其特征是，对于采用虹吸式出水 流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站以及对于采用虹吸式出水流道但水泵 机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，在 虹吸式出水流道出口处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成。 针对采用虹吸式出水流道但对于出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站和 采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口 断面顶高程的大流量泵站两种情况，分别采用不同的技术方案。 1.为实现本发明的目的，对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过 5m的大流量泵站采用如下技术方案： (1)对于出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站采用虹吸式出水流道，为使 虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度满足不大于7.5m的要求，在虹吸式出水流道出口 处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算： 式中， ――挡水-过流坝顶部高程，m； ――泵站出水渠道最高水位，m； ――虹吸式出水流道驼峰断面的高度，m； ――最低水位时出水渠道断面的平均流速，m/s； ――虹吸式出水流道驼峰断面的平均流速，m/s； △h流道下降段――虹吸式出水流道下降段的水头损失，m； (2)为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的 挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底 边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表1，表1中的坐标 是以△H1为基准值的相对坐标，△H1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为 m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流 坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表2，表2中的坐标是以ΔH2为基准值的相对坐标，ΔH2 为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m； 表1挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表 表2挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表 6 CN 111611640 A 说 明 书 3/7 页 (3)对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站，采 用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流 坝： ①对虹吸式出水流道进行CFD流场数值模拟，根据流场计算结果计算虹吸式出水 流道下降段水头损失Δh流道下降段； ②按公式(1)计算所述挡水-过流坝的顶高程 ③计算ΔH1和ΔH2； ④按表1和表2所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面 型线的绝对坐标； ⑤根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水- 过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。 2.为实现本发明的目的，对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内 无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用如下技术方案： (1)对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸 式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，为使虹吸式出水流道出口断面的最低淹没深度 满足要求，在虹吸式出水流道出口与出水渠道之间设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水 面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算： 式中， ——泵站出水渠道最低水位，m； (2)为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的 挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底 边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表3，表3中的坐标 是以ΔH1为基准值的相对坐标，ΔH1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为 m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流 坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表4，表4中的坐标是以ΔH2为基准值的相对坐标，ΔH2 为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m； 表3挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表 7 CN 111611640 A 说 明 书 4/7 页 表4挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表 (3)对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸 式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道 配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流坝： ①按公式(2)计算所述挡水-过流坝的顶高程 ②计算ΔH1和ΔH2； ③按表3和表4所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面 型线的绝对坐标； ④根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水- 过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。 与现有方法相比，本发明具有以下有益效果： 第一，所提供的挡水-过流坝可使出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站可 以采用虹吸式出水流道，使其驼峰断面顶部的最大真空度满足不超过7.5m的要求。 第二，所提供的挡水-过流坝可使水泵机组开机前出水渠道内没有水或水位低于 虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站也能采用虹吸式出水流道，使其出口断面上 缘的最小淹没深度满足不少于0.3m的要求。 第三，所提供的挡水-过流坝水头损失小、土建工程量小，便于大流量泵站都能应 用具有突出优点的虹吸式出水流道。 附图说明 图1是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的立面布置示意图； 图2a是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝挡水面纵剖面的型线 坐标图； 图2b是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝过流面纵剖面的型线 坐标图； 8 CN 111611640 A 说 明 书 5/7 页 图3是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的立面布置示意图； 图4a是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝挡水面纵剖面的型线 坐标图； 图4b是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝过流面纵剖面的型线 坐标图； 图中：1出水渠道，2虹吸式出水流道，3驼峰断面，4虹吸式出水流道下降段，5挡水- 过流坝，6挡水-过流坝挡水面，7挡水-过流坝过流面。
本发明公开了一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水‑过流坝及设计方法，属于水利工程泵站技术领域。应用本发明可使出水渠道最大水位变幅超过5m和水泵机组开机前出水渠道内无水或水位较低的大流量泵站也能应用断流简单可靠、运行维护方便、水力性能优异的虹吸式出水流道 全部
背景技术：
大流量泵站的出水流道有虹吸式、直管式、低驼峰式、斜式等多种型式，其中，虹吸 式出水流道因具有断流方式简单可靠、运行维护方便和水力性能优异等突出优点，在大流 量泵站中得到了十分广泛的应用。并不是所有大流量泵站都能应用虹吸式出水流道，因为 虹吸式出水流道对出水渠道的水位有一定的要求。 虹吸式出水流道对出水渠道水位的要求如下： (1)虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度不应超过7.5m； (2)虹吸式出水流道出口断面上缘的最小淹没深度不应少于0.3m。 在以下两种情况下，不能采用虹吸式出水流道： 1 .有些大流量泵站出水渠道水位的变幅较大，其最大水位变幅超过5m，很可能导 致虹吸式出水流道驼峰断面顶部的最大真空度超过7.5m而使流道内产生汽蚀；这样的泵站 就不满足所述第(1)个要求，因而不能采用虹吸式出水流道； 2.有些大型灌区的大流量泵站在水泵机组开机前出水渠道内没有水，水泵机组启 动后虹吸式出水流道出口断面不能淹没在出水渠道水面以下，导致虹吸式出水流道内长时 间不能形成满管流而无法完成水泵机组的启动过程；这样的泵站就不满足所述第(2)个要 求，因而也不能采用虹吸式出水流道。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对上述问题，提出了一种与虹吸式出水流道配合应用的挡 水-过流坝及设计方法，可以使不具备出水渠道水位条件的大流量泵站也能采用虹吸式出 水流道。本发明的特征是：对于出水渠道最大水位变幅超过5m和水泵机组开机前出水渠道 内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用与虹吸式出水流道 配合应用的挡水-过流坝；所述挡水-过流坝是由挡水面和过流面构成的组合坝，具有挡水 和过流两种功能；提供了所述挡水-过流坝坝顶高程的计算公式；分别提供了经过优化水力 设计的挡水-过流坝挡水面和过流面的纵剖面型线相对坐标；借助于CFD数值模拟计算虹吸 式出水流道水头损失；按所提供的公式计算所述挡水-过流坝的顶高程；根据挡水-过流坝 坝顶高程与虹吸式出水流道出口断面底高程之差，按所提供的挡水-过流坝的挡水面型线 相对坐标计算所述挡水面纵剖面型线的绝对坐标；根据所述挡水-过流坝坝顶高程与出水 渠道底高程之差，按所提供的挡水-过流坝的过流面型线相对坐标计算所述过流面的纵剖 面型线绝对坐标；根据所述挡水面和过流面绝对坐标计算结果绘制挡水-过流坝纵剖面的 型线。本发明所提供的挡水-过流坝水头损失小、土建工程量小，便于大流量泵站都能应用 5 CN 111611640 A 说 明 书 2/7 页 具有突出优点的虹吸式出水流道。 为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下： 一种与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝，其特征是，对于采用虹吸式出水 流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站以及对于采用虹吸式出水流道但水泵 机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，在 虹吸式出水流道出口处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成。 针对采用虹吸式出水流道但对于出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站和 采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸式出水流道出口 断面顶高程的大流量泵站两种情况，分别采用不同的技术方案。 1.为实现本发明的目的，对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过 5m的大流量泵站采用如下技术方案： (1)对于出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站采用虹吸式出水流道，为使 虹吸式出水流道驼峰断面顶部最大真空度满足不大于7.5m的要求，在虹吸式出水流道出口 处设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算： 式中， ――挡水-过流坝顶部高程，m； ――泵站出水渠道最高水位，m； ――虹吸式出水流道驼峰断面的高度，m； ――最低水位时出水渠道断面的平均流速，m/s； ――虹吸式出水流道驼峰断面的平均流速，m/s； △h流道下降段――虹吸式出水流道下降段的水头损失，m； (2)为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的 挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底 边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表1，表1中的坐标 是以△H1为基准值的相对坐标，△H1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为 m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流 坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表2，表2中的坐标是以ΔH2为基准值的相对坐标，ΔH2 为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m； 表1挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表 表2挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表 6 CN 111611640 A 说 明 书 3/7 页 (3)对于采用虹吸式出水流道但出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站，采 用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流 坝： ①对虹吸式出水流道进行CFD流场数值模拟，根据流场计算结果计算虹吸式出水 流道下降段水头损失Δh流道下降段； ②按公式(1)计算所述挡水-过流坝的顶高程 ③计算ΔH1和ΔH2； ④按表1和表2所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面 型线的绝对坐标； ⑤根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水- 过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。 2.为实现本发明的目的，对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内 无水或水位低于虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用如下技术方案： (1)对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸 式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，为使虹吸式出水流道出口断面的最低淹没深度 满足要求，在虹吸式出水流道出口与出水渠道之间设置挡水-过流坝，挡水-过流坝由挡水 面和过流面组成，其坝顶高程按下式计算： 式中， ——泵站出水渠道最低水位，m； (2)为最大限度减少所述挡水-过流坝的水头损失，提供一种经过优化水力设计的 挡水-过流坝纵剖面型线；以虹吸式出水流道纵向中心剖面与虹吸式出水流道出口断面底 边的交点O1为坐标原点，挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标列于表3，表3中的坐标 是以ΔH1为基准值的相对坐标，ΔH1为所述挡水-过流坝坝顶与原点O1之间的高差，单位为 m；以通过挡水-过流坝顶点的垂线与出水渠道底边延长线的交点O2为坐标原点，挡水-过流 坝过流面纵剖面型线的相对坐标列于表4，表4中的坐标是以ΔH2为基准值的相对坐标，ΔH2 为所述挡水-过流坝坝顶与原点O2之间的高差，单位为m； 表3挡水-过流坝挡水面纵剖面型线的相对坐标表 7 CN 111611640 A 说 明 书 4/7 页 表4挡水-过流坝过流面纵剖面型线的相对坐标表 (3)对于采用虹吸式出水流道但水泵机组开机前出水渠道内无水或水位低于虹吸 式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站，采用所提供的挡水-过流坝与虹吸式出水流道 配合应用，并按如下步骤设计所述挡水-过流坝： ①按公式(2)计算所述挡水-过流坝的顶高程 ②计算ΔH1和ΔH2； ③按表3和表4所列的相对坐标分别计算所述挡水-过流坝挡水面和过流面纵剖面 型线的绝对坐标； ④根据所述绝对坐标计算结果在CAD绘图软件中用样条曲线分别绘制所述挡水- 过流坝挡水面和过流面纵剖面的型线。 与现有方法相比，本发明具有以下有益效果： 第一，所提供的挡水-过流坝可使出水渠道最大水位变幅超过5m的大流量泵站可 以采用虹吸式出水流道，使其驼峰断面顶部的最大真空度满足不超过7.5m的要求。 第二，所提供的挡水-过流坝可使水泵机组开机前出水渠道内没有水或水位低于 虹吸式出水流道出口断面顶高程的大流量泵站也能采用虹吸式出水流道，使其出口断面上 缘的最小淹没深度满足不少于0.3m的要求。 第三，所提供的挡水-过流坝水头损失小、土建工程量小，便于大流量泵站都能应 用具有突出优点的虹吸式出水流道。 附图说明 图1是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的立面布置示意图； 图2a是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝挡水面纵剖面的型线 坐标图； 图2b是实施例1与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝过流面纵剖面的型线 坐标图； 8 CN 111611640 A 说 明 书 5/7 页 图3是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝的立面布置示意图； 图4a是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝挡水面纵剖面的型线 坐标图； 图4b是实施例2与虹吸式出水流道配合应用的挡水-过流坝过流面纵剖面的型线 坐标图； 图中：1出水渠道，2虹吸式出水流道，3驼峰断面，4虹吸式出水流道下降段，5挡水- 过流坝，6挡水-过流坝挡水面，7挡水-过流坝过流面。
