本發(fā)明屬于水利工程中的洞塞消能技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過能夠在有壓洞塞泄洪洞內(nèi)實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的消能工及其摻氣方法。

背景技術(shù)：

洞塞消能工作為有壓內(nèi)流消能工的一種形式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且能有效解決高水頭、大流量泄洪洞的消能問題，其消能作用主要發(fā)生在洞塞突縮、突擴(kuò)后的強(qiáng)紊動(dòng)剪切區(qū)，但是由于洞塞銳緣流速大，水流分離，因此該部位容易空化，甚至造成空蝕破壞。

目前對(duì)于有壓內(nèi)流消能工預(yù)防減免空化空蝕的措施主要是通過設(shè)計(jì)優(yōu)化來降低流速、控制過流壁面不平整度以及采用抗空蝕材料。但上述措施需預(yù)先設(shè)計(jì)，在極端特殊情況下容易失效。

在傳統(tǒng)水電工程泄水建筑中，往往向水流可能發(fā)生空化的區(qū)域通氣形成摻氣水流，當(dāng)摻氣體積濃度達(dá)到3～4％時(shí)就可起到減免空蝕的作用，是目前國內(nèi)外采用的一種經(jīng)濟(jì)而有效的減蝕措施。然而，有壓摻氣措施因其復(fù)雜的水氣二相現(xiàn)象，摻氣水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與不摻氣水流不同且更為復(fù)雜，而且有壓內(nèi)流消能工中水流運(yùn)行速度、壓強(qiáng)變化較大，若盲目摻氣可能對(duì)消能設(shè)施帶來以下不利影響：(1)水流摻氣造成水體膨脹，使水深明顯增加，會(huì)影響泄洪水道的安全運(yùn)行，也會(huì)影響泄洪道的泄流能力；(2)在泄洪隧洞中，如果對(duì)摻氣的影響估計(jì)不足，可能產(chǎn)生有壓流與無壓流的交替，從而使水流會(huì)不斷沖擊洞壁，威脅洞身安全；(3)增大水流脈動(dòng)壓力，會(huì)加大建筑物的瞬間荷載，也增加建筑物振動(dòng)的可能性，從而對(duì)建筑物帶來一定破壞作用；由于上述不利影響，水流摻氣鮮有運(yùn)用于有壓消能工程。

因此，在有壓洞塞實(shí)現(xiàn)水流摻氣在洞塞消能工程領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也是本領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在針對(duì)現(xiàn)有有壓洞塞消能工中存在的空化空蝕問題，提供一種可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工，通過向洞塞的水流摻氣，減免空化空蝕的破壞作用。

本發(fā)明的另一目的旨在提供一種上述有壓洞塞消能工摻氣的方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明提供了一種可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工，由位于泄洪洞內(nèi)的洞塞基體和洞塞基體內(nèi)設(shè)置的過流孔組成，所述洞塞基體包括突縮前端和突擴(kuò)后端，所述洞塞基體設(shè)置有至少一個(gè)與大氣相通的通氣井，所述通氣井的軸線垂直于洞塞基體的軸線，且通氣井的軸線與洞塞基體突縮前端之間的距離L為泄洪洞洞徑的1.5～2％。當(dāng)高速水流流經(jīng)洞塞基體突縮前端時(shí)，壓強(qiáng)急劇下降，當(dāng)通氣井處壓強(qiáng)小于大氣壓時(shí)，空氣會(huì)通過通氣井進(jìn)入過流孔，進(jìn)入過流孔的空氣通過壓差作用以及回流區(qū)水流挾帶作用向洞塞基體工作段上游、下游及垂直流向的整個(gè)斷面擴(kuò)散，在近壁區(qū)形成一層摻氣保護(hù)層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)過流孔的水流摻氣，減免突縮前端和突縮后端區(qū)域空蝕破壞。為了滿足泄洪洞水流摻氣要求，可以泄洪洞實(shí)際情況，在洞塞基體上增設(shè)多個(gè)通氣井，多個(gè)通氣井可以在垂直于洞塞軸線的平面內(nèi)均勻分布。

上述可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工，為了減少因管道彎曲而增大的通氣阻力，提高摻氣效率和摻氣可調(diào)節(jié)范圍，應(yīng)盡量使通氣井順直暢通，本發(fā)明中通氣井為圓形通孔。

上述可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工，當(dāng)通氣井內(nèi)的風(fēng)速過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)時(shí)噪音過大，因此一般需要控制通氣井內(nèi)的平均風(fēng)速不大于50m/s，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的控制，一方面可以通過限制通氣井的孔徑，另一方面可以在通氣井上設(shè)置用于控制氣流流速的裝置，例如電動(dòng)閥門，其中通氣井的孔徑一般為泄洪洞洞徑的2～3％。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了上述有壓洞塞消能工的摻氣方法，包括以下步驟：

步驟(A)，判斷泄洪洞內(nèi)水流流速是否高于設(shè)定值且通氣井與洞塞基體內(nèi)設(shè)置的過流孔相貫部位的壓強(qiáng)是否低于大氣壓，若泄洪洞內(nèi)水流流速高于設(shè)定值且通氣井與洞塞基體內(nèi)設(shè)置的過流孔相貫部位的壓強(qiáng)低于大氣壓，則進(jìn)入步驟(B)，否則通氣井維持關(guān)閉狀態(tài)；

步驟(B)，開啟通氣井上的電動(dòng)閥門，并調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的開度使洞塞基體突縮段近壁區(qū)水流摻氣體積濃度為3～5％。

上述有壓洞塞消能工的摻氣方法，所述水流流速設(shè)定值為不小于20m/s。

上述有壓洞塞消能工的摻氣方法，所述洞塞基體突縮段是指過洞塞基體突縮前端和突擴(kuò)后端之間的區(qū)域。

本發(fā)明所述可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工在有壓泄洪洞消能中應(yīng)用，使用時(shí)，將至少一個(gè)可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工設(shè)置在有壓泄洪洞的下平段。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工在有壓洞塞的洞塞基體距離突縮前端1.5～2％泄洪洞洞徑處設(shè)置通氣井，由于通氣井位置壓強(qiáng)小于大氣壓，空氣可以源源不斷通過通氣井進(jìn)入洞塞、擴(kuò)散至洞塞工作段上游、下游以及垂直流向的整個(gè)工作斷面，并形成連續(xù)不斷的摻氣過程，從而減免洞塞突縮前端區(qū)域和突擴(kuò)后端區(qū)域的空蝕破壞。

2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工僅通過在洞塞基體合適位置設(shè)置通氣井就能達(dá)到垂直流向的工作段壁面附近大斷面甚至全斷面摻氣的效果，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摻氣效率高的特點(diǎn)。

3、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工能夠在泄洪洞內(nèi)施工，施工范圍小，無需大規(guī)模挖、填，因而施工方便，施工成本低。

4、本發(fā)明有壓洞塞消能工的摻氣方法，利用洞塞基體自然吸氣的方式實(shí)現(xiàn)水流摻氣，不僅可以減免洞塞可能存在的空化空蝕破壞，而且大大降低了施工、運(yùn)行成本，適于在有壓洞塞消能中推廣使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工的結(jié)構(gòu)圖及與泄洪洞的組合示意圖。

圖2是圖1的A-A剖視圖。

其中，1-泄洪洞，2-洞塞基體，21-突縮前端，22-突擴(kuò)后端，3-通氣井，4-電動(dòng)閥門。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種可實(shí)現(xiàn)摻氣減蝕的有壓洞塞消能工，由位于泄洪洞1內(nèi)下平段的圓柱形洞塞基體2和洞塞基體2內(nèi)設(shè)置的圓形過流孔組成。洞塞基體2包括突縮前端21和突擴(kuò)后端22，洞塞基體2設(shè)置有與大氣相通的通氣井3，通氣井3的軸線垂直于洞塞基體2的軸線，且通氣井3的軸線與洞塞基體2突縮前端21之間的距離L為泄洪洞1洞徑D₀的1.5～2％。

如圖1及圖2所示，通氣井3可以自洞塞基體2頂部向上延伸至泄洪洞1頂部；通氣井3為圓形通孔，以使通道順直暢通，減少因管道彎曲增大的通氣阻力，以提高摻氣效率和摻氣可調(diào)節(jié)范圍；通氣井3的孔徑D₁為泄洪洞1洞徑D₀的2～3％，以保證通氣井3內(nèi)的平均風(fēng)速不大于50m/s；通氣井3上進(jìn)一步設(shè)置有用于調(diào)節(jié)進(jìn)入通氣井3氣流流速的電動(dòng)閥門4，以使通氣量滿足水流摻氣要求。

上述有壓洞塞消能工的摻氣方法包括以下步驟：

步驟(A)，判斷泄洪洞1內(nèi)水流流速是否高于設(shè)定值且通氣井3與洞塞基體2內(nèi)設(shè)置的過流孔相貫部位的壓強(qiáng)是否低于大氣壓，若泄洪洞1內(nèi)水流流速高于設(shè)定值且通氣井3與洞塞基體2內(nèi)設(shè)置的過流孔相貫部位的壓強(qiáng)低于大氣壓，則進(jìn)入步驟(B)，否則通氣井3維持關(guān)閉狀態(tài)；

步驟(B)，開啟通氣井3上的電動(dòng)閥門4，并調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門4的開度使洞塞基體2突縮段近壁區(qū)水流摻氣體積濃度為3～5％。

上述步驟(A)在于判斷是否需要開啟通氣井3，當(dāng)泄洪洞1內(nèi)的水流流速(即泄洪洞1下平段內(nèi)洞塞基體2前方或后方的水流流速)不大于設(shè)定值或者通氣井處壓強(qiáng)不低于大氣壓時(shí)，則說明泄洪洞1存在空化空蝕的風(fēng)險(xiǎn)較小或者無法達(dá)到大氣進(jìn)入要求，不需要開啟通氣井3；當(dāng)通氣井3與洞塞基體2內(nèi)設(shè)置的過流孔相貫部位壓強(qiáng)不低于大氣壓時(shí)，可以通過在通氣井3上設(shè)置增壓泵的方式先將空氣增壓使空氣壓強(qiáng)大于通氣井處壓強(qiáng)，進(jìn)而將空氣引入洞塞基體達(dá)到水流摻氣的目的，這種方式顯然會(huì)大大增加消能工程成本；當(dāng)泄洪洞1內(nèi)的流速大于設(shè)定值時(shí)且通氣井處壓強(qiáng)低于大氣壓時(shí)，則說明泄洪洞1存在空化空蝕的風(fēng)險(xiǎn)較大，需要開啟通氣井3。上述設(shè)定值是指泄洪洞洞塞工作段突縮前端21和突擴(kuò)后端22處發(fā)生空化空蝕危險(xiǎn)的水流速度，該設(shè)定值可以根據(jù)各個(gè)泄洪洞的具體體型、尺寸以及消能工具體工程量等通過多次試驗(yàn)確定，一般認(rèn)為當(dāng)水流當(dāng)水流流速超過20m/s時(shí)，就要考慮因水流流速過大而對(duì)洞塞基體造成的空蝕空化破壞了，因此設(shè)定值不小于20m/s。

上述步驟(B)中，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門4的開度，使洞塞基體2突縮段近壁區(qū)的水流摻氣體積濃度為3～5％，從而減免洞賽突縮和突擴(kuò)區(qū)域的空蝕破壞，洞塞基體2突縮段是指過洞塞基體2突縮前端21和突擴(kuò)后端22之間的區(qū)域。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。