一种用于阶梯溢流道的掺气结构的制作方法

本发明涉及一种用于阶梯溢流道的掺气结构，具体是一种用于阶梯溢洪道首级阶梯的前置掺气坎，尤其适用前置掺气坎阶梯溢流道的高速水流掺气，属于阶梯溢流坝领域。

技术背景

随着我国现代水利水电工程建设中百米级以上的高坝逐年增多，高坝泄流由于大单宽流量和高水头等引起的高速大单宽水流问题日趋严重。虽然有前置掺气坎掺气，但是阶梯溢洪道立面任然有较大的负压，尤其是立面上部分负压较大，从而使得不充分掺气导致较低的掺气浓度不能有效的保护阶梯面，尤其是对首级阶梯的破坏。

目前，在高速水流泄水建筑物常常设置掺气设施，利用掺气设施上的水流的拖拽作用将空气吸进水体。现有的掺气设施的基本体型为：掺气坎型式、掺气槽型式、掺气坎与掺气槽的组合型式。这些掺气设施均是在掺气设施的导墙底部开有孔口，空气从孔口集中进入掺气设施。这种掺气方式并不能有效减小掺气坎立面和首级阶梯立面上部分的负压，从而不能获得较高的掺气浓度，而达不到充分掺气提高效能率的目的。

产生掺气坎和首级阶梯段渗漏及绕坝渗漏。渗漏严重时，将使岸坡软化，形成集中渗流通道；甚至引起岸坡塌陷和滑坡。

在大坝施工浇筑时常常会遇到水泥水化热散热问题。在混凝土浇筑过程中，混凝土内部温度要高于外部温度，易产生温度差，如不及时释放内部温度，将会造成膨胀开裂而影响掺气设施的平整度，从而不仅影响效能，更重要是可能给大坝带来毁灭性后果。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提供一种用于阶梯溢流道的掺气结构，结构新颖、成本低、易施工，尤其适用于前置掺气坎阶梯溢流道的高速水流掺气。

本发明采用的技术方案是：一种用于阶梯溢流道的掺气结构，包括主通气管道1、上排分散通气管道2、下排分散通气管道3、前置掺气坎4和首级阶梯5，前置掺气坎4和首级阶梯5内侧分别设有与主通气管道1连通的上排分散通气管道2和下排分散通气管道3，上排分散通气管道2和下排分散通气管道3的另一端分别与前置掺气坎4的立面和首级阶梯5的立面连通。

优选地，所述的下排通气管道3连接主通气管道1的一端同时与上排分散通气管道2连接主通气管道1的一端连通。

优选地，所述的上排分散通气管道2与主通气管道1处于同一水平面。

优选地，所述的上排分散通气管道2、下排分散通气管道3分别包括若干个间隔分布的分散通气管道。

优选地，所述的上排分散通气管道2、下排分散通气管道3中相邻两个分散通气管道之间的间隔相等。

本发明的有益效果是：本发明解决了原有的掺气方式不能有效减少掺气坎立面和首级台阶上部分的负压，从而获得较高的掺气浓度，达到了充分掺气提高效能率的目的。

本发明能有效的抑制坝身形成集中渗流通道，当发生渗漏时，上排分散通气管道2、下排分散通气管道3将渗漏水汇集起来，利用立面负压将渗漏水排出。

本发明能有效的释放水泥水化热。上排分散通气管道2、下排分散通气管道3在前期施工有利于混凝土内部温度的释放，从而不仅能提高效能设施表面的平整度还能够提高混凝土早期强度。

本发明将掺气坎和首级阶梯内各设置一排分散通气管道，改变了原先底部集中通气的方式，减小了掺气坎立面和首级台阶上部分的负压。

本发明尤其适用前置掺气坎阶梯溢流道的高速水流掺气。不仅能够将掺气坎和首级阶梯段内渗漏水利用负压排出而且有利于凝土内部温度的释放，从而不仅能提高效能设施表面的平整度还能够提高混凝土早期强度。

附图说明

图1为现有技术中阶梯溢流坝模型图；

图2为现有技术中前置掺气坎和首级阶梯正视图；

图3为现有技术中前置掺气坎和首级阶梯侧视图；

图4为现有技术中前置掺气坎和首级阶梯一个方向的三维立体示意图；

图5为现有技术中前置掺气坎和首级阶梯另一个方向的三维立体示意图；

图6为本发明前置掺气坎和首级阶梯侧视图；

图7为本发明前置掺气坎和首级阶梯一个方向的三维立体示意图；

图8为本发明前置掺气坎和首级阶梯另一个方向的三维立体示意图；

图9为本发明主通气孔和分散通道三维立体图；

图中各标号为：1—主通气孔，2—上排分散通气管道，3—下排分散通气管道，4—前置掺气坎，5—首级阶梯。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述、以充分的理解本发明的目的、特征和效果。

实施例1：参照图1～图5，为原阶梯溢洪道掺气结构，包括前置掺气坎4和首级阶梯5，水流高速流过前置掺气坎，在前置掺气坎4的挑射作用下，首级台阶处易形成稳定的水舌底部掺气空腔，同时前置掺气坎立面4和首级台阶立面5易形成较大的负压，不利于保护台阶，容易发生空蚀空化，影响大坝安全。

如图6-9所示，本发明提供一种用于阶梯溢流道的掺气结构，包括主通气管道1、上排分散通气管道2、下排分散通气管道3、前置掺气坎4和首级阶梯5，前置掺气坎4和首级阶梯5内侧分别设有与主通气管道1连通的上排分散通气管道2和下排分散通气管道3，上排分散通气管道2和下排分散通气管道3的另一端分别与前置掺气坎4的立面和首级阶梯5的立面连通。

进一步地，所述的下排通气管道3连接主通气管道1的一端同时与上排分散通气管道2连接主通气管道1的一端连通，更有利于通气，减小首级阶梯5内的负压。

进一步地，所述的上排分散通气管道2与主通气管道1处于同一水平面上，易于施工，能有效提高施工效率。

进一步地，所述的上排分散通气管道2、下排分散通气管道3分别包括若干个间隔分布的分散通气管道。所描述的阶梯溢洪道主通气管道1、上排通气管道2和下排通气管道3布置方式如图6～9所示，但具体分散通气管道的数量以及分散通气管道之间的间距应该根据工程实际情况确定。

进一步地，所述的上排分散通气管道2、下排分散通气管道3中相邻两个分散通气管道之间的间隔相等，有利于避免多个集中负压,使减少空蚀空化的发生概率,也使消能达到最好的效果。

通过国家自然科学基金（51569010）水工模拟实验，可知当水流高速经过前置掺气坎4，水流在前置掺气坎4的挑射作用下，首级台阶处易形成稳定的水舌底部掺气结构。因水流的大，易在阶梯立面形成较大的负压，破坏掺气结构。因此在前置掺气坎4和首级阶梯5设置上排同气管道2和下排通气管道3，一端连接前置掺气坎4和首级阶梯5立面，一端连接主通气管1。这样有效解决首级台阶5立面负压过大而产生阶梯破坏问题。另外不同的工程可选用不同角度和不同的尺寸的前置掺气坎4和首级阶梯5，根据实际情况而定。

本发明所述的阶梯溢洪道掺气结构由首级阶梯5、前置掺气坎4和通气孔共同组成，应用于大单宽高水头的泄洪消能中，上排分散通气管道2、下排分散通气管道3可减小首级阶梯5内的负压，提高效能率，有利于避免出现负压集中而造成局部破坏。施工方便，节约成本，经济安全，并能够有效的抑制坝身形成集中渗流通道。当发生渗漏时，上排分散通气管道2、下排分散通气管道3将渗漏水汇集起来，利用立面负压将渗漏水排出。而且能有效的释放水泥水化热。上排分散通气管道2、下排分散通气管道3在前期施工有利于混凝土内部温度的释放，从而不仅能提高效能设施表面的平整度还能够提高混凝土早期强度。完全满足大单宽高水头泄洪消能要求，可值得在我国西南地区大单宽高水头流域进行推广。

举例说明：

例1；阿海水电站采用y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能方式进行消能防冲，实际泄洪中发现，长时间阶梯消能造成阶梯严重冲刷破坏，导致坝体安全隐患。通过查阅大量技术资料，阿海水电站采用5孔泄流，5000年一遇洪峰流量达到17500m³/s、1000年一遇洪峰流量达到15300m³/s、100年一遇洪峰流量达到12200m³/s，属于典型大单宽高水头电站。在进行1：60水工模型试验和进行数值模拟都发现y型宽尾墩在收缩水流时造成台阶立面负压增大，并且局部集中，空蚀空化破坏非常严重。阶梯消能利用不充分，同时也发现掺气结构对整体的消能效果有较大的影响。

通过水工模拟和数值模拟结果，对其进行结构上的优化，同时为了保证坝体的安全可靠，本发明所述阶梯溢洪道“首级阶梯+前置掺气坎+通气孔”的掺气结构（图6～9）能使台阶立面负压减小，不会出现集中负压，有效的控制空化空蚀破坏，并且当发生渗漏时，分散式通气孔将渗漏水汇集起来，利用立面负压将渗漏水排出。而且能有效的释放水泥水化热。分散式通气管道在前期施工有利于混凝土内部温度的释放，从而不仅能提高效能设施表面的平整度还能够提高混凝土早期强度。

上面结合附图对本发明的具体实施例做了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在水电领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化来应用到实际的工程中。