本发明涉及水利水电工程领域，尤其是一种高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构。
背景技术：
在水利水电设施的明流泄水洞的设计和运行中,如果对泄水洞的通气问题考虑不周,往往会出现空化提前、水流流态不稳定、闸门起闭过程中作用于闸门上的水平力及垂直力也随着增加等问题,相应地使闸门结构增重、启闭机容量增大、减弱掺气设施的通气效果、通气管或补气洞中气流流速过大,造成噪音甚至引起振动等现象。
另外，明流泄水洞高速水流除拖曳余幅空气运动形成气流外，水流掺气也挟带部分气体向下游输移，故明流泄水洞正常运行状态下补气量由余幅气流量和水流掺气挟带的气流量两部分组成。常规明流隧洞向余幅供气的进气洞一般与门井结合布置在明流隧洞的起始端，由于余幅气流速度取决于高速水流的拖曳作用，这种补气方式对于洞线长度大于1000m的长距离明流隧洞明显不够，近年来在高水头大泄量长距离明流泄水洞布置设计中增加了补气洞，但对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小没有系统的可供技术人员简便操作的设计方法，主要依靠常压物理模型试验进行研究，常压物理模型试验是按重力相似准则进行的，对掺气或气流模拟不相似，故对补气洞断面设计往往偏小，从近年来较多的高水头泄水洞运行原观资料表明补气洞风速过大，远远超过规范要求，甚至高达100m/s。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以灵活根据所需补气量进行调整，且便于设计人员便捷高效的进行泄水洞补气结构设计以及施工的高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高速水流明流泄水洞补气结构建造方法，包括以下步骤：
a、首先，确定明流泄水洞的结构，依据明流泄水洞的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；
b、自明流泄水洞中的地下工作闸室开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞，n＝1，2，...，i-1，i，第i个补气洞断面面积由下式确定：
ai＝(qa+qz+qk-(q1+q2+…+qi-1))/40；
qa＝k1vwhab/2；
qz＝0.005fr2vwbh；
qk＝k2vwbh；
其中：ai：第i个补气洞断面面积，m2；
qa：第i个补气洞对应明流泄水洞水面以上余幅的最大携气量，m3/s；
qz：第i个补气洞对应明流泄水洞水流表面自掺气携气量，m3/s；
qk：第i个补气洞对应明流泄水洞掺气坎携气量，m3/s；
q1…qi-1：第1个至第i-1个补气洞的补气量总和，m3/s；
ha：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面洞顶余幅平均高度，m；
vw：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面水流平均流速，m/s；
h:第i个补气洞对应明流泄水洞段断面清水水深，m；
b：第i个补气洞对应明流泄水洞段洞内净宽，m；
fr：第i个补气洞对应明流泄水洞段不掺气水流的佛汝德数；
k1：洞顶余幅携气量修正系数，通常取0.9～1.1；
k2：掺气坎掺气率系数，通常取0.05～0.20；
c、依据上述步骤得到的各个泄洪洞补气洞断面面积，确定泄洪洞补气洞端面施工面积大小；
d、按照确定的明流泄水洞以及泄洪洞补气洞的位置以及尺寸进行施工并最终完成高速水流明流泄水洞补气结构。
进一步的是，高速水流明流泄水洞补气结构，包括明流泄水洞，所述明流泄水洞上分段设置有至少一个泄洪洞补气洞，其中泄洪洞第一补气洞设置于明流泄水洞的地下工作闸室处。
进一步的是，所述泄洪洞补气洞的洞线为平直的结构。
进一步的是，所述泄洪洞补气洞与明流泄水洞的永久洞室之间为彼此独立的结构。
进一步的是，所述泄洪洞补气洞的截面形状为圆形、方形或圆拱直墙形。
进一步的是，所述泄洪洞补气洞为混凝土衬砌结构。
进一步的是，所述泄洪洞补气洞内设置有排水孔。
本发明的有益效果是：传统的结构设计对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小没有系统的可供技术人员简便操作的设计方法，主要依靠常压物理模型试验进行研究，常压物理模型试验是按重力相似准则进行的，对掺气或气流模拟不相似，故对补气洞断面设计往往偏小，从近年来较多的高水头泄水洞运行原观资料表明补气洞风速过大，远远超过规范要求。因此，目前的方法尚不能根据实际情况准确的确定补气洞面积，也无法保证后期补气的准确性。本发明通过对高水头大泄量长距离明流泄水洞的原观资料分析，并结合高速水流理论分析，对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小等提供了系统的可供技术人员简便操作的设计方法，使设计人员能快速准确布置补气洞，同时准确估算补气洞面积，设计其合理的体型，从而保证泄洪洞的运行安全和投资控制。同时，在实际使用时也十分的便捷与灵活，在保证准确性的同时，大大提高了结构适应实际需要的能力。本发明尤其适用于各种高速水流明流泄水洞补气结构的设计施工之中。
附图说明
图1是本发明的明流泄水洞的结构示意图。
图中标记为：明流泄水洞1、地下工作闸室2、地下工作闸室交通洞3、泄洪洞补气洞4、泄洪洞第一补气洞41、泄洪洞第二补气洞42、泄洪洞第二补气洞43。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示的高速水流明流泄水洞补气结构，包括明流泄水洞1，所述明流泄水洞1上分段设置有至少一个泄洪洞补气洞4，其中泄洪洞第一补气洞41设置于明流泄水洞1的地下工作闸室2处。本发明的结构设计步骤是这样的：
a、首先，确定明流泄水洞1的结构，依据明流泄水洞1的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；
b、自明流泄水洞1中的地下工作闸室2开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞4，n＝1，2，...，i-1，i，第i个补气洞断面面积由下式确定：
ai＝(qa+qz+qk-(q1+q2+…+qi-1))/40；
qa＝k1vwhab/2；
qz＝0.005fr2vwbh；
qk＝k2vwbh；
其中：ai：第i个补气洞断面面积，m2；
qa：第i个补气洞对应明流泄水洞水面以上余幅的最大携气量，m3/s；
qz：第i个补气洞对应明流泄水洞水流表面自掺气携气量，m3/s；
qk：第i个补气洞对应明流泄水洞掺气坎携气量，m3/s；
q1…qi-1：第1个至第i-1个补气洞的补气量总和，m3/s；
ha：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面洞顶余幅平均高度，m；
vw：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面水流平均流速，m/s；
h:第i个补气洞对应明流泄水洞段断面清水水深，m；
b：第i个补气洞对应明流泄水洞段洞内净宽，m；
fr：第i个补气洞对应明流泄水洞段不掺气水流的佛汝德数；
k1：洞顶余幅携气量修正系数，通常取0.9～1.1；一般的，洞顶余幅偏大者取小值；
k2：掺气坎掺气率系数，通常取0.05～0.20；流速一般30～50m/s，流速大者取大值。
c、依据上述步骤得到的各个泄洪洞补气洞4断面面积，确定泄洪洞补气洞4端面施工面积大小；
d、按照确定的明流泄水洞1以及泄洪洞补气洞4的位置以及尺寸进行施工并最终完成高速水流明流泄水洞补气结构。
在实际当中，明流泄水洞1的高速水流除拖曳余幅空气运动形成气流外，水流掺气也挟带部分气体向下游输移，故明流泄水洞正常运行状态下需气量由余幅气流量qa和水流掺气挟带的气流量两部分组成，水流掺气挟带的气流量包括水流表面自掺气携气量qz和掺气坎携气量qk。
本发明的设计原理是这样的：水流对余幅内空气的动力拖曳作用主要与高速水流紊动引起的自由水面波动粗糙程度和激溅跃移水滴状况有关，水气交界的流速和紊动状态是决定水流对空气拖曳力大小的主要因素。水流流速越高，自由表面紊动越强，对余幅内空气的拖曳作用也就越大。前段明流泄水洞水流流速相对较小，水流紊动弱，从而对余幅内空气的拖曳作用也相对较小，进气量较少；长距离明流泄水洞高流速、强紊动水流集中于中后段，其水流空化数小，就其水流条件而言是容易诱发空化水流的部位，因此需要设置掺气减蚀设施以防止空蚀破坏，这种掺气设施运行所需的气流量取自于余幅气流，进一步加大需气总量，因此需根据明流洞内水流流速变化在需气量大的部位分段设置n个补气洞，n＝1，2，...，i-1，i，才能保证水流流态稳定，才能改善掺气减蚀设施的掺气效果，有利于泄洪洞的安全运行。
而第i个补气洞断面大小与对应明流泄水洞部位的需气量、前i-1个补气洞的总补气量和补气洞内允许安全风速有关。补气洞内允许安全风速按相关规范要求不大于40m/s。第i个补气洞对应明流泄水洞部位的需气量如前所述由qa+qz+qk组成，因此第i个补气洞的补气量为对应明流泄水洞部位的需气量减去前i-1个补气洞的总补气量即可，其除以补气洞内允许安全风速即为第i个补气洞断面面积。qz通过掺气水深经验计算霍尔公式推导得到。qk中的经验系数k2值通过模型试验和原观成果分析总结得到，通常取0.05～0.2，流速一般30～50m/s，流速大者取大值。明流泄水洞水面以上余幅的最大携气量qa由于水气二相流研究的复杂性较难准确计算，也需结合其影响因素和理论分析，并通过近年的原观成果进行修正。如前所述影响qa的水力因素主要包括水流流速和紊动水流所引起的各种水面状况等，结构因素包括补气洞面积、长度和布置方式，明流泄水洞的长度、结构和闸门布置方式。水面以上的气流流动主要是由水面的拖曳力、洞的进出口压力梯度和重力三种作用力所引起的，依据气体动力学方程组,并假定气流是不可压缩、稳定的，且气体的密度和动力粘性系数为常数，经推算并经原观成果验证发现洞顶余幅气流的流速分布近似三角形分布，即压力梯度和重力的综合作用产生的流动因素影响较小，由水所拖曳而产生的剪切流是主要影响因素，所以简化计算时泄水洞水面以上余幅的最大携气量qa＝k1vwhab/2，k1为洞顶余幅携气量修正系数，通常取0.9～1.1，洞顶余幅偏大者取小值。
由于地下工作闸室2部位之前为有压洞，在水流从有压状态转化为明流状态时，假定有压洞内气体含量为0，须首先设置泄洪洞补气洞4，即泄洪洞第一补气洞41。
为了保证补气的顺畅和充足，一般优选所述泄洪洞补气洞4的洞线为平、顺、直的结构，从而最大限度地保证补气的进行。另外，可以选择让所述泄洪洞补气洞4与明流泄水洞1的永久洞室之间为彼此独立的结构，从而保证泄洪洞补气洞4的独立性和运行的安全性，并最终保证补气的稳定进行。结合实践经验，优选所述泄洪洞补气洞4的截面形状为圆形、方形或圆拱直墙形。所述泄洪洞补气洞4可以选择为混凝土衬砌结构，以降低洞表糙率，使表面光滑，通气顺畅。还可以在泄洪洞补气洞4内设置排水孔，以降低外水压力，保证结构安全。
本发明通过对高水头大泄量长距离明流泄水洞的原观资料分析，并结合高速水流理论分析，对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小等提供了系统的可供技术人员简便操作的设计方法，使设计人员能快速准确布置补气洞，同时准确估算补气洞面积，设计其合理的体型，从而保证泄洪洞的运行安全和投资控制。同时，在实际使用时也十分的便捷与灵活，在保证准确性的同时，大大提高了结构适应实际需要的能力。本发明尤其适用于各种高速水流明流泄水洞补气结构的设计施工之中，具有十分广阔的市场推广前景。