分散通氣式摻氣設(shè)施

戴曉兵 ，李延農(nóng)

（1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410014；2.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 引 言

對于高水頭泄水建筑物而言，當(dāng)設(shè)計(jì)體形不合理或施工不平整度過大時，常常會產(chǎn)生水流的邊界分離，形成空化水流，造成溢流面或邊墻的空蝕破壞。在工程實(shí)踐中常常在泄水建筑物上設(shè)置摻氣設(shè)施，強(qiáng)迫水流摻氣，以減小空蝕破壞。

目前我國較常用的是溢流面摻氣設(shè)施，構(gòu)成其體形的基本單元為挑坎、跌坎、凹槽和通氣孔。相關(guān)研究大多局限于挑坎、跌坎、凹槽，尤其對挑坎的體形進(jìn)行了大量的研究，并由此組合出各種頗具創(chuàng)意的形式[1-8]。但是對于通氣孔則較少關(guān)注和研究，一般情況通氣孔是在側(cè)面底部開設(shè)孔口，孔口與側(cè)墻內(nèi)的通氣管道連通，空氣從孔口處集中向摻氣空腔內(nèi)補(bǔ)氣，從而滿足通氣量的要求。

試驗(yàn)研究表明，在緩坡泄槽上設(shè)置摻氣設(shè)施時，由于短距離內(nèi)難以獲得足夠的垂直坎高，通氣孔孔口尺寸 （通氣量）受到限制；水流形成的摻氣空腔尺度非常有限；當(dāng)摻氣水舌與泄槽底板的沖擊角過大時，空腔回水往往難以避免。針對這些問題，筆者通過試驗(yàn)研究提出了分散通氣式摻氣坎，并獲得了國家知識產(chǎn)權(quán)局的發(fā)明專利授權(quán)[9-10]；此外，針對目前側(cè)壁摻氣設(shè)施的基本體形存在的不足，提出了分散通氣式側(cè)壁摻氣槽。

1 分散通氣式摻氣坎

根據(jù)通氣管道的布置形式將分散通氣式摻氣坎（簡稱 “分散摻氣坎”）劃分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種基本體形，具體結(jié)構(gòu)如下。

1.1 Ⅰ型分散摻氣坎

Ⅰ型分散摻氣坎 （有共同主管的分散通氣管道）結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括共同的主通氣管道和多根分散通氣管道，位于摻氣坎上游側(cè)。主通氣管道由垂直方向和水平方向兩部分組成，垂直向上的一端（進(jìn)氣端）連通至側(cè)墻頂部 （與大氣連通）。分散通氣管道的一端與主通氣管道連通，另一端 （出氣端）與摻氣坎的下游立面連通，并沿?fù)綒饪矙M向分布。分散通氣管道可水平布置，也可布置為傾向下游的緩坡，其中至少1條管道的一端連接在主通氣管道的底部，兼作排水管道。

1.2 Ⅱ型分散摻氣坎

Ⅱ型分散摻氣坎 （各自獨(dú)立的分散通氣管道）結(jié)構(gòu)如圖2所示，在摻氣坎內(nèi)設(shè)置有多根各自獨(dú)立的分散通氣管道，位于摻氣坎上游側(cè)。每根通氣管道的一端 （進(jìn)氣端）連通至側(cè)墻頂部 （與大氣連通），另一端 （出氣端）與摻氣坎的下游立面連通，并沿?fù)綒饪矙M向分布。分散通氣管道可水平布置，也可布置為傾向下游的緩坡。

1.3 分散摻氣坎的特點(diǎn)

分散摻氣坎有如下優(yōu)點(diǎn):

（1）摻氣設(shè)施由側(cè)面底部集中通氣方式轉(zhuǎn)變?yōu)閾綒庠O(shè)施內(nèi)部分散通氣方式，卷吸的空氣沿?fù)綒饪矙M向分布，使得水舌能夠均勻摻氣。

（2）當(dāng)遇緩坡泄槽，由于難以獲得足夠大的垂直高度，側(cè)面底部集中通氣孔孔口尺寸 （通氣量）受到一定限制。采用分散通氣，可通過調(diào)整分散通氣管道的斷面尺寸和數(shù)量，最大限度地滿足通氣量的要求。

（3）對摻氣坎的垂直高度基本無要求，可以有效地減小摻氣坎挑角，使得摻氣水舌與泄槽底板的沖擊角達(dá)到最小，從而降低空腔回水的風(fēng)險。

（4）無需設(shè)置專門的排水廊道。

（5）分散摻氣坎尤其適用于寬泄槽、大通氣量的泄水建筑物；適用于泄水建筑物緩坡段的摻氣。

圖1 Ⅰ型分散摻氣坎

圖2 Ⅱ型分散摻氣坎

另外，相對而言，Ⅱ型分散摻氣坎比Ⅰ型分散摻氣坎有更多的優(yōu)點(diǎn):

（1）通氣管道布置更為靈活，其進(jìn)氣端可連通至側(cè)墻、中隔墻、頂拱，甚至泄槽末端，只要連通至大氣即可。

（2）管道各自獨(dú)立，互不干擾，斷面尺寸和數(shù)量均有更多調(diào)整余地以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）管道的斷面尺寸可調(diào)整空間大，能適應(yīng)厚度較小的混凝土結(jié)構(gòu)，避免了較大尺度的單一主通氣管道對結(jié)構(gòu)的影響。

（4）摻氣坎處的混凝土結(jié)構(gòu)無需特別加強(qiáng)，無需作專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本更低。

（5）布置極為靈活，無論是進(jìn)氣端，還是出氣端可以任意調(diào)整角度和方向，適應(yīng)復(fù)雜的建筑物壁面條件。當(dāng)分散通氣管道獨(dú)立使用時，可用于墩、柱、側(cè)墻、岔管以及有壓管道低壓區(qū)域的水體內(nèi)部摻氣。

2 分散通氣式側(cè)壁摻氣槽

目前，側(cè)壁摻氣設(shè)施的基本體形有突擴(kuò)形式、折流器形式、矩形門槽形式等。側(cè)壁摻氣的通氣方式多為外部開敞式通氣，即利用側(cè)壁突擴(kuò)、折流器或矩形門槽形成的外部開敞空腔向水流通氣。對于突擴(kuò)形式而言，擴(kuò)散水流沖擊側(cè)壁，容易造成水面爬高；對于折流器形式而言，收縮水流易形成沖擊波，激起水冠，對洞式泄水建筑物的頂拱不利；對于矩形門槽形式而言，門槽空腔面積不足往往會造成空腔封閉或供氣不充分。針對上述存在的問題，可以將分散通氣管道應(yīng)用于側(cè)壁摻氣，從而構(gòu)成一種外部開敞式通氣與內(nèi)部分散式通氣相結(jié)合的側(cè)壁摻氣設(shè)施。

分散通氣式側(cè)壁摻氣槽包括摻氣槽、主通氣管和多根分散通氣管。摻氣槽由側(cè)壁壁面局部凹縮形成，呈淺門槽形式。側(cè)壁內(nèi)部設(shè)有主通氣管，主通氣管上端與大氣連通，下端延伸至泄水建筑物底板高程。分散通氣管水平設(shè)置，一端與主通氣管連通，另一端與摻氣槽側(cè)壁連通。分散通氣管按不同的高程布置，其中至少有1條連接在主通氣管的底部，兼作排水管道，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。 摻氣槽、主通氣管、分散通氣管的尺寸、體形根據(jù)工程實(shí)際情況確定。

圖3 分散通氣式側(cè)壁摻氣槽

3 結(jié) 語

（1）分散通氣式摻氣坎具有多根獨(dú)立的分散通氣管道，分散通氣管道沿?fù)綒饪矙M向分布，通氣方式由傳統(tǒng)摻氣設(shè)施的側(cè)面底部集中通氣方式轉(zhuǎn)變?yōu)閾綒庠O(shè)施內(nèi)部的分散通氣方式，卷吸的空氣沿?fù)綒饪矙M向分布，使得水舌能夠均勻摻氣；可以最大限度地滿足通氣量的要求；且對摻氣坎的垂直高度基本無要求，可以有效地減小摻氣坎挑角，使得摻氣水舌與泄槽底板的沖擊角最小，從而降低空腔回水的風(fēng)險。對于不同的工程，需要根據(jù)工程實(shí)際情況和水力條件，對分散通氣管道的體形、數(shù)量以及分散通氣管道之間的間距等進(jìn)行專門研究。分散摻氣坎體形簡單，通氣管道可采用鋼管或預(yù)制混凝土管，摻氣坎處的混凝土結(jié)構(gòu)無需特別加強(qiáng)，施工方便，是一種值得推廣應(yīng)用的摻氣坎體形。

（2）分散通氣式側(cè)壁摻氣槽是將分散通氣管道應(yīng)用于側(cè)壁摻氣，從而構(gòu)成一種外部開敞式通氣與內(nèi)部分散式通氣相結(jié)合的側(cè)壁摻氣設(shè)施，適合于高速水流泄水建筑物的側(cè)壁摻氣。

［1］李延農(nóng)，王怡.解決大流量、小底坡、泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問題的一種辦法［M］//水利水電泄水工程與高速水流信息網(wǎng)編.泄水工程與高速水流.長春:吉林人民出版社，2004:28-30.

［2］龐昌俊，苑麗珍.大型 “龍?zhí)ь^”明流泄洪洞小底坡?lián)綒鉁p蝕設(shè)施的選型研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1993（6）:61-66.

［3］王海云，戴光清，楊永全，等.明流泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電，2003（11）:54-56.

［4］劉超，楊永全.泄洪洞反弧末端摻氣減蝕研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2004（5）:376-382.

［5］孫雙科，楊家衛(wèi)，柳海濤.緩坡條件下?lián)綒鉁p蝕設(shè)施的體型研究［J］.水利水電技術(shù)，2004（11）:26-29.

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［7］張立恒，許唯臨.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問題的試驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006（15）:164-165.

［8］時啟燧.高速水氣兩相流 ［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［9］戴曉兵，李延農(nóng).一種用于摻氣的分散通氣式摻氣坎:中國，200910043521.4［P］.2010-09-01.

［10］戴曉兵，李延農(nóng).一種分散通氣式摻氣坎:中國，200910043520.X［P］.2010-08-04.