專利名稱：一種高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排氣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排氣方法，是一種水工設(shè)施，是 一種用于大型水利工程的泄洪并在洞內(nèi)補(bǔ)氣消能的設(shè)施，是一種用水壩施工中的導(dǎo)流洞改 建為泄洪洞的補(bǔ)氣消能設(shè)施以及消能的方法。
背景技術(shù)：
將大壩建成后廢棄的導(dǎo)流洞改建為旋流泄洪洞的方式已經(jīng)有公開發(fā)表，如中國(guó)專 利《一種采用旋流及強(qiáng)水氣摻混消能的泄洪方法和泄洪洞》(專利號(hào)zl200710163314. 3公 開日2008年3月26日)便提出了一種利用廢棄的導(dǎo)流洞改建旋流泄洪洞的方法。所述的 方法沒有提到在高尾水位下旋流在出水洞中水氣分離后如何解決空氣排出的問題。尾水位高于出水洞洞頂時(shí)，定義為高水位泄洪洞。在通常情形，當(dāng)洞內(nèi)明流流速大 于30m/s以上時(shí)，尾水位比洞頂高2m以下都能將水躍沖出洞外。但是，由于旋流豎井泄洪 洞水流經(jīng)過豎井旋流和環(huán)狀水躍消能后，在總水頭IOOm下運(yùn)行時(shí)，洞內(nèi)流速小于25m/s，因 此，尾水深略高于洞頂，就不能將水躍沖出洞外，此時(shí)洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流過渡現(xiàn)象。雖然產(chǎn)生 的水躍強(qiáng)度已經(jīng)削弱，但洞內(nèi)攜帶的大量氣體形成氣囊，水流一離開洞口，氣泡迅速上升， 在接觸水面的瞬間發(fā)生氣爆現(xiàn)象。氣爆是一種特殊的水擊現(xiàn)象。對(duì)于有壓洞內(nèi)的氣水混合體，在流動(dòng)過程氣泡不斷 上升飄浮到洞頂，逐漸集聚成大氣囊，當(dāng)氣囊出洞口時(shí)迅速上升，在接觸水面的瞬間破滅， 填充原氣囊空間的水體產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，引起水面巨大的波動(dòng)。這種氣爆現(xiàn)象威脅到出口建 筑物的安全，是不允許的，必須采取防爆措施。因此，高尾水位泄洪洞必須排除洞內(nèi)氣泡，消 除氣爆現(xiàn)象?，F(xiàn)有的排氣設(shè)施大致有兩種
一是在泄洪洞進(jìn)口段設(shè)排氣室，將空氣收集到氣室內(nèi)再集中排除，由于空氣室的容積 太大對(duì)大中型工程不實(shí)用。二是沿出水洞全洞長(zhǎng)分布設(shè)置排氣井，如印度特里泄洪洞，在洞內(nèi)布置六道以上 的排氣井，與出水洞頂部總排氣洞連通。采用此種排氣井布置的缺點(diǎn)是，(1)沿出水洞長(zhǎng) 間斷地出現(xiàn)小氣囊游蕩現(xiàn)象，出口氣爆還沒有徹底消除；(2)若排氣井通到山頂，則氣井很 高，并且破壞山上植被，若開挖總排氣洞連通氣井則工程量較大，施工費(fèi)用過高，不夠經(jīng)濟(jì)。 因此需要提出一種更加低廉的方法，降低施工費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排氣 方法。所述的泄洪洞利用出水洞出口附近設(shè)置兩道排氣井，排出出水洞中氣囊中的空氣，使 出水洞出口氣爆現(xiàn)象完全消失。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種高尾水位旋流泄洪洞，所述的泄洪洞包括進(jìn)水 口，所述的進(jìn)水口與引水道連接，所述的引水道與可以產(chǎn)生豎直渦旋水流的豎直圓筒形渦 室連接，所述的豎直圓筒形渦室的頂端設(shè)置有通氣井(如果引水道按有壓流設(shè)計(jì))，所述的豎直圓筒形渦室的底部與豎井的頂端采用收縮段連接，所述的豎井底部與由導(dǎo)流洞改建的 出水洞連接，所述的出水洞前段設(shè)置形成水墊塘的阻水墩，所述的出水洞的末段設(shè)置排氣 井裝置。一種使用上述泄洪洞的排氣方法，所述方法的步驟如下
水流進(jìn)入泄洪洞進(jìn)水口的步驟用于水流平穩(wěn)流入泄洪洞的進(jìn)水口，水流中僅帶有小
量空氣；
水流在泄洪洞引水道中流動(dòng)的步驟用于水流在引水道中以有壓狀態(tài)流動(dòng)； 水流進(jìn)入渦室并產(chǎn)生旋流水流的步驟用于水流從渦室的豎直圓筒的切線方向進(jìn)入豎 直圓筒中，并在豎直圓筒中形成繞豎井軸的豎直旋轉(zhuǎn)流，豎直旋流在旋轉(zhuǎn)過程中，從有壓流 引水道渦室頂上的通氣井吸入大量空氣；
豎直旋流沿豎井下落的步驟用于水流在渦室中形成豎直旋流后從渦室底部流入豎井 中，所述的豎直旋流在豎井上部形成緊貼豎井井壁的旋流，在豎井中軸線處形成旋流空氣 腔，在豎井的中、下部產(chǎn)生環(huán)形水躍和氣、水混合體水墊層阻止了下落的水流沖擊豎井的底 板，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)力的紊動(dòng)消能，大量空氣以氣泡形式保持在水流中，水流在豎井底部為高壓 和脈動(dòng)壓力水流；
在水墊塘的作用下水流進(jìn)入出水洞的步驟用于水流在重力作用下下落至豎井底部， 由于在出水洞的進(jìn)口附近設(shè)置了阻水墩，使出水洞的進(jìn)口段形成水墊塘，水墊塘再次產(chǎn)生 強(qiáng)烈的消能作用，并使轉(zhuǎn)彎段出水洞的水流平穩(wěn)的進(jìn)入直段的出水洞內(nèi)；
氣泡逐漸析出的步驟水流在出水洞出口段流動(dòng)的過程中，水中的氣泡逐漸從水中析 出，在水面上形成氣囊；
集氣的步驟用于在出水洞末段設(shè)置集氣坎收集氣囊中的空氣； 排出空氣的步驟用于在集氣坎后設(shè)置的排氣井將氣囊中的空氣排入大氣中，使出水 洞中的壓力降低；
殘余的氣囊從出水洞出口排出的步驟用于在出水口洞頂?shù)钠茪饪沧饔孟滤洪_殘留的 氣囊，破壞產(chǎn)生氣爆的根源，水流在沒有氣爆的情況下平穩(wěn)流入下游。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是利用水壩施工后廢棄的導(dǎo)流洞作為泄洪洞施工量最大 的出水洞，在出水洞前段設(shè)置阻水墩形成水墊塘，使水流在出水洞的流動(dòng)過程中逐漸形成 有壓氣、水分層緩流態(tài)勢(shì)，之后在出水洞頂部形成氣囊。在出水洞的末段設(shè)置通氣井裝置， 使大量空氣通過排氣井裝置排入大氣中，出口氣爆完全消失。由于設(shè)置阻水墩只是在廢 棄的導(dǎo)流洞改建的出水洞中增加簡(jiǎn)單水泥墩，而排氣井裝置設(shè)置在導(dǎo)流洞改建的出水洞末 段，而導(dǎo)流洞的末段通常與山體表明十分接近，所以開挖通氣井的工程量不大，工程費(fèi)用大 大降低。另外，排氣井裝置一般只需要開挖兩個(gè)排氣井，附加的排氣孔建造和施工也很簡(jiǎn) 單，因此，排氣井裝置的工程費(fèi)用也很低。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明實(shí)施例一所述的泄洪洞結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例一所述的泄洪洞阻水墩示意圖，是圖1中的E向視圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例二、三所述的泄洪洞在出水洞頂設(shè)置的排氣井和集氣坎的剖面示意圖，是圖1中B點(diǎn)的放大圖4是本發(fā)明實(shí)施例二、三所述的泄洪洞在出水洞頂設(shè)置的排氣井和集氣坎的示意 圖，是圖1中B點(diǎn)的A向放大圖5是本發(fā)明實(shí)施例九所述的泄洪洞的破氣坎示意圖，是圖1中F點(diǎn)的放大圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例九所述的泄洪洞的破氣坎示意圖，是圖5中G向視圖； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例九所述的泄洪洞的破氣坎示意圖，是圖5中H向視圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
本實(shí)施例是一種高尾水位旋流泄洪洞，如圖1所示。本實(shí)施例所述的泄洪洞包括進(jìn)水 口 1，所述的進(jìn)水口與有壓引水道(在設(shè)計(jì)洪水位以上為有壓流)2連接，所述的有壓引水道 與可以產(chǎn)生豎直渦旋水流的豎直圓筒形渦室4連接，所述的豎直圓筒形渦室的頂端設(shè)置有 通氣井3，所述的豎直圓筒形渦室的底部與豎井5的頂端采用收縮漸變段連接，所述的豎井 底部與由導(dǎo)流洞改建的出水洞9連接，所述的出水洞與豎井連接的進(jìn)口附近，也就是出水 洞前段，設(shè)置構(gòu)成水墊塘7的阻水墩8，所述的出水洞在出口 15附近設(shè)置，也就是出水洞的 末段，設(shè)置排氣井裝置11、12。本實(shí)施例利用了在施工后廢棄的導(dǎo)流洞。原導(dǎo)流洞是穿越山體10的隧洞，將上游 的水引導(dǎo)至下游，以便水壩施工，水壩完成后即廢棄。為便于施工原導(dǎo)流洞的斷面形狀為城 門洞形，即上半部為圓弧形，下半部為矩形，如圖2所示。本實(shí)施例在上游的高水位處設(shè)置 進(jìn)水口，并設(shè)置進(jìn)水口與渦室連接的引水道。引水道的出口設(shè)置在豎直圓筒形渦室的一側(cè)， 使水流可以沿圓筒的切線方向進(jìn)入圓筒，以此產(chǎn)生非對(duì)稱形渦流。因水庫在高水位時(shí)引水 道中的水流是有壓流動(dòng)，因此，豎直圓筒的渦室頂部設(shè)置通氣井，以便水流在渦室中旋流時(shí) 可以吸入大量空氣。以保持豎井形成穩(wěn)定的帶有空腔的旋轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)和避免豎井出現(xiàn)負(fù)壓。 渦室的底部與豎井采用收縮段相連。豎井與導(dǎo)流洞連接，并使用混凝土塞6將導(dǎo)流洞上游 多余的部分隔開并廢棄，留下游部分作為泄洪洞的出水洞。為了增加消能作用，在豎井底部 連接的出水洞前段設(shè)置水墊塘。水墊塘由設(shè)置在出水洞前段的阻水墩形成的。阻水墩是由 兩側(cè)壁的邊墩和中間洞底的中墩組合而成，橫截面均為三角形鋼筋混凝土墩，如圖2所示， 使豎井底部至阻水墩之間的一段出水洞保持一定的壓力，構(gòu)成水墊塘。出水洞末段設(shè)置排氣井裝置。排氣井裝置包括按照水流的方向順序排列的兩個(gè)一 前一后的排氣井。排氣井的進(jìn)口設(shè)置在出水洞的頂部，空氣最容易聚集的位置。為使空氣 順暢的流入排氣井，可以在排氣井進(jìn)口處水流方向的上游設(shè)置類似于壓板的集氣坎14。排 氣井的進(jìn)口可以設(shè)置為喇叭形，在喇叭口上設(shè)置具有均勻進(jìn)氣孔的蓋，更好的實(shí)現(xiàn)水和空 氣的分離。在出水洞的出口設(shè)置破氣坎13。破氣坎為設(shè)置在出口洞頂?shù)娜切螇喊?中間 埋設(shè)有順?biāo)鞣较虻拇怪苯饘侔?。實(shí)施例二
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于排氣井裝置的細(xì)化，如圖2、3所示。本實(shí) 施例所述的兩個(gè)排氣井按水流方向排列為第一排氣井和第二排氣井，所述的第二排氣井的 中心距到出水洞出水口的距離為1.4倍的豎井直徑，所述的第二排氣井的中心距到第一排 氣井的中心距的距離為1. 6倍的豎井直徑，所述的第一排氣井和第二排氣井的直徑為0. 15倍的豎井直徑。本實(shí)施例在出水洞末段洞頂設(shè)兩道排氣井，排氣井距出水洞的出口 1. 4D (D 一豎 井直徑)，兩道排氣井的間距1. 6D。研究指出，當(dāng)出口尾水深度/洞高> 1. 5 (或洞頂淹沒 水深/洞高> 1. 5)時(shí)，由于尾水位在洞頂埋深很高，出水洞的洞內(nèi)水壓力很大，這時(shí)洞內(nèi)流 態(tài)完全發(fā)生變化，除出水洞的進(jìn)、出口一小段為滿流外，全洞為穩(wěn)定的有壓氣水分層緩流流 態(tài)(洞內(nèi)清水層平均流速小于lOm/s)，出水洞沿程壓力分布均勻，通過排氣裝置完全消除了 出口的氣爆現(xiàn)象。實(shí)施例三
本實(shí)施例是實(shí)施例二的改進(jìn)，是實(shí)施例二關(guān)于排氣井裝置的細(xì)化，如圖2、3所示。本實(shí) 施例所述的第一排氣井與出水洞的頂部連接處的進(jìn)氣口的上游設(shè)有集氣坎，所述的集氣坎 在洞頂?shù)目v向剖面為直角三角形，所述直角三角形的長(zhǎng)直角邊緊貼水洞頂部，所述直角三 角形的斜邊為迎水面，所述直角三角形的短直角邊為背水面，所述集氣坎的水平投影為頂 角為圓弧的等腰三角形，所述等腰三角形的底邊為背水面，所述等腰三角形的圓弧頂角為 迎水面。本實(shí)施例在緊靠第一道排氣井的孔口上游端設(shè)集氣坎，利用氣泡上升速度快的原 理，將大量氣泡收集到排氣井里；第二道排氣井繼續(xù)排除剩余的氣體。實(shí)施例四
本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)，是實(shí)施例三所述集氣坎的細(xì)化如圖3所示。本實(shí)施例所 述的集氣坎的縱向中心剖面的直角三角形的長(zhǎng)直角邊為0.4倍的豎井直徑，所述直角三角 形的短直角邊為0. 3倍的豎井直徑，三角形的短直角邊到排氣井井口的距離為0. 06倍的豎
井直徑。由于，集氣坎是設(shè)置在出水洞的頂端，出水洞的頂端為圓弧形，因此設(shè)置出水洞頂 端的集氣坎的水平投影的等腰三角形的頂尖成為曲線形如圖4所示。實(shí)施例五
本實(shí)施例是實(shí)施二的改進(jìn)，是實(shí)施例二關(guān)于第一排氣井的細(xì)化，如圖3、4所示。本實(shí)施 例所述的第一排氣井與出水洞頂端的連接處的進(jìn)口為喇叭形111，喇叭口的大端設(shè)有端蓋 112，所述的端蓋上均勻分布多個(gè)排氣孔113。眾所周知，通氣孔若輸送單一空氣介質(zhì)，孔口越大輸氣量越多。而此處的排氣孔要 排除有壓泄洪洞中浮在水上的氣泡和氣囊，因此只有排氣井底部采用小孔才能達(dá)到排氣的 目的，避免攜帶大量的水噴出井外。本實(shí)施例就是按照這一種原理設(shè)計(jì)的，若采用和排氣井 同樣大直徑的排氣孔，則會(huì)將大量的水排除，降低排氣效果，并且井內(nèi)水面產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩 和出現(xiàn)井噴現(xiàn)象。實(shí)施例六
本實(shí)施例是實(shí)施例五的改進(jìn)，是實(shí)施例五關(guān)于第一排氣井的細(xì)化，如圖3、4所示。本實(shí) 施例所述的第一排氣井的喇叭口的大端直徑為0. 4倍的豎井直徑，所述端蓋的厚度為0. 1 倍的豎井直徑，端蓋上設(shè)置五個(gè)縱切面為腰型的排氣孔，排氣孔的最細(xì)部直徑為0. 04倍豎 井直徑。實(shí)施例七
本實(shí)施例是實(shí)施例二的改進(jìn)，是實(shí)施例二關(guān)于第二排氣井的細(xì)化，如圖2、3所示。本實(shí)施例所述的第二排氣井與出水洞頂端的連接處的進(jìn)口為喇叭形，喇叭口的大端設(shè)有端蓋 121，所述的端蓋設(shè)置至少一個(gè)直徑小于第二排氣井直徑的排氣孔122。實(shí)施例八
本實(shí)施例是實(shí)施例七的改進(jìn)，是實(shí)施例關(guān)于第二排氣井的細(xì)化，如圖3、4所示。本實(shí) 施例所述的第二排氣井的喇叭口的端蓋厚度為0. 05倍的豎井直徑，端蓋上設(shè)置一個(gè)縱切 面為腰型的排氣孔，所述排氣孔的大端直徑為0. 12倍的豎井直徑，腰型最細(xì)部位的直徑為 0. 05倍的豎井直徑。實(shí)施例九
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于出水口的改進(jìn)，如圖1、5所示。本實(shí) 施例所述的出水洞的出水口處的頂端設(shè)置破氣坎，所述的破氣坎的縱向中心剖面為直角三 角形，所述直角三角形的長(zhǎng)直角邊緊貼水洞頂部，所述直角三角形的斜邊為迎水面，所述直 角三角形的短直角邊為背水面，所述破氣坎的水平投影為頂角為等腰三角形，所述等腰三 角形的底邊為背水面，所述等腰三角形的頂角為迎水面。直角三角形的長(zhǎng)直角邊為0. 5倍 的豎井直徑，直角三角形的短直角邊為0.4倍的豎井直徑。破氣坎的水平投影的等腰三角 形的底邊為0.5倍的豎井直徑。本實(shí)施例在出水洞的出口頂部設(shè)置破氣坎，將殘余的氣囊破壞。因?yàn)椴捎脙傻阑?多道排氣井并不能完全排出洞內(nèi)的空氣，尚有殘余的氣泡集聚在出口段形成氣囊，瞬間移 出洞外產(chǎn)生氣爆現(xiàn)象，雖然此時(shí)氣爆的強(qiáng)度已經(jīng)減弱，但也不希望發(fā)生，因此利用破氣坎可 將殘余的氣囊撕開，破壞發(fā)生氣爆的條件，就能完全消除氣爆現(xiàn)象。為使破氣效果更好，可以在三角墩121中心增加一塊三角形金屬板122，如圖5、6、 7所示，金屬板的厚度為0. 015米。實(shí)施例十
本實(shí)施例一種使用上述實(shí)施例所述泄洪洞的排氣方法，所述方法的步驟如下 水流進(jìn)入泄洪洞進(jìn)水口的步驟用于水流平穩(wěn)流入泄洪洞的進(jìn)水口，水流中僅帶有小 量空氣。在有壓流的引水道基本上不帶有空氣而在無壓流的引水道水流中帶有空氣。本實(shí) 施例主要指的是在高庫水位時(shí)引水道在有壓的工況下。水流在泄洪洞引水道中流動(dòng)的步驟用于水流在引水道中以有壓狀態(tài)流動(dòng)。如果 在低庫水位的工況下則引水道中的水流為無壓流動(dòng)。水流進(jìn)入渦室并產(chǎn)生旋流水流的步驟用于水流從渦室的豎直圓筒的切線方向進(jìn) 入豎直圓筒中，并在豎直圓筒中形成繞豎井軸的豎直旋流，豎直旋流在旋轉(zhuǎn)過程中從有壓 流引水道渦室頂上的通氣井吸入大量空氣。如果在低庫水位的工況下，由于引水道為無壓 流，則從無壓流引水道的洞頂空間供氣。豎直旋流沿豎井下落的步驟用于水流在渦室中形成豎直旋流后從渦室底部流入 豎井中，所述的豎直旋流在豎井上部形成緊貼豎井井壁的旋流，在豎井中軸線處形成旋流 空氣腔，在豎井的中、下部產(chǎn)生環(huán)形水躍和氣、水混合體墊層阻止了下落的水流沖擊豎井的 底板，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)力的紊動(dòng)消能，大量空氣以氣泡形式保持在水流中，水流在豎井底部為高 壓和脈動(dòng)壓力水流。在水墊塘的作用下水流進(jìn)入出水洞的步驟用于水流在重力作用下下落至豎井 底部，由于在出水洞的進(jìn)口附近設(shè)置了阻水墩，使出水洞的進(jìn)口段形成水墊塘，即壓力消能工，水墊塘再次產(chǎn)生強(qiáng)烈的消能作用，并使轉(zhuǎn)彎段出水洞的水流平穩(wěn)的進(jìn)入直段的出水洞 內(nèi)。使豎井底部至阻水墩這段洞內(nèi)構(gòu)成壓力水墊塘，摻氣水流在水墊塘內(nèi)又進(jìn)行一次強(qiáng)烈 紊動(dòng)的消能作用，并使水流從彎洞段平穩(wěn)的過渡到直洞段，使下游出水洞形成有壓氣、水分 層緩流態(tài)勢(shì)。氣泡逐漸析出的步驟水流在出水洞出口段流動(dòng)的過程中，水中的氣泡逐漸從水 中析出，在水面上形成氣囊。集氣的步驟用于在出水洞末段設(shè)置集氣坎收集氣囊中的空氣；
排出空氣的步驟用于在集氣坎后設(shè)置的排氣井將氣囊中的空氣排入大氣中，使出水 洞中的壓力降低，產(chǎn)生消能作用；
殘余的氣囊從出水洞出口排出的步驟用于在出水口洞頂?shù)钠茪饪沧饔孟滤洪_殘留的 氣囊，破壞產(chǎn)生氣爆的根源，水流攜帶分散的氣泡離開洞口，在沒有氣爆的情況下平穩(wěn)流入 下游河道。本實(shí)施例在出水洞下游出口段設(shè)置兩道排氣井。其作用是使出水洞全長(zhǎng)形成有 壓氣、水分層緩流態(tài)勢(shì)，洞內(nèi)流速降到lOm/s以下，而出水洞末段為有壓氣水混合流，氣泡 聚集在洞頂變成移動(dòng)的氣囊，氣泡被排氣井專門的裝置搜集逐漸排出。水氣分離的過程是 水流在出水洞的前段形成有壓氣水分層緩流態(tài)勢(shì)，水流在出水洞出口段流動(dòng)的過程中，水 中的氣泡逐漸從水中析出，在水面上形成氣囊，成為帶有氣泡和氣囊的滿流流態(tài)(洞內(nèi)壓力 降低)，氣泡和氣囊漂浮在洞頂，從排氣井逐漸排出。最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布 置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù) 方案(比如排氣井的外形、大小、安排等)進(jìn)行修改者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 精神和范圍。
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權(quán)利要求
一種高尾水位旋流泄洪洞，所述的泄洪洞包括進(jìn)水口，所述的進(jìn)水口與引水道連接，所述的引水道與可以產(chǎn)生豎直渦旋水流的豎直圓筒形渦室連接，所述的豎直圓筒形渦室的頂端設(shè)置有通氣井，所述的豎直圓筒形渦室的底部與豎井的頂端采用收縮段連接，所述的豎井底部與由導(dǎo)流洞改建的出水洞連接，其特征在于，所述的出水洞前段設(shè)置形成水墊塘的阻水墩，所述的出水洞的末段設(shè)置排氣井裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪洞，其特征在于，所述的排氣井裝置包括兩個(gè)按水流方 向排列的第一排氣井和第二排氣井，所述的第二排氣井的中心距到出水洞出水口的距離為 1. 4倍的豎井直徑，所述的第二排氣井的中心距到第一排氣井的中心距的距離為1. 6倍的 豎井直徑，所述的第一排氣井和第二排氣井的直徑為0. 15倍的豎井直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第一排氣井與出水洞的頂部連 接處的進(jìn)氣口的上游設(shè)有集氣坎，所述的集氣坎的縱向中心剖面為直角三角形，所述直角 三角形的長(zhǎng)直角邊緊貼水洞頂部，所述直角三角形的斜邊為迎水面，所述直角三角形的短 直角邊為背水面，所述集氣坎的水平投影為頂角為圓弧的等腰三角形，所述等腰三角形的 底邊為背水面，所述等腰三角形的圓弧頂角為迎水面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泄洪洞，其特征在于，所述的集氣坎的縱向中心剖面的直角 三角形的長(zhǎng)直角邊為0. 4倍的豎井直徑，所述直角三角形的短直角邊為0. 3倍的豎井直徑， 三角形的短直角邊到排氣井井口的距離為0. 06倍的豎井直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第一排氣井與出水洞頂端的連 接處的進(jìn)口為喇叭形，喇叭口的大端設(shè)有端蓋，所述的端蓋上均勻分布多個(gè)排氣孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第一排氣井的喇叭口的大端直 徑為0. 4倍的豎井直徑，所述端蓋的厚度為0. 1倍的豎井直徑，端蓋上設(shè)置五個(gè)縱切面為腰 型的排氣孔，排氣孔的腰型最細(xì)部直徑為0. 04倍豎井直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第二排氣井與出水洞頂端的連 接處的進(jìn)口為喇叭形，喇叭口的大端設(shè)有端蓋，所述的端蓋設(shè)置至少一個(gè)直徑小于第二排 氣井直徑的排氣孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第二排氣井的喇叭口的端蓋厚 度為0. 05倍的豎井直徑，端蓋上設(shè)置一個(gè)縱切面為腰型的排氣孔，所述排氣孔的大端直徑 為0. 12倍的豎井直徑，腰型最細(xì)部位的直徑為0. 05倍的豎井直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的泄洪洞，其特征在于，所述的出水洞的出水口處的頂 端設(shè)置破氣坎，所述的破氣坎的縱向中心剖面為直角三角形，所述直角三角形的長(zhǎng)直角邊 緊貼水洞頂部，所述直角三角形的斜邊為迎水面，所述直角三角形的短直角邊為背水面，所 述集氣坎的水平投影為頂角為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊為背水面，所述等腰三 角形的頂角為迎水面。
10.一種使用權(quán)利要求9所述泄洪洞的排氣方法，所述方法的步驟如下水流進(jìn)入泄洪洞進(jìn)水口的步驟用于水流平穩(wěn)流入泄洪洞的進(jìn)水口，水流中僅帶有小 量空氣；水流在泄洪洞引水道中流動(dòng)的步驟用于水流在引水道中以有壓狀態(tài)流動(dòng)；水流進(jìn)入渦室并產(chǎn)生旋流水流的步驟用于水流從渦室的豎直圓筒的切線方向進(jìn)入豎 直圓筒中，并在豎直圓筒中形成繞豎井軸的豎直旋轉(zhuǎn)流，豎直旋流在旋轉(zhuǎn)過程中，從有壓流引水道渦室頂上的通氣井吸入大量空氣；豎直旋流沿豎井下落的步驟用于水流在渦室中形成豎直旋流后從渦室底部流入豎井 中，所述的豎直旋流在豎井上部形成緊貼豎井井壁的旋流，在豎井中軸線處形成旋流空氣 腔，在豎井的中、下部產(chǎn)生環(huán)形水躍和氣、水混合體水墊層阻止了下落的水流沖擊豎井的底 板，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)力的紊動(dòng)消能，大量空氣以氣泡形式保持在水流中，水流在豎井底部為高壓 和脈動(dòng)壓力水流； 其特征在于在水墊塘的作用下水流進(jìn)入出水洞的步驟用于水流在重力作用下下落至豎井底部， 由于在出水洞的進(jìn)口附近設(shè)置了阻水墩，使出水洞的進(jìn)口段形成水墊塘，水墊塘再次產(chǎn)生 強(qiáng)烈的消能作用，并使轉(zhuǎn)彎段出水洞的水流平穩(wěn)的進(jìn)入直段的出水洞內(nèi)；氣泡逐漸析出的步驟水流在出水洞出口段流動(dòng)的過程中，水中的氣泡逐漸從水中析 出，在水面上形成氣囊；集氣的步驟用于在出水洞末段設(shè)置集氣坎收集氣囊中的空氣； 排出空氣的步驟用于在集氣坎后設(shè)置的排氣井將氣囊中的空氣排入大氣中，使出水 洞中的壓力降低；殘余的氣囊從出水洞出口排出的步驟用于在出水口洞頂?shù)钠茪饪沧饔孟滤洪_殘留的 氣囊，破壞產(chǎn)生氣爆的根源，水流在沒有氣爆的情況下平穩(wěn)流入下游。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排氣方法，本發(fā)明包括進(jìn)水口，進(jìn)水口與引水道連接，引水道與可以產(chǎn)生豎直渦旋水流的豎直圓筒形渦室連接，豎直圓筒形渦室的頂端設(shè)置有通氣井，豎直圓筒形渦室的底部與豎井的頂端采用收縮段連接，豎井底部與由導(dǎo)流洞改建的出水洞連接，出水洞前段設(shè)置形成水墊塘的阻水墩，出水洞的末段設(shè)置排氣井裝置。本發(fā)明利用出水洞前段設(shè)置阻水墩形成水墊塘，使水流逐漸形成有壓氣、水分層緩流態(tài)勢(shì)，之后在出水洞頂部形成氣囊。在出水洞的末段設(shè)置通氣井裝置，使大量空氣通過排氣井裝置排入大氣中，出口氣爆完全消失。
文檔編號(hào)E02B8/06GK101881019SQ20101023978
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者余閩敏, 楊開林, 王濤, 董興林, 郭永鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院