專利名稱：洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法和裝置，是一種水工方法和裝置，是一種用于旋流豎井泄洪洞在出水洞中的消能方法和裝置。
背景技術(shù)：
將水壩施工中的導(dǎo)流洞改建為泄洪洞的方式即節(jié)省人工和資金，施工難度也相對較小，是一種多快好省的施工設(shè)計(jì)方法。例如中國專利申請《一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法及裝置》(申請?zhí)?00910089562. 7)所提出的旋流環(huán)形堰豎井泄洪洞，可以避免溢流堰和豎井空蝕，泄洪消能效果好，出口下游無霧化現(xiàn)象，避免滑坡，同時(shí)，泄洪洞施工簡單，經(jīng)濟(jì)。但該種泄洪洞的出水洞尚需要解決如何使阻水墩在增加消能的同時(shí)又能保證自身的安全問題。為消除阻水墩背水面的具有破壞性的負(fù)壓渦，以往傳統(tǒng)的工程措施是在壓板或消力墩背水面的出水洞洞頂，開挖一條通向山上的通氣井自然摻氣。然而，出水洞通常的位置是在山的深處，與山體表面距離較大。從出水洞頂端向山體表面開挖通氣井工程量大，在山頂打井的施工比較困難，同時(shí)破壞生態(tài)環(huán)境，不是一種理想的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法和裝置。所述的方法和裝置在出水洞的阻水墩中設(shè)置通氣管形成自摻氣，可以消減阻水墩背水面的負(fù)壓渦，同時(shí)使下游形成穩(wěn)定的明流流態(tài)，消能效果明顯。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能裝置，包括泄洪洞入口，所述泄洪洞入口與連接井的頂端連接，所述的連接井的底部與出水洞連接，所述的連接井與出水洞中設(shè)置有阻水墩，所述的阻水墩帶有可以將出水洞頂部的氣水混合流引導(dǎo)到阻水墩背水面的通氣管。一種使用上述裝置的洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法，所述方法的步驟包括 水流進(jìn)入出水洞的步驟用于水流流入出水洞，水流中攜帶有大量空氣； 水流流過邊墩
在邊墩的作用下水流進(jìn)入出水洞并消能的步驟用于水流在進(jìn)入出水洞后水流中的空氣上升，這時(shí)水充斥在整個(gè)出水洞的截面上，在城門洞型的出水洞的圓弧形頂部空間形成有空氣占多數(shù)的氣水混合流，由于在出水洞的進(jìn)口附近設(shè)置了邊墩，利用水流通過邊墩后空間突然擴(kuò)大消除水中能量；
從邊墩背水面吸氣水混合流的步驟用于水流在流過邊墩后在邊墩背水面產(chǎn)生負(fù)壓， 所述的負(fù)壓通過邊墩背水面通氣管的支管開口聯(lián)通到主管，主管在墩頂部的開口端吸取出水洞頂部的氣水混合流；
在邊墩背水面摻氣并消能的步驟用于出水洞頂部的氣水混合流通過邊墩通氣管的主管到支管被吸到邊墩背水面摻入邊墩背水面的水流中，使邊墩背水面的水流中摻入大量空氣，產(chǎn)生防蝕、消能的作用；水流流過壓板
壓板阻止水流增壓消能的步驟用于水流受到壓板的阻擋，在壓板前形成水墊塘增壓消能，之后水流流過壓板；
從壓板背水面吸氣水混合流的步驟用于水流在流過壓板后在壓板背水面產(chǎn)生負(fù)壓， 所述的負(fù)壓通過壓板通氣管吸取在壓板迎水面的氣水混合流；
在壓板背水面摻氣消減負(fù)壓和增強(qiáng)消能的步驟用于出水洞頂部的氣水混合流通過壓板通氣管被吸到壓板背水面摻入壓板背水面的水流中，空氣彌散，負(fù)壓消失形成凈水射流， 使壓板背水面的水流形成穩(wěn)定的明流流態(tài)；
水流排氣出水洞的步驟用于水流以穩(wěn)定的明流流態(tài)從出水洞中排出。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是本發(fā)明采用在阻水墩內(nèi)設(shè)置通氣管的方式，利用阻水墩背水面的負(fù)壓吸取出水洞頂部的氣水混合流進(jìn)行自摻氣的方式，有效的解決了阻水墩背水面的負(fù)壓渦的問題，使出水洞內(nèi)水流平穩(wěn)，消能效果明顯。本發(fā)明的阻水墩后和水流出出水洞之前即獲得了穩(wěn)定的低流速的明流流態(tài)，這對于低尾水位的出水洞十分有意義，可以有效的防止出水洞出口沖蝕和避免發(fā)生霧化現(xiàn)象，保護(hù)下游生態(tài)環(huán)境。本發(fā)明所述的裝置僅僅是簡單的在阻水墩中埋設(shè)通氣管，而阻水墩都是一些設(shè)置在出水洞中的簡單、易于施工的小型構(gòu)建物，如邊墩、挑坎、壓板、組合墩和分散組合墩等，在這些小型的構(gòu)建物中埋設(shè)的通氣管也十分的短小，基本不增加施工難度。相對于傳統(tǒng)的從出水洞到大氣的通氣井施工，工程量大大減小。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖，是圖1 C-C向剖面圖； 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖，是圖1 B-B向剖面4是傳統(tǒng)的通氣井補(bǔ)氣的壓板結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的壓板結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的壓板結(jié)構(gòu)示意圖，是圖5中E-E方向的剖面圖； 圖7是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖，是圖7中F-F方向的剖面圖； 圖9是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖，是圖7中G-G方向的剖面圖； 圖10是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的組合墩結(jié)構(gòu)示意圖11是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖，是圖10中J-J方向的剖面圖； 圖12是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的邊墩結(jié)構(gòu)示意圖，是圖10中K-K方向的剖面圖； 圖13是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的挑坎結(jié)構(gòu)示意圖14是本發(fā)明的實(shí)施例二所述裝置的挑坎結(jié)構(gòu)示意圖，是圖13中M-M方向的剖面圖； 圖15是本發(fā)明的實(shí)施例三所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖16是本發(fā)明的實(shí)施例四所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖17是本發(fā)明的實(shí)施例五所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖18是本發(fā)明的實(shí)施例五所述裝置的起旋室結(jié)構(gòu)示意圖，是圖17 N-N方向的剖面圖；圖19是本發(fā)明的實(shí)施例六所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
本實(shí)施例是一種洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能裝置，如圖1所示。本實(shí)施例包括泄洪洞入口，所述泄洪洞入口與連接井的頂端連接，所述的連接井的底部與由城門洞形導(dǎo)流洞改建的出水洞連接，所述的出水洞內(nèi)進(jìn)口段設(shè)置阻水墩，所述的阻水墩帶有可以將出水洞頂部的氣水混合流引導(dǎo)到阻水墩背水面的通氣管。水流在通過連接井時(shí)會(huì)攜帶大量空氣，或在水中摻入大量空氣，以備在出水洞中的阻水墩消能。本實(shí)施例所述的連接井是一種將泄洪洞進(jìn)水口與泄洪洞的出水洞連接的過渡段， 這是一個(gè)非常重要的過渡段。由于這個(gè)過渡段的進(jìn)、出口通常不在一個(gè)水平面上，具有較大的落差，因此如何消除這個(gè)落差所形成的能量是阻水墩主要功能。通常的連接井有幾種形式
最為傳統(tǒng)的是斜井“龍?zhí)ь^”式連接井，這種連接井是傾斜的明流斜井。整個(gè)斜井直至出水洞都是明流，即水流上方有充足的空氣。這些充足的空氣在出水洞中將會(huì)被利用，來防止阻水墩背水面的負(fù)壓渦。斜井的施工費(fèi)用高，施工難度較大。在斜井的末端采用反弧段與下游出水洞連接，流速很大，隧洞易發(fā)生空蝕破壞。較為先進(jìn)的是豎井，即用一個(gè)垂直的豎井將泄洪洞入水口與出水洞連接起來。這種豎井施工方便。通常采用旋流的方式再加上出水洞內(nèi)阻水墩進(jìn)行消能。旋流有幾種方式在豎井的頂部設(shè)置渦室，使水流在豎井中產(chǎn)生旋流，稱為旋流豎井；在豎井的底板設(shè)置渦室，并在出水洞的進(jìn)口段設(shè)置截面為圓形的旋流洞，使水流在水平的旋流洞中產(chǎn)生旋流， 稱為豎井一旋流洞。如果加長旋流洞的長度，則稱為豎井連續(xù)旋流洞。無論是旋流豎井還是豎井一旋流洞，都需要在旋流的過程中通過通氣井在旋流中摻入大量空氣。大量的空氣在出水洞中，如同在斜井中一樣，也將會(huì)被利用，來防止阻水墩背水面的負(fù)壓渦。由于不同的連接井在出水洞中產(chǎn)生的水流狀況不同，阻水墩的設(shè)置也不盡相同，可以有多種組合。本實(shí)施例所述的出水洞由城門洞形導(dǎo)流洞改建而成。導(dǎo)流洞是在水壩施工中用于將水壩上游的水繞過水壩施工現(xiàn)場排到水壩下游的一種臨時(shí)性設(shè)施。通常在水壩施工完成后即廢棄。本實(shí)施例則是利用這種廢棄的臨時(shí)性設(shè)施，對其進(jìn)行改進(jìn)，形成泄洪洞的出水洞，這樣可以節(jié)約施工的費(fèi)用。城門洞型是一種截面下半部分為矩形，上半部分半圓的拱形隧洞結(jié)構(gòu)形狀，下半部分的豎直墻段稱為側(cè)壁。城門洞是一種施工最方便的隧洞結(jié)構(gòu)形狀。 導(dǎo)流洞通常都采用城門洞結(jié)構(gòu)形狀。所述的出水洞中設(shè)置阻水墩。由于泄洪洞進(jìn)水口之間有落差，出水洞水流中攜帶有大量能量，這些能量一方面對洞體本身有破壞作用，另一方面對出水洞出口處的周圍環(huán)境有侵害，兩方面的危害均不容忽視，必須盡量在水流流出出水洞之前消耗掉水流中的能量。在出水洞中合理的設(shè)置阻水墩可以消耗掉水中攜帶的大部分能量，使水流平穩(wěn)，大幅度減少水中能量的破壞作用。阻水墩是由一些在水流的流動(dòng)通道上設(shè)置的各種形式的鋼筋混凝土構(gòu)建物，是各種形式的消力墩或消力墩組合的總稱。消力墩在出水洞的頂部稱為壓板， 在底部稱為挑坎，在兩側(cè)稱為邊墩，在中間稱為中墩，挑坎和邊墩組合稱為組合墩，邊墩和中墩的組合稱為分散組合墩等等。挑坎、壓板、邊墩、組合墩、分散組合墩統(tǒng)稱為阻水墩。在整個(gè)泄洪洞的系統(tǒng)中，這些消力墩可以單獨(dú)使用，也可以相互組合或者成組的使用。根據(jù)不同的連接井，組合使用不同的阻水墩斜井可以兩個(gè)邊墩中間加挑坎的方式；旋流豎井配合邊墩加組合墩；豎井-旋流洞配合組合墩；豎井-連續(xù)旋流洞配合邊墩加壓板等等。消力墩的迎水面通常有一定的傾斜度，與水流方向形成一定的夾角；背水面通常垂直于水流方向，或略微有一些傾斜角度。水流在通過消力墩的時(shí)候會(huì)在其背水面產(chǎn)生渦旋，形成負(fù)壓渦。負(fù)壓渦可能會(huì)引起構(gòu)建物的空蝕，破壞阻水墩以及洞體結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例為防止負(fù)壓渦而設(shè)置的通氣管，利用水中攜帶的空氣消減阻水墩背水面漩渦的負(fù)壓渦，避免發(fā)生空蝕，同時(shí)還達(dá)到消能的目的，這就是所謂自摻氣阻水墩的功能。本實(shí)施例的關(guān)鍵在于水流中必須有大量的空氣存在，否則就無法自摻氣，因此，明流或旋流在進(jìn)入出水洞時(shí)需要帶入大量空氣，這些空氣進(jìn)入出水洞后以氣水混合流的形態(tài)，在出水洞的頂部流動(dòng)。利用管道將這些帶有大量空氣的氣水混合流引導(dǎo)到消力墩的背水面，削減消力墩背水面漩渦的負(fù)壓，在阻水墩下游形成明流流態(tài)。因此本實(shí)施例的各種消力墩都包含有通氣管。包括邊墩、壓板，以及邊墩和挑坎結(jié)合形成的組合墩的兩邊的邊墩上都設(shè)有通氣管。由邊墩和中墩組合的分散組合墩里，邊墩和中墩上都設(shè)有通氣管。有了消力墩上的通氣管才能實(shí)現(xiàn)自摻氣免蝕消能的作用。實(shí)施例二
本實(shí)施例的是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于阻水墩的細(xì)化。本實(shí)施例所述的阻水墩是挑坎、邊墩、壓板、組合墩和分散組合墩之一。邊墩的結(jié)構(gòu)見圖1、2、3所示，圖中A為水流方向。本實(shí)施例所述的邊墩1是對稱的設(shè)置在出水洞2兩側(cè)壁兩個(gè)阻水墩的統(tǒng)稱。通常情況下，邊墩都是成對出現(xiàn)的。邊墩的水平截面(與水平面平行的截面)的形狀為近似三角形，如圖3所示。外觀上看如同出水洞兩側(cè)的兩根對稱的豎墩(如圖2)，利用邊墩出口突然擴(kuò)大消能。邊墩的迎水面與出水洞側(cè)壁 202的夾角Θ= (20° 30° )，三角體頂部的棱角α = (90° 100° )，墩的厚度δ視收縮 (過流)斷面積Ab的大小而定，Ab ^ 0. 5As，其中As是連接豎井的最大輸水量的截面積(對于泄井Ab可以略大一些)。因邊墩的背水面(或稱坎后)負(fù)壓很大，可能引起空蝕，要求向坎后摻氣。本實(shí)施例在澆筑邊墩時(shí)埋設(shè)帶有水平支管的通氣豎管。要求邊墩的頂部高程必須限制在隧洞城門洞形斷面的拱頂之下，即邊墩澆筑在隧洞兩側(cè)垂直邊墻的高度H內(nèi)。通氣管的一端對洞頂?shù)膱A弧空間201敞開，另一端連接到邊墩的背水面，將出水洞頂部的氣水混合流引導(dǎo)到邊墩的背水面摻氣，空氣是來源于出水洞頂部空間中的氣水混合流。向邊墩背水面摻氣不僅消減負(fù)壓，同時(shí)增加消能效果。本實(shí)施例的圖1、2、3所示的邊墩中的通氣管是一種使用一根較為粗大的主管101，連接多跟較細(xì)的支管102而形成的。本實(shí)施例中邊墩的形狀為近似三角形(不可以改成圓形，因其消能效果較差)。邊墩通氣管可以有多種形式， 可以是一根豎直主管，帶有多個(gè)水平的支管。也可以是多個(gè)彎曲的細(xì)管，將洞頂部的氣水混合流引導(dǎo)到邊墩背水面。本實(shí)施例所述的壓板是設(shè)置在出水洞頂部的豎直縱截面(與水流方向平行并與水平面垂直的截面)為近似三角形或半圓弧形，或1/4橢圓曲線的阻水墩，阻水墩的寬帶與出水洞的寬帶相對，外觀上看如同一道橫梁，橫擔(dān)在出水洞中。頂壓板的作用是，使壓板上游洞內(nèi)形成有壓流(滿流)防止結(jié)構(gòu)物空蝕和提高消能率，下游形成較平穩(wěn)的明流流態(tài)。以往在壓板背后洞頂要開挖一條通向山上的通氣井來摻氣，消除壓板背水面的負(fù)壓渦，用以實(shí)現(xiàn)下游水面平穩(wěn)的目的。然而，由導(dǎo)流洞改建的出水洞常常是深藏在山體的下面，從山體表面向出水洞開挖通氣井，工程量大且施工困難，同時(shí)破壞生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的壓板后的摻氣方式是在壓板3后開挖通氣井4，如圖4所示。本實(shí)施例在壓板內(nèi)水平埋設(shè)通氣管301，如圖5所示，取代洞頂開挖的通氣井，將上游洞頂?shù)乃旌象w自動(dòng)地從壓板短管流出，空氣彌散消減負(fù)壓，改善下游流態(tài)。所述的通氣管設(shè)置在壓板橫截面圓拱的對稱中心軸線的頂部，如圖6所示。出水洞頂部的氣水混合流通過壓板通氣管流到壓板背水面。壓板迎水面的傾斜角Θ= (30° 45° )，下端棱角Q1= (90° 100° )， 孔高力由收縮孔過流面積棗確定，棗 0.6As Us —豎井橫截面積)，如圖5、6所示。壓板中的通氣管可以是一根，也可以并排安裝多根，可以是直通管，也可以是彎曲的管子。壓板通氣管的主要作用是，防止壓板后產(chǎn)生不穩(wěn)定的負(fù)壓渦，并且在壓板下游形成穩(wěn)定的明流流態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)研究，水流所帶來的大量空氣漂移到洞頂形成的氣水混合流(摻氣濃度達(dá) 50%以上)，可通過壓板中的通氣管被壓板背水面的負(fù)壓作用，將空氣吸到壓板下游，降低了壓板背水面的負(fù)壓。為了增加通氣管的流量，壓板通氣管進(jìn)口可以設(shè)計(jì)為擴(kuò)口。帶有通氣管的壓板的自摻氣作用適用于各種旋流泄洪洞(因洞頂?shù)膿綒鉂舛扔?0%)，但不適于傳統(tǒng)的斜井(龍?zhí)ь^)式連接井，因?yàn)槎错敱緛砭褪峭獾拿髁?，不需要設(shè)置頂壓板。本實(shí)施例所述組合墩的結(jié)構(gòu)見圖7、8、9。本實(shí)施例所述的組合墩9是由邊墩501 加中間挑坎502組成，邊墩的水平截面形狀以及挑坎的豎直縱截面形狀均為三角形體。邊墩迎水坡面的夾角，θ1=(20° ^30° )，中間挑坎的迎水坡面與底板的夾角，30° ( θ2 <45°。在邊墩內(nèi)埋設(shè)帶有水平支管504的豎通氣管503，同時(shí)向邊墩和挑坎背水面摻氣， 以削減負(fù)壓，空氣來自洞頂空間的水氣混合體。邊墩厚度S工和中間挑坎高度、由收縮斷面積A大小來確定，A ^ 0. 55As (As 一豎井橫截面積)。組合墩的邊墩頂部高程，限制在隧洞城門洞形斷面的高度H內(nèi)。本實(shí)施例所述的分散組合墩見圖10、11、12所示，它是由邊墩加下游三角梯形體的中墩組成。邊墩結(jié)構(gòu)與上述邊墩構(gòu)成相同。中墩的迎水面坡同底板的夾角60°，其兩側(cè)邊向內(nèi)傾斜，頂部削平埋設(shè)帶有水平支管的豎通氣管，向墩的背水面摻氣。由于邊墩是對稱布置的，高速水流射到中墩的首部不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓引起壁面空蝕，邊墩和中墩的背水面由于自摻氣也不會(huì)發(fā)生空蝕。分散組合墩的特點(diǎn)是在施工過程不影響交通，同時(shí)自身消能率較高。圖12中δ 2是邊墩的寬度，中墩在邊墩下游的δ 2距離上，中墩的最大寬度為2 δ 2。本實(shí)施例所述的挑坎7采用在出水洞的側(cè)壁中埋設(shè)通氣管701的方式，將洞頂?shù)臍馑旌瞎璉導(dǎo)到挑坎的背水面摻氣，如圖13、14所示。實(shí)施例三
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于連接井和阻水墩的細(xì)化，本實(shí)施例所述的所述的連接井是明流斜井，所述的阻水墩是明流斜井反弧段前端的上游邊墩，以及流斜井反弧段后端的挑坎，以及設(shè)置在挑坎下游的下游邊墩。本實(shí)施例是對傳統(tǒng)斜井下設(shè)置摻氣槽的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于連接井和對應(yīng)的水墊塘(即在出水洞內(nèi)阻水墩上游形成的淹沒水墊)的細(xì)化，如圖15所示。本實(shí)施例所述的連接井802是明流斜井，所述的水墊塘是指反弧段803下游至邊墩806之間，水平洞段的淹沒水墊層。本實(shí)施例所使用的邊墩和挑坎如實(shí)施例二所述。本實(shí)施例所述的連接井是傳統(tǒng)“龍?zhí)ь^”式。泄洪洞入口 801所連接的“龍?zhí)ь^”式連接井是一種斜井，水流以一定的傾斜角度從入口流入出水洞中，整個(gè)斜井中的水流處于明流狀態(tài)，這種明流狀態(tài)也可以使用上述實(shí)施例所述的通氣管進(jìn)行摻氣。本實(shí)施例特點(diǎn)在于(1)將反弧段下游一段洞內(nèi)改成水墊塘，目的是消減負(fù)壓、避免空蝕、提高消能率和減輕出口霧化現(xiàn)象；(2)在反弧段上下游依次設(shè)置邊墩、摻氣消能坎和邊墩，其中邊墩在墩內(nèi)埋通氣管自行摻氣，將消能挑坎加高，坎后底板不挖槽，從側(cè)墻埋通氣管向坎后摻氣，上游邊墩釋放的空氣可以保護(hù)挑坎邊墻不發(fā)生空蝕，而下游邊墩的收縮阻水構(gòu)成水墊塘，增加消能效果。實(shí)施例四
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于連接井和對應(yīng)的阻水墩的細(xì)化，如圖16 所示。本實(shí)施例所述的連接井是旋流豎井，所述的阻水墩是由設(shè)置在出水洞的邊墩和其下游的組合墩構(gòu)成。旋流豎井指的是與水平面垂直的豎井，豎井的頂端設(shè)置有渦室，水流在渦室中形成繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的旋流。水流在豎井內(nèi)旋轉(zhuǎn)下泄，豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍和水汽混合墊層， 當(dāng)水流進(jìn)入出水洞時(shí)大量氣泡漂浮在洞頂區(qū)域，摻氣濃度達(dá)50%。利用此有利的條件在洞內(nèi)前后布置兩道自摻氣消力墩，構(gòu)成阻水墩，進(jìn)行強(qiáng)迫消能。本實(shí)施例包括帶有可以在豎井中產(chǎn)生旋流的旋流設(shè)施的引水洞901。所述的引水洞901與渦室902偏心向連接，可以產(chǎn)生非對稱的旋流，如圖16所示，也可以產(chǎn)生對稱旋流(如帶有起旋墩的環(huán)形堰直徑同豎井連接時(shí))。它們的共同特點(diǎn)是使水流進(jìn)入豎井時(shí)產(chǎn)生帶有空腔通氣的旋轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)，在豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍，和氣水墊層。有大量空氣摻雜在水中是在出水洞中自摻氣的先決條件，沒有這些空氣的摻入，就不可能創(chuàng)造出自摻氣消力墩。所述渦室與豎井903的頂端連接。所述的豎井則是一個(gè)圓筒形的井，其中心軸線與水平面垂直，水流在豎井上半部分形成旋流下落，并在豎井中部形成環(huán)形水躍。這種環(huán)形水躍可以起到有效的消能作用。豎井的底部與出水洞904連接，出水洞中設(shè)置有阻水墩，包括邊墩905和邊墩下游的組合墩906。圖16在出水洞進(jìn)口段前后分別布置自摻氣邊墩和自摻氣組合墩，空氣來自洞頂空間向各自消力墩的通氣管摻氣，在防止墩的背水面空蝕的同時(shí)消耗大量水流的能量，通過試驗(yàn)證明，此種消能工的布置，豎井旋流加上洞內(nèi)阻水墩， 總消能率略大于80%。實(shí)施例五
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于連接井和對應(yīng)的阻水墩的細(xì)化，如圖17 所示。本實(shí)施例所述的連接井是豎井旋流井，所述的出水洞阻水墩是由組合墩構(gòu)成的。豎井一旋流洞指的是，入水口與出水洞之間的連接井是豎井，豎井1001的底部設(shè)置有起旋室1003。水流從入水口經(jīng)豎井垂直下泄到達(dá)起旋室，在一段圓形截面的旋流洞 1004內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，再進(jìn)入城門洞形斷面的阻水墩后流出出水洞。本實(shí)施例所述的豎井一旋流洞的旋流出現(xiàn)在平洞的旋流洞中并通過起旋室一側(cè)的通氣井1002在旋流中摻入大量空氣。起旋室的旋流軸線水平放置，形狀如同一個(gè)水平放置的蝸牛，如圖18所示。由于平洞的旋流消能力度大，在阻水墩內(nèi)只設(shè)置一道自摻氣組合墩1005，總消能率能達(dá)到85%以上，且下游洞內(nèi)水面平穩(wěn)。實(shí)施例六
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于連接井和對應(yīng)的阻水墩的細(xì)化，如圖19所示。本實(shí)施例所述的連接井是豎井一連續(xù)旋流洞，所述的阻水墩，是由沒有埋設(shè)通氣管的邊墩和邊墩下游的自摻氣的壓板構(gòu)成。本實(shí)施例所述的豎井一連續(xù)旋流洞指的是，具有與豎井一連續(xù)旋流洞相同結(jié)構(gòu)的豎井和起旋室以及通氣井，不同是旋流洞1101的長度增加。水流經(jīng)豎井下泄，通過起旋室在全長圓形截面的旋流洞內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)消能后流入出水洞。其中旋流洞的圓形截面也可以是高寬比H/W < 1. 2的城門洞形截面，此種豎井連續(xù)旋流井在導(dǎo)流前就將起旋室和旋流洞段做成圓形截面，通過漸變段1102同下游城門洞形截面的出水洞連接。設(shè)豎井的直徑是D，則在距豎井IOD的出水洞內(nèi)設(shè)置一道邊墩1103，再間隔3. 5D下游設(shè)置自摻氣的頂壓板。注意，壓板下的過流面積與豎井截面積之比應(yīng)是AY/AS ^ 0. 6，如果Ay太小，不僅會(huì)引起雍水嚴(yán)重地影響泄流量，同時(shí)洞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定渦袋引起振動(dòng)。設(shè)置自摻氣的壓板的目的是，使壓板上游的洞內(nèi)形成有壓流，避免邊墩出現(xiàn)負(fù)壓， 增加消能力度，同時(shí)在下游形成較平穩(wěn)的明流流態(tài)(這時(shí)的邊墩不需要埋設(shè)通氣管)。實(shí)施例七
本實(shí)施例是實(shí)施例二至六的改進(jìn)，是實(shí)施例二至六所述裝置中關(guān)于邊墩、組合墩和分散組合墩的細(xì)化。本實(shí)施例所述的邊墩或組合墩、分散組合墩中包含的邊墩是設(shè)置在出水洞的兩側(cè)壁上三角形墩，所述邊墩的通氣管包括一個(gè)豎直的在邊墩頂端開口的主管和多個(gè)一端在邊墩背水面開口另一端與主管連接的支管，所述的主管的開口頂端帶有擴(kuò)口。本實(shí)施例所述的三角形邊墩的水平截面形狀是三角形，其迎水面和背水面相交的棱邊可以帶有倒角，倒角可以向背水面傾斜。三角形邊墩的迎水面和背水面相交的棱邊也可以是圓弧過渡或其他曲線形過渡(曲線形不如三角形的消能率高)。本實(shí)施例所述的主管的開口接近城門洞型的出水洞的頂部，可以吸收那里的氣水混合流，將其引導(dǎo)到邊墩的背水面。實(shí)施例八
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例所述裝置中關(guān)于壓板的細(xì)化。本實(shí)施例所述的壓板設(shè)置在出水洞的頂部，所述壓板的與水流平行的中心豎直切面為三角形，所述的壓板通氣管為一根設(shè)置在壓板中心的直圓筒形管子，所述的壓板通氣管的中心軸線與水流方向一致，貫穿整個(gè)壓板，所述的壓板通氣管的進(jìn)口帶有擴(kuò)口。本實(shí)施例從壓板通氣管出來的摻氣水流，空氣瞬間釋放出，變成清水射流，消除了負(fù)壓渦。在壓板下游洞內(nèi)形成較平穩(wěn)的明流流態(tài)。本實(shí)施例所述壓板的迎水面和背水面相交的位置可以帶有倒角，倒角可以向背水面傾斜。壓板迎水面和背水面相交的位置也可以是圓弧過渡，或其他曲線形過渡。實(shí)施例九
本實(shí)施例是實(shí)施例二的改進(jìn)，是實(shí)施例二所述的組合墩、分散組合墩、挑坎的細(xì)化。本實(shí)施例所述的組合墩包括設(shè)置在出水洞兩側(cè)壁帶有通氣管的組合邊墩和設(shè)置在出水洞底部的組合挑坎，所述的組合邊墩的底部與組合挑坎的兩端連接。所述的分散組合墩包括設(shè)置在出水洞兩側(cè)壁帶有通氣管的分散邊墩和設(shè)置在分散邊墩下游的居于出水洞中心軸線上的帶有通氣管的梯形的中墩。所述的挑坎包括設(shè)置在出水洞底部的三角形墩，所述三角形墩背水面的出水洞兩側(cè)壁中分別埋設(shè)有通氣管，所述的通氣管一端設(shè)置阻水墩背水面， 另一端設(shè)置在出水洞頂部圓弧段。
本實(shí)施例描述了三種自摻氣的阻水墩組合墩、分散組合墩和挑坎。這些阻水墩的共同特點(diǎn)是在背水面設(shè)置了通氣管，將出水洞頂部的氣水混合物引導(dǎo)到阻水墩的背水面。 可以埋設(shè)在阻水墩中，如組合墩、分散組合墩，對于橫向連續(xù)挑坎，通氣管應(yīng)埋設(shè)在出水洞的側(cè)壁中。實(shí)施例十
本實(shí)施例是一種使用實(shí)施例二所述裝置的洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法。本實(shí)施例描述了實(shí)施例二中兩種阻水墩的自摻氣方法，一種是帶有通氣管的邊墩的自摻氣方法，另一種是壓板的自摻氣方法。這兩種方法可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。自摻氣的關(guān)鍵在于水中有大量的氣水混合物，因此進(jìn)入出水洞的水流如果不是旋流，就是明流，流體中帶有空氣。本實(shí)施例所述方法的關(guān)鍵在于將出水洞頂端的氣水混合流引導(dǎo)到阻水墩的背水面，消除漩渦中的負(fù)壓，并且平穩(wěn)下游明流流態(tài)。本實(shí)施例雖然針對的是壓板和邊墩，但也可以應(yīng)用在其他產(chǎn)生阻水功能的設(shè)施上，包括其他形式的阻水墩上。本實(shí)施例所述步驟可以體現(xiàn)在單獨(dú)的壓板或邊墩上，也可以是前后排列的邊墩和壓板上。因此，所述的步驟分為水流流過邊墩的過程和水流流過壓板的過程。這兩個(gè)過程可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以應(yīng)用在前后排列的邊墩和壓板上。本實(shí)施例所述方法的步驟包括
水流進(jìn)入出水洞的步驟用于水流流入出水洞，水流中攜帶有大量空氣。水流流過邊墩
在邊墩的作用下水流進(jìn)入出水洞并消能的步驟用于水流在進(jìn)入出水洞后水流中的空氣上升，這時(shí)水充斥在整個(gè)出水洞的截面上，在城門洞型的出水洞的圓弧形頂部空間形成有空氣占多數(shù)的氣水混合流，由于在出水洞的進(jìn)口附近設(shè)置了邊墩，利用水流通過邊墩后空間突然擴(kuò)大消除水中能量。由于出水洞是一個(gè)接近水平的涵洞，進(jìn)口與出口之間的高度差不大，所以水流中的空氣就會(huì)向上浮，但由于壓力的關(guān)系，這時(shí)空氣還不能與水分離，只能以氣水混合體的形式浮在出水洞頂部。換句話說就是當(dāng)水流進(jìn)入出水洞后很快就在水流的上部形成氣水混合流。從邊墩背水面吸氣水混合流的步驟用于水流在流過邊墩后在邊墩背水面產(chǎn)生負(fù)壓，所述的負(fù)壓通過邊墩背水面通氣管的支管開口聯(lián)通到主管，主管在墩頂部的開口端吸取出水洞頂部的氣水混合流。在邊墩背水面摻氣并消能的步驟用于出水洞頂部的氣水混合流通過邊墩通氣管的主管到支管被吸到邊墩背水面摻入邊墩背水面的水流中，使邊墩背水面的水流中摻入大量空氣，產(chǎn)生防止空蝕和提高消能率的作用。本實(shí)施例通過將出水洞頂部的氣水混合流中引導(dǎo)到邊墩的背水面，抵消負(fù)壓渦。水流流過壓板
壓板阻止水流增壓消能的步驟用于水流受到壓板的阻擋，在壓板前形成水墊塘增壓消能，之后水流流過壓板；
從壓板背水面吸氣水混合流的步驟用于水流在流過壓板后在壓板背水面產(chǎn)生負(fù)壓， 所述的負(fù)壓通過壓板通氣管吸取在壓板迎水面的氣水混合流。水墊塘是一種壓力消能工， 是阻水墩上游的一個(gè)空曠地帶，是由阻水墩阻擋有壓水流在阻水墩上游的空曠地帶所形成的類似于水墊子一樣的水工，利用水墊子柔性作用產(chǎn)生消能作用。在壓板背水面摻氣消減負(fù)壓和增強(qiáng)消能的步驟用于出水洞頂部的氣水混合流通過壓板通氣管被吸到壓板背水面摻入壓板背水面的水流中，空氣彌散，負(fù)壓消失形成凈水射流，使壓板背水面的水流形成穩(wěn)定的明流流態(tài)。水流的明流流態(tài)相當(dāng)于在明渠中的流態(tài)， 水和空氣完全分離。出水洞的下半部分基本上都是水，水中只有少量空氣。出水洞的上半部分基本上都是空氣。水流排氣出水洞的步驟用于水流以穩(wěn)定的明流流態(tài)從出水洞中排出。以明流流態(tài)的水流流出出水洞時(shí)，水中的能量較小，不會(huì)對出口處的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞。本步驟接續(xù)在“在壓板背水面摻氣消能的步驟”，也可以接續(xù)在“在邊墩背水面摻氣并消能的步驟”之后。上述的步驟是針對先邊墩后壓板形式的阻水墩設(shè)施而言的，實(shí)際可以使用其他形式的阻水墩設(shè)施。例如底板上的阻水墩加邊墩加壓板，或者多個(gè)邊墩的組合，以及多個(gè)壓板的組合，以及多個(gè)邊墩和壓板及阻水墩的組合等等，都可以實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例所述的利用管道消除產(chǎn)生阻水墩設(shè)置背水面負(fù)壓渦的方法。最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案(比如帶有通氣管的各種阻水墩背水面消除負(fù)壓渦的方法和裝置等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能裝置，包括泄洪洞入口，所述泄洪洞入口與連接井的頂端連接，所述的連接井的底部與出水洞連接，所述的連接井與出水洞中設(shè)置有阻水墩，其特征在于，所述的阻水墩帶有可以將出水洞頂部的氣水混合流引導(dǎo)到消力墩背水面的通氣管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的阻水墩是挑坎、邊墩、壓板、組合墩和分散組合墩之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的連接井是明流斜井，所述的阻水墩是明流斜井反弧段前端的上游邊墩，以及流斜井反弧段后端的挑坎，以及設(shè)置在挑坎下游的下游邊墩。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的連接井是旋流豎井，所述的阻水墩是設(shè)置在出水洞中出水洞與豎井連接處的邊墩，以及邊墩下游的組合墩。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的連接井是豎井一旋流洞，所述的阻水墩是組合墩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的連接井是豎井一連續(xù)旋流洞，所述的阻水墩，是由沒有埋設(shè)通氣管的邊墩和邊墩下游的壓板構(gòu)成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-5之一所述的裝置，其特征在于，所述的邊墩或組合墩、分散組合墩中包含的邊墩是設(shè)置在出水洞的兩側(cè)壁上三角形墩，所述邊墩的通氣管包括一個(gè)豎直的在邊墩頂端開口的主管和多個(gè)一端在邊墩背水面開口另一端與主管連接的支管，所述的主管的開口端帶有擴(kuò)口。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的裝置，其特征在于，所述的壓板設(shè)置在出水洞的頂部，所述壓板的中心豎直縱切面為三角形，所述的壓板通氣管為一根設(shè)置在壓板中心的直圓筒形管子，所述的壓板通氣管的中心軸線與水流方向一致，貫穿整個(gè)壓板，所述的壓板通氣管的進(jìn)口帶有擴(kuò)口。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的組合墩包括設(shè)置在出水洞兩側(cè)壁帶有通氣管的組合邊墩和設(shè)置在出水洞底部的組合挑坎，所述的組合邊墩的底部與組合挑坎的兩端連接；所述的分散組合墩包括設(shè)置在出水洞兩側(cè)壁帶有通氣管的分散邊墩和設(shè)置在分散邊墩下游的居于出水洞中心軸線上的帶有通氣管的梯形的中墩；所述的挑坎包括設(shè)置在出水洞底部的三角形墩，所述三角形墩背水面的出水洞兩側(cè)壁中分別埋設(shè)有通氣管，所述的通氣管一端設(shè)置阻水墩背水面，另一端設(shè)置在出水洞頂部圓弧段。
10.一種使用權(quán)利要求2所述裝置的洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法，所述方法的步驟包括水流進(jìn)入出水洞的步驟用于水流流入出水洞，水流中攜帶有大量空氣；水流流過邊墩在邊墩的作用下水流進(jìn)入出水洞并消能的步驟用于水流在進(jìn)入出水洞后水流中的空氣上升，這時(shí)水充斥在整個(gè)出水洞的截面上，在城門洞型的出水洞的圓弧形頂部空間形成有空氣占多數(shù)的氣水混合流，由于在出水洞的進(jìn)口附近設(shè)置了邊墩，利用水流通過邊墩后空間突然擴(kuò)大消除水中能量；其特征在于從邊墩背水面吸氣水混合流的步驟用于水流在流過邊墩后在邊墩背水面產(chǎn)生負(fù)壓， 所述的負(fù)壓通過邊墩背水面通氣管的支管開口聯(lián)通到主管，主管在墩頂部的開口端吸取出水洞頂部的氣水混合流；在邊墩背水面摻氣并消能的步驟用于出水洞頂部的氣水混合流通過邊墩通氣管的主管到支管被吸到邊墩背水面摻入邊墩背水面的水流中，使邊墩背水面的水流中摻入大量空氣，產(chǎn)生防蝕、消能的作用； 水流流過壓板壓板阻止水流增壓消能的步驟用于水流受到壓板的阻擋，在壓板前形成水墊塘增壓消能，之后水流流過壓板；從壓板背水面吸氣水混合流的步驟用于水流在流過壓板后在壓板背水面產(chǎn)生負(fù)壓， 所述的負(fù)壓通過壓板通氣管吸取在壓板迎水面的氣水混合流；在壓板背水面摻氣消減負(fù)壓和增強(qiáng)消能的步驟用于出水洞頂部的氣水混合流通過壓板通氣管被吸到壓板背水面摻入壓板背水面的水流中，空氣彌散，負(fù)壓消失形成凈水射流， 使壓板背水面的水流形成穩(wěn)定的明流流態(tài)；水流排氣出水洞的步驟用于水流以穩(wěn)定的明流流態(tài)從出水洞中排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種洞內(nèi)自補(bǔ)氣消能方法和裝置，是一種水工方法和裝置。包括泄洪洞入口，所述泄洪洞入口與連接井的頂端連接，所述的連接井的底部與出水洞連接，所述的連接井與出水洞中設(shè)置阻水墩，所述的消力墩可以將出水洞頂部的氣水混合流引導(dǎo)到阻水墩背水面的通氣管。本發(fā)明采用在各種消力墩中設(shè)置通氣管的阻水墩方式，利用消力墩背水面的負(fù)壓吸取出水洞頂部的氣水混合流進(jìn)行自摻氣的方式，有效的削減了邊墩、組合墩或壓板等背水面的負(fù)壓，發(fā)揮其消能效果，同時(shí)使洞內(nèi)水流平穩(wěn)，消力墩結(jié)構(gòu)簡單、易于建造，工程量大大減小，工程造價(jià)大大降低。
文檔編號(hào)E02B8/06GK102277861SQ20111011407
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者付輝, 楊開林, 王濤, 董興林, 賈順鐘, 郭新蕾, 郭永鑫 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院