一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞的制作方法

本发明属于水利水电工程中泄洪消能领域，具体涉及一种新式的具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞。

背景技术：

旋流竖井泄洪洞由于其修建难度较低、布置灵活以及消能效果突出等优势，越来越受到水利水电工程界的关注。尤其是随着当前我国正处于水电建设事业的井喷式发展阶段，许多高水头、大流量、深峡谷的高坝大库正在建设或者处于规划阶段，在常规泄水建筑物无法良好地实现泄洪消能的情况下，旋流竖井作为一种新兴发展的泄洪消能建筑物不失为一种良好的选择。

一般地，整个旋流竖井泄洪系统由闸室进口、上平调整段、涡室、收缩段、竖井直段、出口压坡段以及其后的下平泄水段组成，典型竖井布置如图1所示。图中的小挑坎结构是为了调整绕竖井一圈后的水流的方向，从而避免其与上平段进入涡室的水流发生过强的碰撞。

但是，由于当前竖井的高度逐渐增大，竖井壁面的空化空蚀风险也逐渐增高，部分流速较大的竖井需要在竖井合适位置单独设置掺气设施以保证竖井壁面的抗空蚀空化能力，而修建单独的掺气设施较大地增加了工程耗资，并且现有的掺气结构都较为复杂，这无疑会增大竖井结构的建造难度；另外，常规的旋流竖井泄洪洞上平段与圆柱形涡室连接部位需要保持完全相切，否则壁面将不平整从而形成人工凸体并变成空化源，这就对施工精度提出了非常高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞，实现竖井壁面侧水流的良好掺气，提高竖井壁面的抗空化空蚀风险，同时降低施工难度。

本发明是在常规旋流竖井的结构基础上提成的改进，常规旋流竖井由闸室进口1、上平段2、涡室4、收缩段5、竖井直段6、出口压坡段7以及其后的下平泄水段8组成，改进的主要构思是：在上平段出口处，涡室内顺水流旋转方向设置有掺气坎。通过将原本与涡室相切衔接的侧墙向涡室内平移一定距离，或将侧墙端部向涡室中心偏移一段距离，从而在涡室内形成一个竖向掺气坎，水流通过该跌坎时形成掺气空腔，外界空气通过该空腔源源不断地对水流靠近壁面侧进行需气补给，增大靠壁面侧水流的掺气浓度，从而使整个竖井结构的抗空化空蚀能力得到大幅提升；同时，该掺气结构远比常规的竖井掺气坎简单，能够较大幅度地减小工程设计难度以及降低工程耗资；另外，掺气坎的折线结构替代了原本平顺相切的形式，大幅降低了工程施工难度，同时也提高了二者衔接位置的抗空蚀空化能力。

本发明提供一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞，在上平段出口处，涡室内顺水流旋转方向设置有掺气坎。

进一步地，上平段侧墙与涡室的圆弧壁面相交衔接，侧墙末端进入涡室内，形成贴涡室壁面的竖向掺气坎。

作为优选方式，具体施工时，是在常规旋流竖井泄洪洞结构基础上，通过将原本与涡室相切衔接的侧墙向涡室内平移一定距离，或将侧墙端部向涡室中心偏移一段距离，从而与涡室壁面相交，侧墙的末端在涡室内形成一个竖向掺气坎，上平段的水流沿侧壁进入涡室的同时，在竖向掺气坎处掺气。

进一步的，上平段侧墙平移的距离(或偏移的角度)使上平段的侧墙端部刚好完全进入涡室内，与涡室内壁面相接触，形成跌坎(水流旋转方向的掺气坎)，即所述掺气坎的跌落高度正好为上平段侧墙的厚度。

进一步地，掺气坎顶部高程与上平段边墙顶高程保持一致，掺气坎底部高程与上平段末端底板高程保持一致。

进一步地，旋流竖井泄洪洞的涡室内设置有挑坎，使得水流顺利旋转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明本发明所述旋流竖井泄洪洞，竖井内靠近壁面侧的水体能够通过竖向掺气挑坎源源不断地卷席进入空气，弥补了常规竖井泄洪洞只依靠中心涡腔一侧自然卷气而可能造成的竖井壁面含气量达不到掺气保护效果的不足。

2.本发明本发明所述旋流竖井泄洪洞，铅直布置的上平段边墙不再与涡室平顺衔接，而是在二者的衔接部位自然形成一个竖向跌坎，上平段的来流经过跌坎的时候其内外两侧均变为与大气连通的自由水面(带掺气坎的竖井涡室内横切面典型流态如图3所示)，实现良好掺气，显著提高掺气浓度。

3.本发明本发明所述旋流竖井泄洪洞，通过折线形式形成突跌掺气坎，掺气挑坎将原本上平段与涡室的衔接部位需要的完全相切转化成折线衔接形式，避免了二者需要相切的施工难题，从而大幅降低了施工难度，也大幅提高了二者衔接位置的抗空化空蚀性能。

附图说明

图1为典型常规旋流竖井泄洪洞结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞结构示意图；

图4为图1的俯视图；

图5为图3所示对应位置的剖视图；

图6为带掺气坎的涡室典型流态示意图。

图中，1—闸室(进口)；2—上平段；3—竖井小挑坎；4—涡室；5—收缩段；6—竖井直段；7—出口压坡段；8—退水洞(下平泄水段)；9—掺气挑坎；10—掺气空腔；11—旋转水流。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。以下所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

实施例1

本实施例提供一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞，所述泄洪洞由闸室进口1、上平段2、涡室4、收缩段5、竖井直段6、出口压坡段7以及其后的下平泄水段8组成，所述涡室内设置有竖井小挑坎3，所述上平面段侧墙末端位于涡室内，与涡室壁面相交衔接，且端部紧贴涡室壁面，形成贴涡室壁面的竖向掺气坎7，使得水流流经时，在掺气坎与涡室壁面间形成掺气空腔，实现掺气。

施工设计时，通过将原本与涡室相切衔接的侧墙向涡室内平移一段距离，从而在涡室内形成一个竖向掺气坎(平移的距离使上平段的侧墙端部刚好完全进入涡室内，与涡室内壁面相接触，形成跌坎，即所述掺气坎的跌落高度正好为上平段侧墙的厚度)，水流通过该跌坎时形成掺气空腔，外界空气通过该空腔源源不断地对水流靠近壁面侧进行需气补给，增大靠壁面侧水流的掺气浓度，从而使整个竖井结构的抗空化空蚀能力得到大幅提升；同时，该掺气结构远比常规的竖井掺气坎简单，能够较大幅度地减小工程设计难度以及降低工程耗资；另外，掺气坎的折线结构替代了原本平顺相切的形式，大幅降低了工程施工难度，同时也提高了二者衔接位置的抗空蚀空化能力。

实施例2

本实施例提供一种具有涡室掺气坎的旋流竖井泄洪洞，所述泄洪洞由闸室进口1、上平段2、涡室4、收缩段5、竖井直段6、出口压坡段7以及其后的下平泄水段8组成，所述涡室内设置有竖井小挑坎3，所述上平面段侧墙与涡室的圆弧壁面相交衔接，侧墙末端进入涡室内，形成贴涡室壁面的竖向掺气坎7，使得水流流经时，在掺气坎与涡室壁面间形成掺气空腔，实现掺气。

施工设计时，通过将原本与涡室相切衔接的侧墙向涡室在切点处向涡室内偏移一定角度，从而在涡室内形成一个竖向掺气坎(偏移的角度使上平段的侧墙端部刚好完全进入涡室内，与涡室内壁面相接触，形成跌坎，即所述掺气坎的跌落高度正好为上平段侧墙的厚度)，水流通过该跌坎时形成掺气空腔，外界空气通过该空腔源源不断地对水流靠近壁面侧进行需气补给，增大靠壁面侧水流的掺气浓度，从而使整个竖井结构的抗空化空蚀能力得到大幅提升；同时，该掺气结构远比常规的竖井掺气坎简单，能够较大幅度地减小工程设计难度以及降低工程耗资；另外，掺气坎的折线结构替代了原本平顺相切的形式，大幅降低了工程施工难度，同时也提高了二者衔接位置的抗空蚀空化能力。