一种泄洪洞掺气结构的制作方法

1.本实用新型涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种泄洪洞掺气结构。


背景技术：

2.对于大型泄洪洞工程而言，当混凝土过流面水流流速达到30m/s时，泄洪洞将面临巨大的空蚀破坏风险。为了减免空蚀破坏风险，在混凝土过流壁面设置掺气减蚀设施是一种经济且有效的技术措施，并得到了大量工程的实践论证。
3.目前，泄洪洞掺气减蚀设施布置形式大体分为以下三种：底部掺气、侧壁掺气以及底部掺气与侧壁掺气组合布置形式。通过利用挑坎或跌坎的导向作用，使高速水流在挑坎或跌坎的下游侧形成一定长度的稳定掺气空腔或负压空腔，掺气空腔或负压空腔通过连通的通气管道将外部空气吸入到空腔内，水流将空气剪切卷吸入水体内部形成掺气水流，从而达到保护混凝土过流壁面的目的。
4.现有的泄洪洞底部掺气的通气管道一般布置在洞壁两侧，出气端与挑坎或跌坎下游侧的掺气空腔连通，进气端连通至外部大气或连通至泄洪洞洞顶，现有的掺气减蚀设施仅适用于泄洪洞明流流态的掺气减蚀。
5.我国新建的泄洪洞大多具有高水头、大流量、长距离。对底部、侧壁和洞顶的通风补气量提出了较高的要求，尤其当泄洪洞洞口水位变幅较大时，泄洪洞可能出现明流流态或有压流流态，然而现有的掺气减蚀设施不能用于泄洪洞有压流流态的掺气减蚀。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种泄洪洞掺气结构，能够同时适用泄洪洞的明流流态和有压流流态，以解决泄洪洞进口水位变幅较大，泄洪洞水流可能出现明流流态或有压流流态的问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种泄洪洞掺气结构，包括泄洪洞、通气洞、环形通气管、环形掺气坎和多根通气支管；
8.所述环形掺气坎设于所述泄洪洞的壁面内侧，所述环形通气管设于所述泄洪洞的壁面外侧；
9.所述环形掺气坎的下游设有所述通气洞，所述通气洞的进气端与外部大气连通，所述通气洞的出气端与所述环形通气管的进气端连通；
10.所述泄洪洞的底部、侧壁和顶部通过所述多根通气支管与所述环形通气管连通；
11.所述多根通气支管与所述环形掺气坎下游形成的掺气空腔连通。
12.上述一种泄洪洞掺气结构当泄洪洞低水位、小流量泄洪时，水流呈现为明流流态，此时的气流组织为：泄洪洞顶部的通气支管及部分高出水面的侧壁通气支管向泄洪洞洞顶补气，水流自由表面卷吸掺气，低于水面的泄洪洞侧壁通气支管向环形掺气坎下游的掺气空腔补气，水流剪切掺气，泄洪洞底部的通气支管向水流底部掺气空腔补气，水流剪切卷吸掺气；当泄洪洞高水位、大流量泄洪时，水流呈现为有压流流态，泄洪洞水流无自由表面，此
时的气流组织为：所有通气支管的出气端均处于掺气坎下游的掺气空腔内，外部空气被负压吸入到空腔内补气，在掺气空腔区域的水流呈临空射流水舌形状，水舌外周通过剪切卷吸作用向水体内部掺气；因此，上述一种泄洪洞掺气结构能同时适用泄洪洞的明流流态和有压流流态。
13.进一步的，所述多根通气支管包括设置在所述泄洪洞左右两端同一高度的若干组第一通气支管、第二通气支管和第三通气支管；所述泄洪洞的底部、侧壁、顶部分别通过所述第一通气支管、第二通气支管、第三通气支管与所述环形通气管连通。
14.更进一步的，所述泄洪洞的侧壁中部通过所述第二通气支管与所述环形通气管连通。由此，通过在泄洪洞两侧并排分散布置通气支管，可以保证泄洪洞进气均匀，当有部分通气支管堵塞时，仍然可以持续为水流供气，可以提高通气的可靠性。
15.进一步的，所述第一通气支管的顶端与所述泄洪洞顶端齐平；所述第三通气支管的底端与所述泄洪洞的底端齐平。由此，使得第一通气支管与第三通气支管位于环形掺气坎下游的掺气空腔内，且距离泄洪洞出流位置距离最远，可以避免水流经过环形掺气坎扩散冲击到通气支管内部。
16.进一步的，所述通气洞的横截面面积为所述环形通气管的管道横截面面积的两倍；所述环形通气管的管道横截面面积等于所述多根通气支管的管道横截面面积之和。由此，可以保证当环形通气管某一侧堵塞时，仍可维持有效的通气过流面积。
17.进一步的，所述环形掺气坎的径向坎高为0.2m～1.0m，所述环形掺气坎的水平长度为2m～20m；所述环形掺气坎的径向坎高与水平长度之比为0.05～0.1。由此，可以保证泄洪洞的水流在环形掺气坎位置处不发生急剧变化，保证泄洪洞掺气结构的正常掺气。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
19.一、本实用新型结构形成多独立通道、多节点、联合补气的立体补气网络，能够同时适用泄洪洞的明流和有压流流态，具有显著的先进性和有益效果；
20.二、本实用新型结构简单，施工方便，气流组织顺畅，能够同时满足泄洪洞高水头、大流量、长距离和对通风补气量要求高的特点。
附图说明
21.图1为本实用新型一种实施例的结构示意图；
22.图2为本实用新型一种实施例另一视角的结构示意图；
23.图3为图1中a-a处的剖面图；
24.图4为图1中b-b处的剖面图。
25.图中：1、泄洪洞；2、通气洞；3、环形通气管；4、环形掺气坎；5、第一通气支管；6、第二通气支管；7、第三通气支管；8、掺气空腔；a、剖切符号；b、剖切符号。
具体实施方式
26.以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
27.如图1-图4所示，本实施例的一种泄洪洞掺气结构包括泄洪洞1、通气洞2、环形通气管3、环形掺气坎4、第一通气支管5、第二通气支管6、第三通气支管7和掺气空腔8。
28.所述泄洪洞1的过流断面为圆形，直径为10m。所述环形掺气坎4设于所述泄洪洞1的壁面内侧，所述环形通气管3设于所述泄洪洞1的壁面外侧。
29.所述环形掺气坎4的下游设有所述通气洞2，所述通气洞2的进气端与外部大气连通。所述通气洞2的横截面直径为1.04m，所述通气洞2的横截面面积为0.84m2。
30.所述通气洞2的出气端与所述环形通气管3的进气端连通，所述环形通气管3的管道直径为0.73m，所述环形通气管3的管道横截面面积为0.42m2。
31.所述泄洪洞1的底部、侧壁和顶部通过多根通气支管与所述环形通气管3连通。所述多根通气支管与所述环形掺气坎4下游形成的掺气空腔8连通。各所述通气支管的管道直径为0.3m，各所述通气支管的管道横截面面积为0.07m2。
32.所述多根通气支管包括设置在所述泄洪洞1左右两端同一高度的两根第一通气支管5、两根第二通气支管6和两根第三通气支管7。所述泄洪洞1的底部、侧壁中部、顶部分别通过所述两根第一通气支管5、两根第二通气支管6、两根第三通气支管7与所述环形通气管3连通。由此，通过在泄洪洞1两侧并排分散布置通气支管，可以保证泄洪洞1进气均匀，当有部分通气支管堵塞时，仍然可以持续为水流供气，可以提高通气的可靠性。
33.所述两根第一通气支管5的顶端与所述泄洪洞1顶端齐平，所述两根第三通气支管7的底端与所述泄洪洞1的底端齐平。由此，使得两根第一通气支管5与两根第三通气支管7位于环形掺气坎4下游的掺气空腔8内，且距离泄洪洞1出流位置距离最远，可以避免水流经过环形掺气坎4扩散冲击到通气支管内部。
34.所述通气洞2的横截面面积为所述环形通气管3的管道横截面面积的两倍，所述环形通气管3的管道横截面面积等于所述多根通气支管的管道横截面面积之和。由此，可以保证当环形通气管3某一侧堵塞时，仍可维持有效的通气过流面积。
35.所述环形掺气坎4的径向坎高为0.5m，所述环形掺气坎4的水平长度为10m。所述环形掺气坎4的径向坎高与水平长度之比为0.05。由此，可以保证泄洪洞1的水流在环形掺气坎4位置处不发生急剧变化，保证泄洪洞掺气结构的正常掺气。
36.工作原理：
37.当泄洪洞1低水位、小流量泄洪时，水流呈现为明流流态，此时的气流组织为：泄洪洞1顶部的两根第一通气支管5及高出水面的两根第二通气支管6向泄洪洞1洞顶补气，水流自由表面卷吸掺气，泄洪洞1底部的两根第三通气支管7向水流底部掺气空腔8补气，水流剪切卷吸掺气。
38.当泄洪洞1高水位、大流量泄洪时，水流呈现为有压流流态，泄洪洞水流无自由表面，此时的气流组织为：所有通气支管的出气端均处于环形掺气坎4下游的掺气空腔8内，外部空气被负压吸入到空腔内补气，在掺气空腔8区域的水流呈临空射流水舌形状，水舌外周通过剪切卷吸作用向水体内部掺气。
39.本实施例的一种泄洪洞掺气结构形成多独立通道、多节点、联合补气的立体补气网络，能够同时适用泄洪洞的明流和有压流流态，具有显著的先进性和有益效果。同时本实施例的结构简单，施工方便，气流组织顺畅，能够满足泄洪洞高水头、大流量、长距离和对通风量要求高的特点。
40.上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本实用新型所附权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种泄洪洞掺气结构，包括泄洪洞(1)和通气洞(2)，其特征在于，还包括环形通气管(3)、环形掺气坎(4)和多根通气支管(5、6、7)；所述环形掺气坎(4)设于所述泄洪洞(1)的壁面内侧，所述环形通气管(3)设于所述泄洪洞(1)的壁面外侧；所述环形掺气坎(4)的下游设有所述通气洞(2)，所述通气洞(2)的进气端与外部大气连通，所述通气洞(2)的出气端与所述环形通气管(3)的进气端连通；所述泄洪洞(1)的底部、侧壁和顶部通过所述多根通气支管(5、6、7)与所述环形通气管(3)连通；所述多根通气支管(5、6、7)与所述环形掺气坎(4)下游形成的掺气空腔(8)连通。2.根据权利要求1所述的一种泄洪洞掺气结构，其特征在于，所述多根通气支管(5、6、7)包括设置在所述泄洪洞(1)左右两端同一高度的若干组第一通气支管(5)、第二通气支管(6)和第三通气支管(7)；所述泄洪洞(1)的底部、侧壁、顶部分别通过所述第一通气支管(5)、第二通气支管(6)、第三通气支管(7)与所述环形通气管(3)连通。3.根据权利要求2所述的一种泄洪洞掺气结构，其特征在于，所述泄洪洞(1)的侧壁中部通过所述第二通气支管(6)与所述环形通气管(3)连通。4.根据权利要求2所述的一种泄洪洞掺气结构，其特征在于，所述第一通气支管(5)的顶端与所述泄洪洞(1)顶端齐平；所述第三通气支管(7)的底端与所述泄洪洞(1)的底端齐平。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种泄洪洞掺气结构，其特征在于，所述通气洞(2)的横截面面积为所述环形通气管(3)的管道横截面面积的两倍；所述环形通气管(3)的管道横截面面积等于所述多根通气支管(5、6、7)的管道横截面面积之和。6.根据权利要求1-4任一项所述的一种泄洪洞掺气结构，其特征在于，所述环形掺气坎(4)的径向坎高为0.2m～1.0m，所述环形掺气坎(4)的水平长度为2m～20m；所述环形掺气坎(4)的径向坎高与水平长度之比为0.05～0.1。

技术总结
本实用新型提供了一种泄洪洞掺气结构，包括泄洪洞、通气洞、环形通气管、环形掺气坎和多根通气支管；所述环形掺气坎设于所述泄洪洞的壁面内侧，所述环形通气管设于所述泄洪洞的壁面外侧；所述环形掺气坎的下游设有所述通气洞，所述通气洞与外部大气连通，所述通气洞的出气端与所述环形通气管的进气端连通；所述泄洪洞的底部、侧壁和顶部通过所述多根通气支管与所述环形通气管连通；所述多根通气支管与所述环形掺气坎下游形成的掺气空腔连通。该结构形成多独立通道、多节点、联合补气的立体补气网络，适用泄洪洞的明流和有压流流态；同时该结构简单，施工方便，气流组织顺畅，满足泄洪洞高水头、大流量、长距离和对通风量要求高的特点。点。点。


技术研发人员：苗宝广 戴晓兵 周琦 王立杰 顾莉
受保护的技术使用者：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/5/25