CN102277861B - 洞内自补气消能方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洞内自补气消能方法和装置，是一种水工方法和装置。包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置阻水墩，所述的消力墩可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管。本发明采用在各种消力墩中设置通气管的阻水墩方式，利用消力墩背水面的负压吸取出水洞顶部的气水混合流进行自掺气的方式，有效的削减了边墩、组合墩或压板等背水面的负压，发挥其消能效果，同时使洞内水流平稳，消力墩结构简单、易于建造，工程量大大减小，工程造价大大降低。

Description

洞内自补气消能方法和装置

技术领域

本发明涉及一种洞内自补气消能方法和装置，是一种水工方法和装置，是一种用于旋流竖井泄洪洞在出水洞中的消能方法和装置。

背景技术

将水坝施工中的导流洞改建为泄洪洞的方式即节省人工和资金，施工难度也相对较小，是一种多快好省的施工设计方法。例如中国专利申请《一种旋流环形堰防蚀、消能的泄洪方法及装置》（申请号200910089562.7）所提出的旋流环形堰竖井泄洪洞，可以避免溢流堰和竖井空蚀，泄洪消能效果好，出口下游无雾化现象，避免滑坡，同时，泄洪洞施工简单，经济。但该种泄洪洞的出水洞尚需要解决如何使阻水墩在增加消能的同时又能保证自身的安全问题。为消除阻水墩背水面的具有破坏性的负压涡，以往传统的工程措施是在压板或消力墩背水面的出水洞洞顶，开挖一条通向山上的通气井自然掺气。然而，出水洞通常的位置是在山的深处，与山体表面距离较大。从出水洞顶端向山体表面开挖通气井工程量大，在山顶打井的施工比较困难，同时破坏生态环境，不是一种理想的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种洞内自补气消能方法和装置。所述的方法和装置在出水洞的阻水墩中设置通气管形成自掺气，可以消减阻水墩背水面的负压涡，同时使下游形成稳定的明流流态，消能效果明显。

本发明的目的是这样实现的：一种明流斜井洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩是明流斜井反弧段前端的上游边墩，以及明流斜井反弧段后端的挑坎，以及设置在挑坎下游的下游边墩，其特征在于，所述的上游边墩和下游边墩的通气管包括一个竖直的在边墩顶端开口的主管和多个一端在边墩背水面开口另一端与主管连接的支管，所述的主管的开口端带有扩口；所述的挑坎包括：设置在出水洞底部的三角形墩，所述三角形墩背水面的出水洞两侧壁中分别埋设有通气管，所述的通气管一端设置在阻水墩背水面，另一端设置在出水洞顶部圆弧段。

一种旋流竖井洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩是设置在出水洞中出水洞与竖井连接处的边墩，以及边墩下游的组合墩，其特征在于，所述的边墩是设置在出水洞的两侧壁上三角形墩，所述边墩的通气管包括一个竖直的在边墩顶端开口的主管和多个一端在边墩背水面开口另一端与主管连接的支管，所述的主管的开口端带有扩口。

一种竖井－旋流洞洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩是组合墩，所述的组合墩包括：设置在出水洞两侧壁带有通气管的组合边墩和设置在出水洞底部的组合挑坎，所述的组合边墩的底部与组合挑坎的两端连接；所述的分散组合墩包括：设置在出水洞两侧壁带有通气管的分散边墩和设置在分散边墩下游的居于出水洞中心轴线上的带有通气管的梯形的中墩。

一种竖井－连续旋流洞洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩，是由没有埋设通气管的边墩和边墩下游带有通气管的压板构成，所述的压板设置在出水洞的顶部，所述压板的中心竖直纵切面为三角形，所述的压板通气管为一根设置在压板中心的直圆筒形管子，所述的压板通气管的中心轴线与水流方向一致，贯穿整个压板，所述的压板通气管的进口带有扩口。

一种使用上述装置的洞内自补气消能方法，所述方法的步骤包括：

水流进入出水洞的步骤：用于水流流入出水洞，水流中携带有大量空气；

水流流过边墩：

在边墩的作用下水流进入出水洞并消能的步骤：用于水流在进入出水洞后水流中的空气上升，这时水充斥在整个出水洞的截面上，在城门洞型的出水洞的圆弧形顶部空间形成有空气占多数的气水混合流，由于在出水洞的进口附近设置了边墩，利用水流通过边墩后空间突然扩大消除水中能量；

其特征在于：

从边墩背水面吸气水混合流的步骤：用于水流在流过边墩后在边墩背水面产生负压，所述的负压通过边墩背水面通气管的支管开口联通到主管，主管在墩顶部的开口端吸取出水洞顶部的气水混合流；

在边墩背水面掺气并消能的步骤：用于出水洞顶部的气水混合流通过边墩通气管的主管到支管被吸到边墩背水面掺入边墩背水面的水流中，使边墩背水面的水流中掺入大量空气，产生防蚀、消能的作用； 

水流流过压板：

压板阻止水流增压消能的步骤：用于水流受到压板的阻挡，在压板前形成水垫塘增压消能，之后水流流过压板；

从压板背水面吸气水混合流的步骤：用于水流在流过压板后在压板背水面产生负压，所述的负压通过压板通气管吸取在压板迎水面的气水混合流；

在压板背水面掺气消减负压和增强消能的步骤：用于出水洞顶部的气水混合流通过压板通气管被吸到压板背水面掺入压板背水面的水流中，空气弥散，负压消失形成净水射流，使压板背水面的水流形成稳定的明流流态；

水流排出出水洞的步骤：用于水流以稳定的明流流态从出水洞中排出。

本发明产生的有益效果是：本发明采用在阻水墩内设置通气管的方式，利用阻水墩背水面的负压吸取出水洞顶部的气水混合流进行自掺气的方式，有效的解决了阻水墩背水面的负压涡的问题，使出水洞内水流平稳，消能效果明显。本发明的阻水墩后和水流出出水洞之前即获得了稳定的低流速的明流流态，这对于低尾水位的出水洞十分有意义，可以有效的防止出水洞出口冲蚀和避免发生雾化现象，保护下游生态环境。本发明所述的装置仅仅是简单的在阻水墩中埋设通气管，而阻水墩都是一些设置在出水洞中的简单、易于施工的小型构建物，如：边墩、挑坎、压板、组合墩和分散组合墩等，在这些小型的构建物中埋设的通气管也十分的短小，基本不增加施工难度。相对于传统的从出水洞到大气的通气井施工，工程量大大减小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图，是图1 C-C向剖面图；

图3是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图，是图1 B-B向剖面图

图4是传统的通气井补气的压板结构示意图；

图5是本发明的实施例二所述装置的压板结构示意图；

图6是本发明的实施例二所述装置的压板结构示意图，是图5中E-E方向的剖面图；

图7是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图；

图8是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图，是图7中F-F方向的剖面图；

图9是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图，是图7中G-G方向的剖面图；

图10是本发明的实施例二所述装置的组合墩结构示意图；

图11是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图，是图10中J-J方向的剖面图；

图12是本发明的实施例二所述装置的边墩结构示意图，是图10中K-K方向的剖面图；

图13是本发明的实施例二所述装置的挑坎结构示意图；

图14是本发明的实施例二所述装置的挑坎结构示意图，是图13中M-M方向的剖面图；

图15是本发明的实施例三所述装置的结构示意图;

图16是本发明的实施例四所述装置的结构示意图;

图17是本发明的实施例五所述装置的结构示意图；

图18是本发明的实施例五所述装置的起旋室结构示意图，是图17 N-N方向的剖面图；

图19是本发明的实施例六所述装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种洞内自补气消能装置，如图1所示。本实施例包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与由城门洞形导流洞改建的出水洞连接，所述的出水洞内进口段设置阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管。水流在通过连接井时会携带大量空气，或在水中掺入大量空气，以备在出水洞中的阻水墩消能。

本实施例所述的连接井是一种将泄洪洞进水口与泄洪洞的出水洞连接的过渡段，这是一个非常重要的过渡段。由于这个过渡段的进、出口通常不在一个水平面上，具有较大的落差，因此如何消除这个落差所形成的能量是阻水墩主要功能。通常的连接井有几种形式：

最为传统的是斜井“龙抬头”式连接井，这种连接井是倾斜的明流斜井。整个斜井直至出水洞都是明流，即水流上方有充足的空气。这些充足的空气在出水洞中将会被利用，来防止阻水墩背水面的负压涡。斜井的施工费用高，施工难度较大。在斜井的末端采用反弧段与下游出水洞连接，流速很大，隧洞易发生空蚀破坏。

较为先进的是竖井，即用一个垂直的竖井将泄洪洞入水口与出水洞连接起来。这种竖井施工方便。通常采用旋流的方式再加上出水洞内阻水墩进行消能。旋流有几种方式：在竖井的顶部设置涡室，使水流在竖井中产生旋流，称为旋流竖井；在竖井的底板设置涡室，并在出水洞的进口段设置截面为圆形的旋流洞，使水流在水平的旋流洞中产生旋流，称为竖井－旋流洞。如果加长旋流洞的长度，则称为竖井连续旋流洞。无论是旋流竖井还是竖井－旋流洞，都需要在旋流的过程中通过通气井在旋流中掺入大量空气。大量的空气在出水洞中，如同在斜井中一样，也将会被利用，来防止阻水墩背水面的负压涡。由于不同的连接井在出水洞中产生的水流状况不同，阻水墩的设置也不尽相同，可以有多种组合。

本实施例所述的出水洞由城门洞形导流洞改建而成。导流洞是在水坝施工中用于将水坝上游的水绕过水坝施工现场排到水坝下游的一种临时性设施。通常在水坝施工完成后即废弃。本实施例则是利用这种废弃的临时性设施，对其进行改进，形成泄洪洞的出水洞，这样可以节约施工的费用。城门洞型是一种截面下半部分为矩形，上半部分半圆的拱形隧洞结构形状，下半部分的竖直墙段称为侧壁。城门洞是一种施工最方便的隧洞结构形状。导流洞通常都采用城门洞结构形状。

所述的出水洞中设置阻水墩。由于泄洪洞进水口之间有落差，出水洞水流中携带有大量能量，这些能量一方面对洞体本身有破坏作用，另一方面对出水洞出口处的周围环境有侵害，两方面的危害均不容忽视，必须尽量在水流流出出水洞之前消耗掉水流中的能量。在出水洞中合理的设置阻水墩可以消耗掉水中携带的大部分能量，使水流平稳，大幅度减少水中能量的破坏作用。阻水墩是由一些在水流的流动通道上设置的各种形式的钢筋混凝土构建物，是各种形式的消力墩或消力墩组合的总称。消力墩在出水洞的顶部称为压板，在底部称为挑坎，在两侧称为边墩，在中间称为中墩，挑坎和边墩组合称为组合墩，边墩和中墩的组合称为分散组合墩等等。挑坎、压板、边墩、组合墩、分散组合墩统称为阻水墩。在整个泄洪洞的系统中，这些消力墩可以单独使用，也可以相互组合或者成组的使用。根据不同的连接井，组合使用不同的阻水墩：斜井可以两个边墩中间加挑坎的方式；旋流竖井配合边墩加组合墩；竖井-旋流洞配合组合墩；竖井-连续旋流洞配合边墩加压板等等。

消力墩的迎水面通常有一定的倾斜度，与水流方向形成一定的夹角；背水面通常垂直于水流方向，或略微有一些倾斜角度。水流在通过消力墩的时候会在其背水面产生涡旋，形成负压涡。负压涡可能会引起构建物的空蚀，破坏阻水墩以及洞体结构。本实施例为防止负压涡而设置的通气管，利用水中携带的空气消减阻水墩背水面漩涡的负压涡，避免发生空蚀，同时还达到消能的目的，这就是所谓自掺气阻水墩的功能。

本实施例的关键在于水流中必须有大量的空气存在，否则就无法自掺气，因此，明流或旋流在进入出水洞时需要带入大量空气，这些空气进入出水洞后以气水混合流的形态，在出水洞的顶部流动。利用管道将这些带有大量空气的气水混合流引导到消力墩的背水面，削减消力墩背水面漩涡的负压，在阻水墩下游形成明流流态。因此本实施例的各种消力墩都包含有通气管。包括边墩、压板，以及边墩和挑坎结合形成的组合墩的两边的边墩上都设有通气管。由边墩和中墩组合的分散组合墩里，边墩和中墩上都设有通气管。有了消力墩上的通气管才能实现自掺气免蚀消能的作用。

实施例二：

本实施例的是实施例一的改进，是实施例一关于阻水墩的细化。本实施例所述的阻水墩是挑坎、边墩、压板、组合墩和分散组合墩之一。

边墩的结构见图1、2、3所示，图中A为水流方向。本实施例所述的边墩1是对称的设置在出水洞2两侧壁两个阻水墩的统称。通常情况下，边墩都是成对出现的。边墩的水平截面（与水平面平行的截面）的形状为近似三角形，如图3所示。外观上看如同出水洞两侧的两根对称的竖墩（如图2），利用边墩出口突然扩大消能。边墩的迎水面与出水洞侧壁202的夹角θ=（20°~30°），三角体顶部的棱角α=（90°~100°），墩的厚度δ视收缩（过流）断面积A_b的大小而定，A_b≈0.5As，其中As是连接竖井的最大输水量的截面积（对于泄井A_b可以略大一些）。因边墩的背水面（或称坎后）负压很大，可能引起空蚀，要求向坎后掺气。本实施例在浇筑边墩时埋设带有水平支管的通气竖管。要求边墩的顶部高程必须限制在隧洞城门洞形断面的拱顶之下，即边墩浇筑在隧洞两侧垂直边墙的高度H内。通气管的一端对洞顶的圆弧空间201敞开，另一端连接到边墩的背水面，将出水洞顶部的气水混合流引导到边墩的背水面掺气，空气是来源于出水洞顶部空间中的气水混合流。向边墩背水面掺气不仅消减负压，同时增加消能效果。本实施例的图1、2、3所示的边墩中的通气管是一种使用一根较为粗大的主管101，连接多跟较细的支管102而形成的。本实施例中边墩的形状为近似三角形（不可以改成圆形，因其消能效果较差）。边墩通气管可以有多种形式，可以是一根竖直主管，带有多个水平的支管。也可以是多个弯曲的细管，将洞顶部的气水混合流引导到边墩背水面。

本实施例所述的压板是设置在出水洞顶部的竖直纵截面（与水流方向平行并与水平面垂直的截面）为近似三角形或半圆弧形，或1/4椭圆曲线的阻水墩，阻水墩的宽带与出水洞的宽带相对，外观上看如同一道横梁，横担在出水洞中。顶压板的作用是，使压板上游洞内形成有压流（满流）防止结构物空蚀和提高消能率，下游形成较平稳的明流流态。以往在压板背后洞顶要开挖一条通向山上的通气井来掺气，消除压板背水面的负压涡，用以实现下游水面平稳的目的。然而，由导流洞改建的出水洞常常是深藏在山体的下面，从山体表面向出水洞开挖通气井，工程量大且施工困难，同时破坏生态环境。

传统的压板后的掺气方式是在压板3后开挖通气井4，如图4所示。本实施例在压板内水平埋设通气管301，如图5所示，取代洞顶开挖的通气井，将上游洞顶的水汽混合体自动地从压板短管流出，空气弥散消减负压，改善下游流态。所述的通气管设置在压板横截面圆拱的对称中心轴线的顶部，如图6所示。出水洞顶部的气水混合流通过压板通气管流到压板背水面。压板迎水面的倾斜角θ=（30°～45°），下端棱角α₁=（90°～100°），孔高h由收缩孔过流面积A _y 确定，A _y ≈0.6As（As－竖井横截面积），如图5、6所示。压板中的通气管可以是一根，也可以并排安装多根，可以是直通管，也可以是弯曲的管子。压板通气管的主要作用是，防止压板后产生不稳定的负压涡，并且在压板下游形成稳定的明流流态。根据试验研究，水流所带来的大量空气漂移到洞顶形成的气水混合流（掺气浓度达50％以上），可通过压板中的通气管被压板背水面的负压作用，将空气吸到压板下游，降低了压板背水面的负压。为了增加通气管的流量，压板通气管进口可以设计为扩口。带有通气管的压板的自掺气作用适用于各种旋流泄洪洞（因洞顶的掺气浓度有50%），但不适于传统的斜井（龙抬头）式连接井，因为洞顶本来就是通气的明流，不需要设置顶压板。

本实施例所述组合墩的结构见图7、8、9。本实施例所述的组合墩9是由边墩501加中间挑坎502组成，边墩的水平截面形状以及挑坎的竖直纵截面形状均为三角形体。边墩迎水坡面的夹角，θ₁=（20°~30°），中间挑坎的迎水坡面与底板的夹角，30°≤θ₂＜45°。在边墩内埋设带有水平支管504的竖通气管503，同时向边墩和挑坎背水面掺气，以削减负压，空气来自洞顶空间的水气混合体。边墩厚度δ₁和中间挑坎高度h ₁ 由收缩断面积A _Z 大小来确定，A _Z ≈0.55As(As－竖井横截面积)。组合墩的边墩顶部高程，限制在隧洞城门洞形断面的高度H内。

本实施例所述的分散组合墩见图10、11、12所示，它是由边墩加下游三角梯形体的中墩组成。边墩结构与上述边墩构成相同。中墩的迎水面坡同底板的夹角60°，其两侧边向内倾斜，顶部削平埋设带有水平支管的竖通气管，向墩的背水面掺气。由于边墩是对称布置的，高速水流射到中墩的首部不会产生负压引起壁面空蚀，边墩和中墩的背水面由于自掺气也不会发生空蚀。分散组合墩的特点是在施工过程不影响交通，同时自身消能率较高。图12中δ₂是边墩的宽度，中墩在边墩下游的δ₂距离上，中墩的最大宽度为2δ₂。

本实施例所述的挑坎7采用在出水洞的侧壁中埋设通气管701的方式，将洞顶的气水混合引导到挑坎的背水面掺气，如图13、14所示。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于连接井和阻水墩的细化，本实施例所述的所述的连接井是明流斜井，所述的阻水墩是明流斜井反弧段前端的上游边墩，以及流斜井反弧段后端的挑坎，以及设置在挑坎下游的下游边墩。

本实施例是对传统斜井下设置掺气槽的改进，是实施例一关于连接井和对应的水垫塘（即在出水洞内阻水墩上游形成的淹没水垫）的细化，如图15所示。本实施例所述的连接井802是明流斜井，所述的水垫塘是指反弧段803下游至边墩806之间，水平洞段的淹没水垫层。本实施例所使用的边墩和挑坎如实施例二所述。

本实施例所述的连接井是传统“龙抬头”式。泄洪洞入口801所连接的“龙抬头”式连接井是一种斜井，水流以一定的倾斜角度从入口流入出水洞中，整个斜井中的水流处于明流状态，这种明流状态也可以使用上述实施例所述的通气管进行掺气。本实施例特点在于：（1）将反弧段下游一段洞内改成水垫塘，目的是消减负压、避免空蚀、提高消能率和减轻出口雾化现象；（2）在反弧段上下游依次设置边墩、掺气消能坎和边墩，其中边墩在墩内埋通气管自行掺气，将消能挑坎加高，坎后底板不挖槽，从侧墙埋通气管向坎后掺气，上游边墩释放的空气可以保护挑坎边墙不发生空蚀，而下游边墩的收缩阻水构成水垫塘，增加消能效果。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于连接井和对应的阻水墩的细化，如图16所示。本实施例所述的连接井是旋流竖井，所述的阻水墩是由设置在出水洞的边墩和其下游的组合墩构成。

旋流竖井指的是：与水平面垂直的竖井，竖井的顶端设置有涡室，水流在涡室中形成绕竖直轴旋转的旋流。水流在竖井内旋转下泄，竖井下部产生环状水跃和水汽混合垫层，当水流进入出水洞时大量气泡漂浮在洞顶区域，掺气浓度达50%。利用此有利的条件在洞内前后布置两道自掺气消力墩，构成阻水墩，进行强迫消能。

本实施例包括：带有可以在竖井中产生旋流的旋流设施的引水洞901。所述的引水洞901与涡室902偏心向连接，可以产生非对称的旋流，如图16所示，也可以产生对称旋流（如带有起旋墩的环形堰直径同竖井连接时）。它们的共同特点是使水流进入竖井时产生带有空腔通气的旋转流运动，在竖井下部产生环状水跃，和气水垫层。有大量空气掺杂在水中是在出水洞中自掺气的先决条件，没有这些空气的掺入，就不可能创造出自掺气消力墩。

所述涡室与竖井903的顶端连接。所述的竖井则是一个圆筒形的井，其中心轴线与水平面垂直，水流在竖井上半部分形成旋流下落，并在竖井中部形成环形水跃。这种环形水跃可以起到有效的消能作用。竖井的底部与出水洞904连接，出水洞中设置有阻水墩，包括：边墩905和边墩下游的组合墩906。图16在出水洞进口段前后分别布置自掺气边墩和自掺气组合墩，空气来自洞顶空间向各自消力墩的通气管掺气，在防止墩的背水面空蚀的同时消耗大量水流的能量，通过试验证明，此种消能工的布置，竖井旋流加上洞内阻水墩，总消能率略大于80%。

实施例五：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于连接井和对应的阻水墩的细化，如图17所示。本实施例所述的连接井是竖井旋流井，所述的出水洞阻水墩是由组合墩构成的。

竖井－旋流洞指的是，入水口与出水洞之间的连接井是竖井，竖井1001的底部设置有起旋室1003。水流从入水口经竖井垂直下泄到达起旋室，在一段圆形截面的旋流洞1004内产生旋转流，再进入城门洞形断面的阻水墩后流出出水洞。本实施例所述的竖井－旋流洞的旋流出现在平洞的旋流洞中并通过起旋室一侧的通气井1002在旋流中掺入大量空气。起旋室的旋流轴线水平放置，形状如同一个水平放置的蜗牛，如图18所示。由于平洞的旋流消能力度大，在阻水墩内只设置一道自掺气组合墩1005，总消能率能达到85%以上，且下游洞内水面平稳。

实施例六：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于连接井和对应的阻水墩的细化，如图19所示。本实施例所述的连接井是竖井－连续旋流洞，所述的阻水墩，是由没有埋设通气管的边墩和边墩下游的自掺气的压板构成。

本实施例所述的竖井－连续旋流洞指的是，具有与竖井－连续旋流洞相同结构的竖井和起旋室以及通气井，不同是旋流洞1101的长度增加。水流经竖井下泄，通过起旋室在全长圆形截面的旋流洞内连续旋转消能后流入出水洞。其中旋流洞的圆形截面也可以是高宽比H/W＜1.2的城门洞形截面，此种竖井连续旋流井在导流前就将起旋室和旋流洞段做成圆形截面，通过渐变段1102同下游城门洞形截面的出水洞连接。设竖井的直径是D，则在距竖井10D的出水洞内设置一道边墩1103，再间隔3.5D下游设置自掺气的顶压板。注意，压板下的过流面积与竖井截面积之比应是：A_Y/A_S≥0.6，如果A_Y太小，不仅会引起雍水严重地影响泄流量，同时洞内会产生不稳定涡袋引起振动。

设置自掺气的压板的目的是，使压板上游的洞内形成有压流，避免边墩出现负压，增加消能力度，同时在下游形成较平稳的明流流态（这时的边墩不需要埋设通气管）。

实施例七：

本实施例是实施例二至六的改进，是实施例二至六所述装置中关于边墩、组合墩和分散组合墩的细化。本实施例所述的边墩或组合墩、分散组合墩中包含的边墩是：设置在出水洞的两侧壁上三角形墩，所述边墩的通气管包括一个竖直的在边墩顶端开口的主管和多个一端在边墩背水面开口另一端与主管连接的支管，所述的主管的开口顶端带有扩口。

本实施例所述的三角形边墩的水平截面形状是三角形，其迎水面和背水面相交的棱边可以带有倒角，倒角可以向背水面倾斜。三角形边墩的迎水面和背水面相交的棱边也可以是圆弧过渡或其他曲线形过渡（曲线形不如三角形的消能率高）。

本实施例所述的主管的开口接近城门洞型的出水洞的顶部，可以吸收那里的气水混合流，将其引导到边墩的背水面。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例所述装置中关于压板的细化。本实施例所述的压板设置在出水洞的顶部，所述压板的与水流平行的中心竖直切面为三角形，所述的压板通气管为一根设置在压板中心的直圆筒形管子，所述的压板通气管的中心轴线与水流方向一致，贯穿整个压板，所述的压板通气管的进口带有扩口。

本实施例从压板通气管出来的掺气水流，空气瞬间释放出，变成清水射流，消除了负压涡。在压板下游洞内形成较平稳的明流流态。

本实施例所述压板的迎水面和背水面相交的位置可以带有倒角，倒角可以向背水面倾斜。压板迎水面和背水面相交的位置也可以是圆弧过渡，或其他曲线形过渡。

实施例九：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二所述的组合墩、分散组合墩、挑坎的细化。本实施例所述的组合墩包括：设置在出水洞两侧壁带有通气管的组合边墩和设置在出水洞底部的组合挑坎，所述的组合边墩的底部与组合挑坎的两端连接。所述的分散组合墩包括：设置在出水洞两侧壁带有通气管的分散边墩和设置在分散边墩下游的居于出水洞中心轴线上的带有通气管的梯形的中墩。所述的挑坎包括：设置在出水洞底部的三角形墩，所述三角形墩背水面的出水洞两侧壁中分别埋设有通气管，所述的通气管一端设置阻水墩背水面，另一端设置在出水洞顶部圆弧段。

本实施例描述了三种自掺气的阻水墩：组合墩、分散组合墩和挑坎。这些阻水墩的共同特点是在背水面设置了通气管，将出水洞顶部的气水混合物引导到阻水墩的背水面。可以埋设在阻水墩中，如组合墩、分散组合墩，对于横向连续挑坎，通气管应埋设在出水洞的侧壁中。

实施例十：

本实施例是一种使用实施例二所述装置的洞内自补气消能方法。本实施例描述了实施例二中两种阻水墩的自掺气方法，一种是带有通气管的边墩的自掺气方法，另一种是压板的自掺气方法。这两种方法可以单独使用，也可以组合使用。自掺气的关键在于水中有大量的气水混合物，因此进入出水洞的水流如果不是旋流，就是明流，流体中带有空气。本实施例所述方法的关键在于将出水洞顶端的气水混合流引导到阻水墩的背水面，消除漩涡中的负压，并且平稳下游明流流态。本实施例虽然针对的是压板和边墩，但也可以应用在其他产生阻水功能的设施上，包括其他形式的阻水墩上。本实施例所述步骤可以体现在单独的压板或边墩上，也可以是前后排列的边墩和压板上。因此，所述的步骤分为：水流流过边墩的过程和水流流过压板的过程。这两个过程可以单独进行，也可以应用在前后排列的边墩和压板上。本实施例所述方法的步骤包括：

水流进入出水洞的步骤：用于水流流入出水洞，水流中携带有大量空气。

水流流过边墩：

在边墩的作用下水流进入出水洞并消能的步骤：用于水流在进入出水洞后水流中的空气上升，这时水充斥在整个出水洞的截面上，在城门洞型的出水洞的圆弧形顶部空间形成有空气占多数的气水混合流，由于在出水洞的进口附近设置了边墩，利用水流通过边墩后空间突然扩大消除水中能量。由于出水洞是一个接近水平的涵洞，进口与出口之间的高度差不大，所以水流中的空气就会向上浮，但由于压力的关系，这时空气还不能与水分离，只能以气水混合体的形式浮在出水洞顶部。换句话说就是当水流进入出水洞后很快就在水流的上部形成气水混合流。

从边墩背水面吸气水混合流的步骤：用于水流在流过边墩后在边墩背水面产生负压，所述的负压通过边墩背水面通气管的支管开口联通到主管，主管在墩顶部的开口端吸取出水洞顶部的气水混合流。

在边墩背水面掺气并消能的步骤：用于出水洞顶部的气水混合流通过边墩通气管的主管到支管被吸到边墩背水面掺入边墩背水面的水流中，使边墩背水面的水流中掺入大量空气，产生防止空蚀和提高消能率的作用。本实施例通过将出水洞顶部的气水混合流中引导到边墩的背水面，抵消负压涡。

水流流过压板：

压板阻止水流增压消能的步骤：用于水流受到压板的阻挡，在压板前形成水垫塘增压消能，之后水流流过压板；

从压板背水面吸气水混合流的步骤：用于水流在流过压板后在压板背水面产生负压，所述的负压通过压板通气管吸取在压板迎水面的气水混合流。水垫塘是一种压力消能工，是阻水墩上游的一个空旷地带，是由阻水墩阻挡有压水流在阻水墩上游的空旷地带所形成的类似于水垫子一样的水工，利用水垫子柔性作用产生消能作用。

在压板背水面掺气消减负压和增强消能的步骤：用于出水洞顶部的气水混合流通过压板通气管被吸到压板背水面掺入压板背水面的水流中，空气弥散，负压消失形成净水射流，使压板背水面的水流形成稳定的明流流态。水流的明流流态相当于在明渠中的流态，水和空气完全分离。出水洞的下半部分基本上都是水，水中只有少量空气。出水洞的上半部分基本上都是空气。

水流排气出水洞的步骤：用于水流以稳定的明流流态从出水洞中排出。以明流流态的水流流出出水洞时，水中的能量较小，不会对出口处的生态环境产生破坏。本步骤接续在“在压板背水面掺气消能的步骤”，也可以接续在“在边墩背水面掺气并消能的步骤”之后。

上述的步骤是针对先边墩后压板形式的阻水墩设施而言的，实际可以使用其他形式的阻水墩设施。例如：底板上的阻水墩加边墩加压板，或者多个边墩的组合，以及多个压板的组合，以及多个边墩和压板及阻水墩的组合等等，都可以实现本实施例所述的利用管道消除产生阻水墩设置背水面负压涡的方法。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如带有通气管的各种阻水墩背水面消除负压涡的方法和装置等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (5)

1.一种明流斜井洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩是明流斜井反弧段前端的上游边墩，以及明流斜井反弧段后端的挑坎，以及设置在挑坎下游的下游边墩，其特征在于，所述的上游边墩和下游边墩的通气管包括一个竖直的在边墩顶端开口的主管和多个一端在边墩背水面开口另一端与主管连接的支管，所述的主管的开口端带有扩口；所述的挑坎包括：设置在出水洞底部的三角形墩，所述三角形墩背水面的出水洞两侧壁中分别埋设有通气管，所述的通气管一端设置在阻水墩背水面，另一端设置在出水洞顶部圆弧段。

2.一种旋流竖井洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩是设置在出水洞中出水洞与竖井连接处的边墩，以及边墩下游的组合墩，其特征在于，所述的边墩是设置在出水洞的两侧壁上三角形墩，所述边墩的通气管包括一个竖直的在边墩顶端开口的主管和多个一端在边墩背水面开口另一端与主管连接的支管，所述的主管的开口端带有扩口。

3.一种竖井－旋流洞洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩是组合墩，所述的组合墩包括：设置在出水洞两侧壁带有通气管的组合边墩和设置在出水洞底部的组合挑坎，所述的组合边墩的底部与组合挑坎的两端连接。

4.一种竖井－连续旋流洞洞内自补气消能装置，包括：泄洪洞入口，所述泄洪洞入口与连接井的顶端连接，所述的连接井的底部与出水洞连接，所述的连接井与出水洞中设置有阻水墩，所述的阻水墩带有可以将出水洞顶部的气水混合流引导到阻水墩背水面的通气管，所述的阻水墩，是由没有埋设通气管的边墩和边墩下游的压板构成，所述的压板设置在出水洞的顶部，所述压板的中心竖直纵切面为三角形，所述的压板通气管为一根设置在压板中心的直圆筒形管子，所述的压板通气管的中心轴线与水流方向一致，贯穿整个压板，所述的压板通气管的进口带有扩口。

5.一种使用权利要求4所述装置的洞内自补气消能方法，所述方法的步骤包括：

水流进入出水洞的步骤：用于水流流入出水洞，水流中携带有大量空气；

水流流过边墩：

在边墩的作用下水流进入出水洞并消能的步骤：用于水流在进入出水洞后水流中的空气上升，这时水充斥在整个出水洞的截面上，在城门洞型的出水洞的圆弧形顶部空间形成有空气占多数的气水混合流，由于在出水洞的进口附近设置了边墩，利用水流通过边墩后空间突然扩大消除水中能量；

其特征在于：

从边墩背水面吸气水混合流的步骤：用于水流在流过边墩后在边墩背水面产生负压，所述的负压通过边墩背水面通气管的支管开口联通到主管，主管在墩顶部的开口端吸取出水洞顶部的气水混合流；

在边墩背水面掺气并消能的步骤：用于出水洞顶部的气水混合流通过边墩通气管的主管到支管被吸到边墩背水面掺入边墩背水面的水流中，使边墩背水面的水流中掺入大量空气，产生防蚀、消能的作用； 

水流流过压板：

压板阻止水流增压消能的步骤：用于水流受到压板的阻挡，在压板前形成水垫塘增压消能，之后水流流过压板；

从压板背水面吸气水混合流的步骤：用于水流在流过压板后在压板背水面产生负压，所述的负压通过压板通气管吸取在压板迎水面的气水混合流；

在压板背水面掺气消减负压和增强消能的步骤：用于出水洞顶部的气水混合流通过压板通气管被吸到压板背水面掺入压板背水面的水流中，空气弥散，负压消失形成净水射流，使压板背水面的水流形成稳定的明流流态；

水流排出出水洞的步骤：用于水流以稳定的明流流态从出水洞中排出。

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