本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种确定掺气设施通气孔断面面积的方法。
背景技术：
在水利水电工程中，溢洪建筑物泄放水流时往往由于流速较高，容易产生空蚀破坏，通常需要设置减蚀措施。目前，工程中常用的减蚀措施有：优化溢洪道体型，尽量使得过流表面的体型流线化，避免水流与固体边界发生分离现象；采用抗空蚀强度较高的材料作为过流表面材料；严格控制过流表面的不平整度；通过在溢洪道上设置掺气结构，采取掺气减蚀技术。其中，掺气减蚀技术一般是在溢洪道上设置掺气设施，例如设置掺气坎结构，以促使水流掺气，防止或者减少过水建筑物产生严重的空蚀。这种在建筑物上设置掺气设施的方法，是水工中广泛采用的掺气减蚀技术，这也是实际工程中最常采取的有效减蚀措施。
在掺气设施的设计过程中，又以掺气设施的通气孔断面面积参数最为重要，其直接影响到掺气量和掺气的气流速度。目前，通过大量的工程实践总结出的，一般在水流流速大于30m/s，或者空蚀指数<0.3时，参照《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》(DL/T5207)中，其建议设置掺气设施来减免空蚀破坏。但是由于掺气减蚀机理本身比较复杂，因此目前对于掺气量等相关问题的理论研究较少以及掺气设施的结构体型的研究成果等也较少；而对于掺气设施的通气孔断面面积尚未有一套成熟有效的理论方法可以计算得到。现有技术中通常采用的方法是通过在实际工程场地或者附近进行水工模型试验，即对溢洪道及其掺气设施进行模拟试验；然后结合试验进行分析，最后确定出在满足规范要求的实际通气孔断面面积；一般来说，按照目前《溢洪道设计规范》(DL/T5166)的相关要求是满足掺气设施的通气孔内所对应的最大气流速度≤60m/s。
由此可见，现有技术中要求将水工模型试验设置到实际工程场地的施工现场，以使得试验获得的数据能有效地直接用于相应的实际工程中。一般来说，对于实际工程场地位于我国海拔相对较低的内地区域时，由于地理位置相对比较方便进行水工模型试验，因此基本上对于此类场地均是采用在实际工程场地现场进行水工模型试验，以通过试验直接的确定出实际所需的通气孔断面面积。但是随着近年来我国内地水电站已接近开发完成，开发的地点逐步向西藏等高原地区延伸，而由于高原地区的地理位置相对低海拔的内地地区而言，其条件较差，如果强行在高原地区的施工现场进行水工模型试验，则试验难度较大，而且试验成本较高。另外，由于在高原地区，其海拔较高，而且空气稀薄，气候寒冷，在这样的环境下建筑物的运行特性与低海拔的内地地区存在较大差异，因此也不能直接将在低海拔的内地地区进行的水工模型试验所获得的通气孔断面面积等试验数据直接使用到上述的高原地区。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：对于实际工程场地位于高原地区的工程，在现场进行水工模型试验的难度大，成本高等问题，以及现有技术中无法直接将在低海拔的内地地区进行的水工模型试验所获得的通气孔断面面积数据直接用于高原地区的工程中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种确定掺气设施通气孔断面面积的方法，包括如下步骤：
A、获取需要设置有掺气设施的泄洪建筑的实际工程场地所对应的海拔高程H1(m)和该场地在泄洪期间的平均气温T1(℃)；
B、水工模型试验：包括：
B1、确定水工模型试验的试验场地，并获取该试验场地所对应的海拔高程H2(m)和进行水工模型试验期间的平均气温T2(℃)；
B2、组建并进行水工模型试验，通过水工模型试验获得满足规范要求的试验通气孔断面面积A0；
C、按照如下公式，计算出实际通气孔断面面积A1，
A1＝A0×CT×CH；其中，CT为温度调整系数，CH为高程调整系数，且有：
CT＝[(T2+273.15)/(T1+273.15)]4.25588；
CH＝[(288.15-0.0065×H2)/(288.15-0.0065×H1)]4.25588。
进一步的是：在步骤B2中，所述规范要求为：水工模型试验中的通气孔内对应的气流速度V0≤60m/s。
进一步的是：所述实际工程场地与所述试验场地为非同一场地。
进一步的是：所述实际工程场地所对应的海拔高程H1大于试验场地所对应的海拔高程H2。
本发明的有益效果是：本发明实现了将试验场地与实际工程场地的分离，使得水工模型试验无需在实际工程场地现场进行，因此可将试验场地设置在条件相对较好的地区，这样可更便于进行水工模型试验，同时降低试验难度和成本。本发明通过分别测取实际工程场地和试验场地的海拔高程和年平均气温两个参数后，利用上述两个参数，可对在试验场地进行的水工模型试验所得的试验通气孔断面面积A0进行适当的计算调整后使用到相应的实际工程场地中；这样就实现了可在海拔相对较低的内地地区进行水工模型试验，同时可将试验数据用于实际工程场地在高原等条件较差的地区。
附图说明
图1至图3分别为三种具体结构的掺气设施的结构示意图；
图中标记为：通气孔1、掺气坎2、掺气口3、试验通气孔断面面积A0、实际通气孔断面面积A1。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明所述的一种确定掺气设施通气孔断面面积的方法，包括如下步骤：
A、获取需要设置有掺气设施的泄洪建筑的实际工程场地所对应的海拔高程H1(m)和该场地在泄洪期间的平均气温T1(℃)；
B、水工模型试验：包括：
B1、确定水工模型试验的试验场地，并获取该试验场地所对应的海拔高程H2(m)和进行水工模型试验期间的平均气温T2(℃)；
B2、组建并进行水工模型试验，通过水工模型试验获得满足规范要求的试验通气孔1断面面积A0；
C、按照如下公式，计算出实际通气孔1断面面积A1，
A1＝A0×CT×CH；其中，CT为温度调整系数，CH为高程调整系数，且有：
CT＝[(T2+273.15)/(T1+273.15)]4.25588；
CH＝[(288.15-0.0065×H2)/(288.15-0.0065×H1)]4.25588。
其中上述所述的实际工程场地指的是需要设置掺气设施的工程项目所对应的场地，而试验场地则是为进行水工模型试验提供的场地；在现有技术中，要求将水工模型试验设置在实际工程场地进行，也就是要求将试验场地设置到实际工程场地现场或者附近。而在本发明中，并没有这一要求，既实际工程场地与试验场地可以为非同一场地。并且理论上，本发明中的试验场地可以不受实际工程场地的任何影响而独立的进行选址。这样，对于一些实际工程场地在西藏等高原地区的水利工程项目中需要确定通气孔断面面积时，就可以将试验场地设置在我国海拔相对较低的内地区域；例如在我国东部平原地区设置试验场地，并进行水工模型试验；然后通过对相应的试验所得数据进行调整后即可适用于在高原地区的实际工程项目中。
另外，在上述步骤B2中的水工模型试验，其本身为目前在水利水电工程中的一种常规试验，在本发明中水工模型试验与现有的水工模型试验可完全相同，可完全采用现有技术的试验方法和试验步骤。例如具体可参照《溢洪道设计规范》(DL/T5166)中的内容进行试验。另外，对于通过水工模型试验直接获得的试验通气孔断面面积A0，仅表明在试验场地的地理位置条件下，满足相关规范要求所需要设置的通气孔断面面积A0；而对于实际工程场地所需要设置的实际通气孔断面面积A1则需要在A0的基础上进行适当的调整后才能得到。
而为了实现将试验所得A0数据适用于实际工程场地，发明人结合实际工作经验，认为通气孔断面面积的确定主要与项目工程的海拔高程和温度等因素密切相关；因此发明人将高程差和温度差作为将试验所得A0调整为实际工程所需的A1的两大调整因素；而对于具体的调整公式，发明人根据在忽略不同高程的空气粘滞影响条件下的空气动力学气体密度公式：ρ1＝ρ0[(288.15-0.0065×H)/288.15]4.25588，其中H为海拔高程；ρ1为在海报高程H处的空气密度；ρ0为海拔为零处的空气密度；通过上述公式进一步得到CT-温度调整系数和CH-高程调整系数的具体计算公式，其中：CT＝[(T2+273.15)/(T1+273.15)]4.25588；CH＝[(288.15-0.0065×H2)/(288.15-0.0065×H1)]4.25588。最后，再按照公式A1＝A0×CT×CH对由水工模型试验直接获得的试验通气孔断面面积A0数据进行调整，并可将调整后的数据作为实际工程场地所需的实际通气孔断面面积A1。
另外，考虑到在实际工程场地的温度以及试验场地的温度，可能在一年内的波动较大，因此对温度T1和T2的取值，优选取实际工程场地在泄洪期间的平均气温T1(℃)以及取试验场地在进行水工模型试验期间的平均气温T2(℃)。当然，对于上述温度T1、T2的获取，可以通过查阅当地历年的温度记录数据或者通过实际的测量方式得到。
另外，对于本发明中的步骤B2，所述规范要求可以为实际工程项目的要求或者其它一些规范文件的要求；例如在《溢洪道设计规范》(DL/T5166)中的具体要求为：水工模型试验中的通气孔内对应的气流速度V0≤60m/s。
一般来说，当实际工程场地本身即为海拔较低的地区或者其本身就是一位置条件相对较好的地区时，工程上还是优选在实际工程场地现场进行水工模型试验，这样获得的数据即可直接用于实际工程中，而且试验数据也更加的符合实际情况。本发明只是针对实际施工场地所处环境较差，尤其是对于高原地区等此类不便于在实际工程场地的现场进行水工模型试验的情况下采用的方法；因此，一般来说是在实际工程场地所对应的海拔高程H1大于试验场地所对应的海拔高程H2的情况下优选采用本发明所述的方法；或者针对我国普遍的地形特征来说，当在西藏等高海拔地区实施水工项目时，可优选采用本发明所述的方法。
另外，需要指出的是，本发明中所述的掺气设施的具体结构并没有任何限制。也就是在进行水工模型试验时，其对应的掺气设施的具体结构可以有多种形式，具体以实际的工程项目而定。例如，参照附图1至附图3中所示，为三种不同掺气坎结构的掺气设施，其每个掺气设施均需要设置相应的通气孔1以及掺气坎2结构，当水流流过掺气坎2时，将形成负压，进而使得空气从通气孔1的掺气口3引入到水流中实现掺气目的。本发明仅是针对如何确定通气孔1断面面积的大小提出的一种方法，因此理论上是用于各种结构的掺气设施中。另外，还需要指出的是，如果通气孔1的断面面积本身是变化的情况时，则是要求实际通气孔1中断面面积最小处应当不小于通过本发明方法所确定的通气孔1断面面积大小，这样才能保证在整个通气孔1内的最大气流速度满足相关要求。
下面以某工程为示例，进一步阐述本发明所述方法的具体过程：
某工程实际施工场地在高海拔地区，其海拔高程约为2780m，且其实际的泄洪期间的平均温度为10℃；现将水工模型试验的验场地设置在低海拔的内地，具体试验场地的海拔高程约为500m，并且实际进行水工模型试验期间的平均气温为20℃。假定通过水工模型试验确定了达到规范要求试验的通气孔断面面积为A0＝1m2；则通过将上述参数代入相应的公式计算后得到，温度调整系数CT＝1.1592；高程调整系数CH＝1.2553。最后，确定出A1＝A0×CT×CH＝1.455m2；即在实际施工场地所对应的通气孔断面面积需要设置为1.455m2。
最后，需要指出的是，本发明所述方法为精确的理论方法，在实际工程中可通过本发明所述方法确定出实际的通气孔断面面积；同时，在实际工程中，可对相应的数据或者参数等进行适当的四舍五入或者微小的取舍。例如，在上述示例中最终确定的A1实际通气孔断面面积可取1.5m2作为项目施工依据。