一种可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工及其掺气方法与流程

本发明属于水利工程中的洞塞消能技术领域，涉及一种通过能够在有压洞塞泄洪洞内实现掺气减蚀的消能工及其掺气方法。

背景技术：

洞塞消能工作为有压内流消能工的一种形式，不仅结构简单，而且能有效解决高水头、大流量泄洪洞的消能问题，其消能作用主要发生在洞塞突缩、突扩后的强紊动剪切区，但是由于洞塞锐缘流速大，水流分离，因此该部位容易空化，甚至造成空蚀破坏。

目前对于有压内流消能工预防减免空化空蚀的措施主要是通过设计优化来降低流速、控制过流壁面不平整度以及采用抗空蚀材料。但上述措施需预先设计，在极端特殊情况下容易失效。

在传统水电工程泄水建筑中，往往向水流可能发生空化的区域通气形成掺气水流，当掺气体积浓度达到3～4％时就可起到减免空蚀的作用，是目前国内外采用的一种经济而有效的减蚀措施。然而，有压掺气措施因其复杂的水气二相现象，掺气水流的运动规律与不掺气水流不同且更为复杂，而且有压内流消能工中水流运行速度、压强变化较大，若盲目掺气可能对消能设施带来以下不利影响：(1)水流掺气造成水体膨胀，使水深明显增加，会影响泄洪水道的安全运行，也会影响泄洪道的泄流能力；(2)在泄洪隧洞中，如果对掺气的影响估计不足，可能产生有压流与无压流的交替，从而使水流会不断冲击洞壁，威胁洞身安全；(3)增大水流脉动压力，会加大建筑物的瞬间荷载，也增加建筑物振动的可能性，从而对建筑物带来一定破坏作用；由于上述不利影响，水流掺气鲜有运用于有压消能工程。

因此，在有压洞塞实现水流掺气在洞塞消能工程领域具有十分重要的应用价值，同时也是本领域的研究难点。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对现有有压洞塞消能工中存在的空化空蚀问题，提供一种可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工，通过向洞塞的水流掺气，减免空化空蚀的破坏作用。

本发明的另一目的旨在提供一种上述有压洞塞消能工掺气的方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。

本发明提供了一种可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工，由位于泄洪洞内的洞塞基体和洞塞基体内设置的过流孔组成，所述洞塞基体包括突缩前端和突扩后端，所述洞塞基体设置有至少一个与大气相通的通气井，所述通气井的轴线垂直于洞塞基体的轴线，且通气井的轴线与洞塞基体突缩前端之间的距离L为泄洪洞洞径的1.5～2％。当高速水流流经洞塞基体突缩前端时，压强急剧下降，当通气井处压强小于大气压时，空气会通过通气井进入过流孔，进入过流孔的空气通过压差作用以及回流区水流挟带作用向洞塞基体工作段上游、下游及垂直流向的整个断面扩散，在近壁区形成一层掺气保护层，从而实现对流经过流孔的水流掺气，减免突缩前端和突缩后端区域空蚀破坏。为了满足泄洪洞水流掺气要求，可以泄洪洞实际情况，在洞塞基体上增设多个通气井，多个通气井可以在垂直于洞塞轴线的平面内均匀分布。

上述可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工，为了减少因管道弯曲而增大的通气阻力，提高掺气效率和掺气可调节范围，应尽量使通气井顺直畅通，本发明中通气井为圆形通孔。

上述可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工，当通气井内的风速过大时，会导致通风时噪音过大，因此一般需要控制通气井内的平均风速不大于50m/s，为了实现对风速的控制，一方面可以通过限制通气井的孔径，另一方面可以在通气井上设置用于控制气流流速的装置，例如电动阀门，其中通气井的孔径一般为泄洪洞洞径的2～3％。

本发明进一步提供了上述有压洞塞消能工的掺气方法，包括以下步骤：

步骤(A)，判断泄洪洞内水流流速是否高于设定值且通气井与洞塞基体内设置的过流孔相贯部位的压强是否低于大气压，若泄洪洞内水流流速高于设定值且通气井与洞塞基体内设置的过流孔相贯部位的压强低于大气压，则进入步骤(B)，否则通气井维持关闭状态；

步骤(B)，开启通气井上的电动阀门，并调节电动阀门的开度使洞塞基体突缩段近壁区水流掺气体积浓度为3～5％。

上述有压洞塞消能工的掺气方法，所述水流流速设定值为不小于20m/s。

上述有压洞塞消能工的掺气方法，所述洞塞基体突缩段是指过洞塞基体突缩前端和突扩后端之间的区域。

本发明所述可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工在有压泄洪洞消能中应用，使用时，将至少一个可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工设置在有压泄洪洞的下平段。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工在有压洞塞的洞塞基体距离突缩前端1.5～2％泄洪洞洞径处设置通气井，由于通气井位置压强小于大气压，空气可以源源不断通过通气井进入洞塞、扩散至洞塞工作段上游、下游以及垂直流向的整个工作断面，并形成连续不断的掺气过程，从而减免洞塞突缩前端区域和突扩后端区域的空蚀破坏。

2、本发明可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工仅通过在洞塞基体合适位置设置通气井就能达到垂直流向的工作段壁面附近大断面甚至全断面掺气的效果，具有结构简单、掺气效率高的特点。

3、本发明可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工能够在泄洪洞内施工，施工范围小，无需大规模挖、填，因而施工方便，施工成本低。

4、本发明有压洞塞消能工的掺气方法，利用洞塞基体自然吸气的方式实现水流掺气，不仅可以减免洞塞可能存在的空化空蚀破坏，而且大大降低了施工、运行成本，适于在有压洞塞消能中推广使用。

附图说明

图1是本发明所述可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工的结构图及与泄洪洞的组合示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

其中，1-泄洪洞，2-洞塞基体，21-突缩前端，22-突扩后端，3-通气井，4-电动阀门。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，本实施例提供了一种可实现掺气减蚀的有压洞塞消能工，由位于泄洪洞1内下平段的圆柱形洞塞基体2和洞塞基体2内设置的圆形过流孔组成。洞塞基体2包括突缩前端21和突扩后端22，洞塞基体2设置有与大气相通的通气井3，通气井3的轴线垂直于洞塞基体2的轴线，且通气井3的轴线与洞塞基体2突缩前端21之间的距离L为泄洪洞1洞径D₀的1.5～2％。

如图1及图2所示，通气井3可以自洞塞基体2顶部向上延伸至泄洪洞1顶部；通气井3为圆形通孔，以使通道顺直畅通，减少因管道弯曲增大的通气阻力，以提高掺气效率和掺气可调节范围；通气井3的孔径D₁为泄洪洞1洞径D₀的2～3％，以保证通气井3内的平均风速不大于50m/s；通气井3上进一步设置有用于调节进入通气井3气流流速的电动阀门4，以使通气量满足水流掺气要求。

上述有压洞塞消能工的掺气方法包括以下步骤：

步骤(A)，判断泄洪洞1内水流流速是否高于设定值且通气井3与洞塞基体2内设置的过流孔相贯部位的压强是否低于大气压，若泄洪洞1内水流流速高于设定值且通气井3与洞塞基体2内设置的过流孔相贯部位的压强低于大气压，则进入步骤(B)，否则通气井3维持关闭状态；

步骤(B)，开启通气井3上的电动阀门4，并调节电动阀门4的开度使洞塞基体2突缩段近壁区水流掺气体积浓度为3～5％。

上述步骤(A)在于判断是否需要开启通气井3，当泄洪洞1内的水流流速(即泄洪洞1下平段内洞塞基体2前方或后方的水流流速)不大于设定值或者通气井处压强不低于大气压时，则说明泄洪洞1存在空化空蚀的风险较小或者无法达到大气进入要求，不需要开启通气井3；当通气井3与洞塞基体2内设置的过流孔相贯部位压强不低于大气压时，可以通过在通气井3上设置增压泵的方式先将空气增压使空气压强大于通气井处压强，进而将空气引入洞塞基体达到水流掺气的目的，这种方式显然会大大增加消能工程成本；当泄洪洞1内的流速大于设定值时且通气井处压强低于大气压时，则说明泄洪洞1存在空化空蚀的风险较大，需要开启通气井3。上述设定值是指泄洪洞洞塞工作段突缩前端21和突扩后端22处发生空化空蚀危险的水流速度，该设定值可以根据各个泄洪洞的具体体型、尺寸以及消能工具体工程量等通过多次试验确定，一般认为当水流当水流流速超过20m/s时，就要考虑因水流流速过大而对洞塞基体造成的空蚀空化破坏了，因此设定值不小于20m/s。

上述步骤(B)中，调节电动阀门4的开度，使洞塞基体2突缩段近壁区的水流掺气体积浓度为3～5％，从而减免洞赛突缩和突扩区域的空蚀破坏，洞塞基体2突缩段是指过洞塞基体2突缩前端21和突扩后端22之间的区域。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。