本实用新型具体涉及一种无压流向有压流流态转换设施。
背景技术：
随着工业化、城市化进程的加快，水资源已成为华北、西北地区经济发展、城市建设的重要制约性因素。为解决城市供水问题，长距离输水工程日益增多，早期的引水工程主要以利用天然河道或开挖输水专用渠道的明流输水为主，如引滦入津工程、引黄济青工程、天津应急引黄调水工程等。随着我国经济的发展，环境污染问题已十分突出，因此为防止水质污染、保障供水安全，城市供水工程逐渐发展为以长距离管涵为主，如东深供水工程、引黄济太工程、引滦入津暗渠工程等，输水方式包括无压重力输水、有压重力输水、加压输水、重力和加压组合输水等。
一般长距离输水随着地形地势、沿程水头损失、分流等情况的改变，输水方式会发生变化，管涵管径及孔数也需要相应调整。输水型式还受输水流量、地形地势特点、运行管理以及工程投资的影响，在地势陡、落差大、水头充裕的地段，常采用孔数少、过流面积小的无压输水方式；在地势平坦、落差小、水头有限的地段则多采用有压流输水，常用孔数多、过流面积大的箱涵或管道等型式。因此，在无压流和有压流之间需要设置无压流与有压流的转换、过渡设施，以实现两种流态的平顺衔接；同时为了保障输水工程的安全保证率，输水管涵孔数一般不少于两孔，这样就需要转换设施能够实现不同孔数下孔间流量的均衡、流态的平稳过渡，在工程检修、错孔运行工况时，问题尤为突出，更应得到保障。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种无压流向有压流流态转换设施。
为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：
一种无压流向有压流流态转换设施，包括依次连接设置的上游连接段、扩散段、斜坡段、池身段和下游连接段；
所述上游连接段为两孔结构，包括用于连接无压管涵的上游渐变段以及位于上游渐变段下游的检修闸段；所述检修闸段连接扩散段；
所述扩散段包括前扩散段及后扩散段，所述前扩散段的侧墙上有溢流通道；
所述后扩散段内设置有多个导流墩，所述斜坡段及池身段内分别设置有斜坡段中隔墩、池身段中隔墩，所述导流墩、斜坡段中隔墩、池身段中隔墩依次连接并呈直线状态布置，多个所述导流墩沿水流方向直线布置将后扩散段内分成三个水流通道，使进入所述后扩散段内的水自该三个水流通道流入到斜坡段并流过池身段后进入下游连接段，并经所述下游连接段进入到有压管涵；
所述斜坡段包括前斜坡段、中斜坡段及后斜坡段；所述池身段包括池身前段以及池身后段；所述池身前段内的池身段中隔墩的墩壁的下部形成有多个具有均化流量功能的均流孔；所述池身前段和池身后段之间上部设置有具有稳定水流流态及消除水流掺气的功能的消波胸墙；
所述后斜坡段及池身前段内分别设置有多个间隔设置的水平布置的具有消除面波功能的消波梁，所述消波梁设置在相应的中隔墩的上部。
所述上游连接段的上游渐变段长11.5m，为两孔结构的4.4m×4.5m现浇混凝土箱涵，底板顶高程23.54m；所述上游连接段的检修闸段长15m，宽11.7m，开敞式两孔结构，单孔净宽4.4m。
所述扩散段总长35m，进口总宽度9.7m,出口总宽度17.2m，扩散角为6.11度；其中，前扩散段长15m，为单孔矩形槽，前扩散段的出口净宽为12.92m；后扩散段长20m，通过设置的多个导流墩形成宽度为5.0m的三孔矩形槽。
所述斜坡段长55.93m，为三孔结构，单孔净宽5.0m，斜坡坡比为1:7，底板顶高程由23.54m渐变至池身底板顶高程15.55m。
所述池身段长40.0m，其中池身前段长22.0m，池身后段长18.0m，三孔结构，单孔净宽5.0m。
所述均流孔为三个，均流孔的单孔宽1.5m，高4.5m。
所述池身前段下游设有潜孔式检修闸，用以检修下游有压箱涵。
所述下游连接段长18.0m，为三孔混凝土箱涵，箱涵孔径沿水流方向从5.0m×4.4m渐变至4.4m×4.4m，与下游的有压管涵顺接。
本实用新型实现了输水工程中正常运行、工程检修、错孔运行等不同工况下无压流和有压流两种流态间的平稳过渡以及下游各孔间流量的自动均衡，极大简化了工程的调度运行，降低了工程投资。
附图说明
图1是无压流向有压流流态转换设施的平面结构示意图；
图2是无压流向有压流流态转换设施的剖面结构示意图；
图3是大流量下的无压流向有压流流态转换设施的流态平面示意图；
图4是大流量下的无压流向有压流流态转换设施的流态剖面示意图；
图5是小流量下的无压流向有压流流态转换设施的流态平面示意图；
图6是小流量下的无压流向有压流流态转换设施的流态剖面示意图；
图7是错孔小流量下的无压流向有压流流态转换设施的流态平面示意图；
图8是错孔小流量下的无压流向有压流流态转换设施的流态剖面示意图；
图9是均流孔的布置示意图；
图10是导流墩的墩头的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
参见图1-10所示，一种无压流向有压流流态转换设施，包括依次连接设置的上游连接段1、扩散段2、斜坡段3、池身段4和下游连接段5；
所述上游连接段1为两孔结构，包括用于连接无压管涵的上游渐变段11以及位于上游渐变段下游的检修闸段12；所述检修闸段连接扩散段；
其中，所述检修闸段内设有检修闸13，所述上游连接段1内形成有隔墩14，将所述上游连接段1内部均匀地形成两孔结构；
所述扩散段包括前扩散段21及后扩散段22，所述前扩散段的侧墙上分别有溢流通道23；
所述后扩散段22内设置有多个端部形成尖头状的导流墩24，所述斜坡段及池身段内分别设置有斜坡段中隔墩35、池身段中隔墩44，所述导流墩、斜坡段中隔墩、池身段中隔墩依次连接并呈直线状态布置，多个所述导流墩沿水流方向直线布置将后扩散段内分成三个水流通道或孔道，使进入所述后扩散段内水体自该三个水流通道流入到斜坡段并流过池身段后进入下游连接段，并经所述下游连接段进入到有压管涵，有压管涵与所述下游连接段的出口相连接；
所述斜坡段包括前斜坡段31、中斜坡段32及后斜坡段33；所述池身段包括池身前段41以及池身后段42；所述池身前段内的池身段中隔墩的墩壁的下部形成有多个具有均化流量功能的均流孔46；所述池身前段和池身后段之间上部设置有具有稳定水流流态及消除水流掺气的功能的消波胸墙45；
所述后斜坡段及池身前段内分别设置有多个间隔设置的水平布置的具有消除面波功能的消波梁，包括后斜坡段的消波梁34以及池身前段的消波梁47，所述后斜坡段的消波梁34以及池身前段的消波梁47设置在相应的中隔墩的上部。
本实用新型中，扩散段是上游与流态转换设施之间的平面衔接，斜坡段是上游与流态转换设施之间的竖向衔接，池身段是流态转换设施的主体。随着输水流量的变化，上游来水在转换设施内通过淹没水跃的形式消除多余能头后与下游水面线衔接，实现无压流与有压流的过渡。池身段设有胸墙式压力管涵进口检修闸，并在斜坡段及池身段适宜高度设有消波梁，既可作为结构支撑改善结构受力条件，还可与胸墙共同起到消除面波、稳定流态、防止携气水流进入下游压力管涵的作用。为增强结构的整体性及刚度，减少结构壁厚，扩散段后段、斜坡段及池身段设有中隔墩；为实现不同工况下水流均匀、平稳地进入下游压力管涵，扩散段导流墩采取一定角度的设置方式起到导流作用，同时在池身段中隔墩设有均流孔以实现不对称输水时下游输水管涵的流量均衡。为防止因下游突发水锤现象造成的有压管涵内水压力急剧升高和上游无压管涵明满流交替的发生，在扩散段设置了溢流通道。
本实用新型中，通过设置消波梁以及消波胸墙，能加速消除水跃造成的水流紊乱、水面波动及水体中逸出的气泡，以获得池内稳定的水流流态并减少气体被带到下游压力管涵，本新型中，消波装置包括两部分，一是沿水流方向布置的消除水跃表面波动的横梁，其布置与为了增强结构整体刚度、减少结构断面尺寸所设置的支撑梁相结合而设计。由于系统大流量输水时，上下游水位差较小，水面线平稳衔接，水面波动较小；而中小流量输水时，有压输水段所需水头较小，导致转换设施上下游水面落差较大，将以水跃形式进行消能，从而造成下游有压管涵前池身段内水面波动剧烈，并伴随大量气泡产生，因此，消波梁的高程应以中小流量工况下的下游水位作为控制条件，其底高程应略低于水面波动最大工况时对应的池身水位。消波梁的断面尺寸需要综合考虑水面波动特性、水跃特征以及结构计算等因素加以确定。对于下游水位变幅较大的情况，可根据实际消波效果，将消波梁错层间隔布置，以满足不同水位条件下消除表面波动的要求。
二是为拦截跃后水体中的气体、加速其消散，垂直水流方向布置的竖向消波胸墙，其与池身段检修闸的胸墙结合布置。为尽量减小池身段的水头损失，使转换设施过流顺畅，消波胸墙底端距池底距离应不小于下游有压管涵的高度。
由于消除面波及加速水中气体逸出的理论尚不完备，因此其效果主要经水工模型试验进行验证，由于设置了面波消除及加速跃后气泡逸散设施，池体内的水流在发生强烈的水跃后与横梁发生撞击，能量得以消减；之后水流再经竖向消波胸墙反射回流，再一次与和横梁发生碰撞、摩擦，从而进一步消减了水体动能，最终池内水面得以保持平稳的状态，池内水面没有明显的表面旋涡、剧烈的扰动等现象；携气水体经竖向消波胸墙的阻隔，水流方向及流速均发生改变，水体中绝大部分气体均以气泡的形式沿墙体及墙前水域逸出水面，仅小部分气体以小直径气泡的形式沿底流进入池身后段。经池身后段的再次调整，水面更加平稳、气泡基本全部逸出水面，确保了下游有压管涵进口前的良好水力条件。
本新型中，所述扩散段中的导流墩主要技术参数包括分水角度、起点位置及墩头型状。分水角度及导流墩起点位置应以保证各输水流量下水流均匀扩散进入下游各输水通道为准，根据扩散段水流流场分布，按照流量均衡的原则进行确定。由于中小流量输水时，扩散段属急流流态，为减少导流墩墩头阻水，经对三角形、圆形、鱼尾型等多种形式的墩型进行比选验证、最终确定采用改良后的尖圆形鱼尾潜水墩。导流墩的墩头形状如图10所示。导流墩的位置根据数值模拟确定，并通过模型试验加以验证。d—导流墩厚；R—墩头圆弧半径；O1、O2—墩头圆弧圆心。
其中，所述斜坡段采用1：7的斜坡，连接扩散段，可以避免上游结构坐落在回填地基上，同时也起到增强气体逸出长度的效果。
优选的，所述后斜坡段的消波梁34以及池身前段的消波梁47分别多个，相互间隔一定距离设置，并位于同一高度位置。所述的均流孔46位于所述池身前段的消波梁47的下方，并位于所述消波胸墙45的上游侧。
其中，所述池身段、上游连接段、扩散段以及下游连接段的底部为平面，所述斜坡段的底部为沿水流方向的向下倾斜的整体式斜面结构。
优选的，所述上游连接段的上游渐变段长11.5m，为两孔结构的4.4m×4.5m现浇混凝土箱涵，底板顶高程23.54m；所述上游连接段的检修闸段长15m，宽11.7m，为开敞式两孔结构，单孔净宽4.4m。
所述扩散段总长35m，进口总宽度9.7m,出口总宽度17.2m，扩散角为6.11度；其中，前扩散段长15m，为单孔矩形槽，前扩散段的出口净宽为12.92m；后扩散段长20m，通过设置的多个导流墩形成宽度为5.0m的三孔矩形槽。所述的扩散段溢流通道底高程应满足发生水锤时，水流能顺利及时地通过溢流通道排泄出转换设施，避免扩散段水位升高造成无压管涵出现明满流交替现象，同时能够稳定有压管涵的内水压力。并且在正常运行时，其底高程应具有一定的超高，避免多余溢流造成水资源浪费。该溢流通道按自由堰流设计。选取扩散角时，应确保不同工况及输水流量下(主要以中等输水流量控制)水流扩散时不发生脱离边壁的现象，以免因剪切作用产生横向水流、回流、旋涡，造成流态紊乱、结构震动，进而影响过流能力、池内水位及结构安全。
所述斜坡段长55.93m，为三孔结构，单孔净宽5.0m，斜坡坡比为1:7，底板顶高程由23.54m渐变至池身底板顶高程15.55m。
所述池身段长40.0m，其中池身前段长22.0m，池身后段长18.0m，三孔结构，单孔净宽5.0m。
如图9所示，所述均流孔为三个矩形状的孔，间隔一定距离设置，均流孔46的单孔宽(b4)1.5m，高(h1)4.5m。所述后斜坡段的消波梁34以及池身前段的消波梁47的间隔为3m，所述的消波梁的截面为1.0m×0.8m的矩形。所述均流孔距池身段起始断面距离L1以使水流能够充分扩散为准；距消波胸墙距离L2则能够保证压力管涵进口流态平稳、流量均衡为准。
通过设置均流孔，可以在转换设施上下游孔数不一致时，或是上下游错孔输水尤其是单孔错孔输水时，有效地解决池体内水流难免发生折冲、偏流，导致池内水流紊乱、下游管涵流量不均的问题，能更好地均化水流、消除不对称输水时产生的不利影响，保持池内水流平稳过渡。
所述池身前段下游设有潜孔式检修闸43，用以检修下游有压箱涵，位于所述消波胸墙45内。
所述下游连接段长18.0m，为三孔混凝土箱涵，箱涵孔径沿水流方向从5.0m×4.4m渐变至4.4m×4.4m，与下游的有压管涵顺接。所述下游连接段内通过隔墩50形成三孔结构，在上方侧形成有通向地表的对应的排气孔51，与下游连接段内部的水流通道相通以排气。下游连接段的主要功能是实现池身与下游有压管涵的平稳衔接，并保证有压管涵进口水流具有良好流态，且有利于排气。为此，下游连接段采取渐缩、反坡布置方式，并在末端设排气孔。连接段始端进口应满足一定淹没深度要求，末端管涵内顶高程应满足压力余富要求。渐缩角一般为5°～7°，反坡坡比i反一般为1:10～1:15。
所述的溢流通道23为矩形槽结构，形成在扩散段的侧壁的顶部，矩形槽长为3m。
本实用新型不但适用于大流量输水，也适用于小流量输水。
1)大流量输水
当系统处于设计流量输水时，流态转换设施处于正常运行状态，上下游水位落差仅为预留设计水头值，水面线可平顺衔接，池内流态稳定。在导流墩的作用下水体经扩散段均匀地进入下游通道，再经均流孔的均化作用，水体流量均衡地进入下游有压管涵。模型试验表明，此种输水条件下，扩散段内水流流态稳定，流速分布均匀，扩散角角度及扩散段长度取值合理，没有发生水流脱壁现象；导流墩墩型合理，位置适宜，水流可均衡的进入各水流通道，墩头形状可有效避免水流的溅射；转换设施的体型设计能够很好的满足设计要求。经验证流态转换设施设计体型及尺寸是合理的，能够满足功能要求。详见图3-4。
2)小流量输水
当系统小流量输水运行时，有压输水段所需水头较小，下游水面线降低较大，转换设施内上下游水体形成较大的落差，上下游水面线以水跃形式衔接。此时，当输水流量由大变小时，水跃逐渐由扩散段向池体内后移，由于池内存有较厚的水垫，能够形成淹没式水跃，水体通过在水垫内的翻滚、摩擦自动消除多余能量，根据输水流量由大到小的变化，上游水体总能量也随之变化，水垫厚度发生由厚到薄的变化，在不同输水流量下池内水垫厚度均可满足消除能量的要求；当输水流量由小变大时，水跃逐渐由池体向扩散段移动，水垫厚度由薄变厚，在不同输水流量下池内水垫厚度亦可满足消除能量的要求。经过消波梁和竖向消波胸墙的作用，进一步消除表层残余能量，从而实现水体平稳经过均流孔均化后均衡地进入下游。模型试验结果表明，在此种输水条件下，转换设施的体型设计也是合理的，能够满足设计要求。详见图5-6。
当采用错孔小流量输水时(上游一孔运行)，水流在扩散段内发生扩散后进入池内，再经均流孔均化后平稳进入下游管涵。模型试验表明，在此种运行状态下，水流在扩散段内发生不均匀扩散，经导流墩第一次调整后，横断面流速分布均匀程度有所改善，进入斜坡段内发生水跃自动消除多余能量，经均流孔第二次流量均化调整后，各孔水体更加均匀地进入下游有压管涵各孔。转换设施的尺寸及布局基本合理，没有产生不良水力现象，见图7-8所示。
本实用新型具有以下优点与特点：
(1)在不同输水流量下，能够实现无压流向有压流的自动平稳过渡，使无压流段与有压流段明确分界，保证各自的流态相对稳定。
(2)当上、下游采用不同孔数输水时，能够自动均化流量，使下游压力管涵流量均衡、水流衔接平稳。
(3)在各种运行工况下，防止无压段管涵发生明满流交替的不良水力现象，控制下游有压管涵的内水压力，保证工程安全运行。
(4)在下游有压管涵糙率变化范围内，确保工程具有安全输送设计流量的能力。
(5)小流量时，自动消耗部分富余水头，同时能够防止消能中产生的气泡进入下游有压管涵内，保证系统输水能力和工程安全。
本实用新型经水工模型试验验证，两种不同流态间水流衔接良好，不同工况下水中气体基本不进入下游有压管涵，压力管涵进口水位波动较小，下游管涵流量均衡，满足工程安全、可靠的运行要求。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。