CN107044112A - 掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法，包括连接段、通气孔、涡室、竖井、竖缝、消能箱、排洪支洞、排气孔、集气室、横板、泄洪主洞；竖井顶端连通所述涡室，涡室顶端设有所述通气孔，涡室侧面连通连接段，竖井底部与水平消能箱相贯连通，竖井底部与水平消能箱的衔接处有竖缝，消能箱、排洪支洞、泄洪主洞依次相贯连通，排洪支洞沿程垂直连通集气室，集气室顶部连通排气孔。本发明的泄洪方法采用竖井向排洪支洞的过渡连接形式采用旋流竖井‑竖缝消能箱联合消能技术，排洪支洞与排气井的连接形式采用集气室和横板联合排气技术，解决了流水到达排洪支洞时流态不稳定，气水不分离，泥土堵塞集气室的问题。

Description

掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法

技术领域

本发明属于水利消能泄洪技术领域，具体涉及掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法。

背景技术

旋流泄洪洞是由导流洞改建成永久泄洪洞的一种消能工形式。旋流泄洪洞视其旋转水流发生的位置,可分为竖井旋流消能和水平旋流消能，其原理均利用旋转水流的离心力形成空腔，增大洞壁压力和水力摩阻，延长流程，达到防止空蚀和消能的目的。旋流式竖井泄洪洞一般由引水段、涡室、竖井和出水段四部分组成。这种泄洪洞的突出特点是既具有较大的泄流能力,又具有较高的消能率。由于设有引水段,它在布置上比较灵活,适应地形能力比较强。涡室的作用是使竖井中的水流能够紧贴井壁旋转,在壁面上形成剩余压力,使水流比较稳定,不会引起其它形式消能中常见的空化空蚀现象，也正由于竖井轴线上的空腔,保证了在小于设计流量时竖井中流态的稳定性,减轻了水流的脉动及其引起的结构振动。由于水流旋转作用和贴壁水流层厚度相对较薄,增加了竖井段的消能率。目前现有旋流竖井消能排气方案主要有：在泄洪洞前段设置阻水墩且在末段设置通气井装置；在旋流竖井泄洪洞进口设置折流坎且在出口段设置集气坎、通气井、破气坎等；采用竖向压板技术和多孔平板技术或洞塞体和通气孔；用潜水起旋墩阻流消能；在泄洪洞顶设置一排排气井，通过排气井分流泄洪消能。

如中国专利申请（授权公告号：CN201214781Y）公开了一种水平旋流消能泄洪洞，该水平旋流消能泄洪洞，该泄洪洞具体包括进水口、过流竖井、起旋室、旋流洞段、水垫塘段、退水洞段等，它利用了导流隧洞而将其改建成永久性的泄洪洞，但是由于它把出气孔和起旋室连接在一起，没有单独的集气室和出气孔，很容导致旋流携带大量气体冲刷泄洪主洞，损害泄洪洞的使用年限。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明为了克服传统的泄洪洞中消能箱结构单调，出水口排气方式狭窄的缺点，为解决以上技术问题，本发明提供掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法，泄洪竖井向排洪支洞的过渡连接形式采用旋流竖井-竖缝消能箱联合消能技术，排洪支洞与排气井的连接形式采用集气室-横板联合排气技术，解决了流水到达排洪支洞时流态不稳定，气水不分离，泥土堵塞集气室的问题。

（2）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供掺气消能与防气爆泄洪装置，具体包括连接段、通气孔、涡室、竖井、竖缝、消能箱、排洪支洞、排气孔、集气室、横板、泄洪主洞；所述竖井顶端连通所述涡室，所述涡室顶端设有所述通气孔，所述涡室侧面连通所述连接段，所述竖井底部与水平所述消能箱相贯连通，所述竖井底部与水平所述消能箱的衔接处设有所述竖缝，所述消能箱、排洪支洞、泄洪主洞依次相贯连通，所述排洪支洞沿程垂直连通所述集气室，所述集气室顶部连通所述排气孔，所述横板水平设在所述排洪支洞与所述集气室的衔接处。

所述连接段以倾斜方式与所述涡室连通，与水平所成倾斜角的取值范围为：10°≤α≤50°，涡室和竖井的连接处采用通道变径方式，通道从上至下由大变小。

所述竖井底部设有水垫塘，所述消能箱的宽沿程线性增大到与所述排洪支洞内径一致，顶高程与其后所述排洪支洞齐平，底高程沿程线性减小到与所述排洪支洞内径一致。

所述竖缝为一矩形开口，长宽之比≥6.5。

所述横板垂直设置在所述集气室内壁，板底面与所述排洪支洞洞顶齐平。

所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其泄洪的具体方法是：

a.水流携带大量空气经所述连接段成一定角度流入所述涡室；

b.水流在所述涡室导流作用下形成绕所述竖井垂直轴的旋流,旋流中部带有空腔，通过所述通气孔吸收大量空气，进入所述竖井；

c.所述竖井中的旋流到达所述竖井底部区间时，通过在竖井底部设置所述竖缝，引导水流由平面旋流状态迅速向竖向旋流运动转化，增大局部水头损失，实现流速和压力的重分布，提高了消能率和进入隧洞水流的稳定性；；

d.水流通过所述消能箱，进入所述排洪支洞，在所述横板的作用下，充分利用气体密度与水体密度的差异，将螺旋两相流水气分离，有效排除因掺气消能的不利气体混入有压隧洞导致气爆破坏的风险，空气从所述排气孔排出，水流从所述泄洪主洞流出。

（3）有益效果

本发明的有益效果：

1、水流经竖井旋流到达底部区间时，流量由竖缝逐渐分流，当旋流到达水垫塘时，能量已被大量消散，减轻了水垫塘的消能负担。

2、水流经竖缝进入消能箱时，强迫高速水流从竖缝射出，水流经竖缝后在消能箱内扩散拉伸，耗散能量，至排洪支洞进口处时流态已稳定，气水及时分离，提高了消能率和稳定性。

3、排洪支洞与排气井的连接形式采用集气室-横板联合排气技术，横板设计简单，又可防止部分空气因水流紊动由集气室回落至泄洪主洞带入下游进口，解决了流水到达排洪支洞时流态不稳定、气水不分离、泥土堵塞集气室的问题，有效排除因掺气消能的不利气体混入有压隧洞导致气爆破坏的风险。

附图说明

图1为掺气消能与防气爆泄洪装置主洞纵剖面图；

图2为连接段和涡室1-1剖面图；

图3为消能箱2-2剖面图；

图4为集气室和横板3-3剖面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

本发明提供掺气消能与防气爆泄洪装置，如图（1-4），具体包括连接段101、通气孔102、涡室103、竖井104、竖缝105、消能箱106、排洪支洞107、排气孔108）、集气室109、横板110、泄洪主洞111；所述竖井104顶端连通所述涡室103，所述涡室103顶端设有所述通气孔102，所述涡室103侧面连通所述连接段101，所述竖井104底部与水平所述消能箱106相贯连通，所述竖井104底部与水平所述消能箱106的衔接处设有所述竖缝105，所述消能箱106、排洪支洞107、泄洪主洞111依次相贯连通，所述排洪支洞107沿程垂直连通所述集气室109，所述集气室109顶部连通所述排气孔108，所述横板110水平设在所述排洪支洞107与所述集气室109的衔接处。

所述连接段101以倾斜方式与所述涡室103连通，与水平所成倾斜角的取值范围为：10°≤α≤50°，涡室和竖井的连接处采用通道变径方式，通道从上至下由大变小。

所述消能箱106底部设有水垫塘112，所述消能箱106的宽沿程线性增大到与所述排洪支洞107内径一致，顶高程与其后所述排洪支洞107齐平，底高程沿程线性减小到与所述排洪支洞107内径一致。

所述竖缝105为一矩形开口，长宽之比≥6.5。

所述横板110垂直设置在所述集气室109内壁，板面与所述排洪支洞107中心轴平行。

所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其泄洪的具体方法是：

a.水流携带大量空气经所述连接段101成一定角度流入所述涡室103；

b.水流在所述涡室103导流作用下形成绕所述竖井104垂直轴的旋流,旋流中部带有空腔，通过所述通气孔102吸收大量空气，进入所述竖井104；

c.所述竖井104中的旋流到达所述竖井104底部区间时，通过在竖井底部设置所述竖缝105，引导水流由平面旋流状态迅速向竖向旋流运动转化，增大局部水头损失，实现流速和压力的重分布，提高了消能率和进入隧洞水流的稳定性；

d.水流通过所述消能箱106，进入所述排洪支洞107，在所述横板110的作用下，充分利用气体密度与水体密度的差异，将螺旋两相流水气分离，有效排除因掺气消能的不利气体混入有压隧洞导致气爆破坏的风险，空气从所述排气孔108排出，水流从所述泄洪主洞111流出。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征在于：包括连接段（101）、通气孔（102）、涡室（103）、竖井（104）、竖缝（105）、消能箱（106）、排洪支洞（107）、排气孔（108）、集气室（109）、横板（110）、泄洪主洞（111）；所述竖井（104）顶端连通所述涡室（103），所述涡室（103）顶端设有所述通气孔（102），所述涡室（103）侧面连通所述连接段（101），所述竖井（104）底部与水平所述消能箱（106）相贯连通，所述竖井（104）底部与水平所述消能箱（106）的衔接处设有所述竖缝（105），所述消能箱（106）、排洪支洞（107）、泄洪主洞（111）依次相贯连通，所述排洪支洞（107）沿程垂直连通所述集气室（109），所述集气室（109）顶部连通所述排气孔（108），所述横板（110）水平设在所述排洪支洞（107）与所述集气室（109）的衔接处。

2.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征在于：所述连接段（101）以倾斜方式与所述涡室（103）连通，所述连接段（101）与水平所成倾斜角的取值范围为：10°≤α≤50°。

3.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征在于：所述竖井（104）底部设有水垫塘（112），所述消能箱（106）的宽沿程线性增大到与所述排洪支洞（107）内径一致，顶高程与所述排洪支洞（107）进口齐平，底高程沿程线性减小到与所述排洪支洞（107）内径一致。

4.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征在于：所述竖缝（105）为一矩形开口。

5.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征在于：所述横板（110）垂直设置在所述集气室（109）内壁，板底面与所述排洪支洞（107）洞顶齐平。

6.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其泄洪方法是：

a.水流携带大量空气经所述连接段（101）成一定角度流入所述涡室（103）；

b.水流在所述涡室（103）导流作用下形成绕所述竖井（104）垂直轴的旋流,旋流中部带有空腔，通过所述通气孔（102）吸收大量空气，进入所述竖井（104）；

c.所述竖井（104）中的旋流到达所述竖井（104）底部区间时，通过在竖井底部设置所述竖缝（105），引导水流由平面旋流状态迅速向竖向旋流运动转化，增大局部水头损失，实现流速和压力的重分布，提高了消能率和进入隧洞水流的稳定性；

d.水流通过所述消能箱（106），进入所述排洪支洞（107），在所述横板（110）的作用下，充分利用气体密度与水体密度的差异，将螺旋两相流水气分离，有效排除因掺气消能的不利气体混入有压隧洞导致气爆破坏的风险，空气从所述排气孔（108）排出，水流从所述泄洪主洞（111）流出。