本發(fā)明屬于水利消能泄洪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及摻氣消能與防氣爆泄洪裝置及其泄洪方法。

背景技術(shù)：

旋流泄洪洞是由導(dǎo)流洞改建成永久泄洪洞的一種消能工形式。旋流泄洪洞視其旋轉(zhuǎn)水流發(fā)生的位置,可分為豎井旋流消能和水平旋流消能，其原理均利用旋轉(zhuǎn)水流的離心力形成空腔，增大洞壁壓力和水力摩阻，延長(zhǎng)流程，達(dá)到防止空蝕和消能的目的。旋流式豎井泄洪洞一般由引水段、渦室、豎井和出水段四部分組成。這種泄洪洞的突出特點(diǎn)是既具有較大的泄流能力,又具有較高的消能率。由于設(shè)有引水段,它在布置上比較靈活,適應(yīng)地形能力比較強(qiáng)。渦室的作用是使豎井中的水流能夠緊貼井壁旋轉(zhuǎn),在壁面上形成剩余壓力,使水流比較穩(wěn)定,不會(huì)引起其它形式消能中常見(jiàn)的空化空蝕現(xiàn)象，也正由于豎井軸線上的空腔,保證了在小于設(shè)計(jì)流量時(shí)豎井中流態(tài)的穩(wěn)定性,減輕了水流的脈動(dòng)及其引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由于水流旋轉(zhuǎn)作用和貼壁水流層厚度相對(duì)較薄,增加了豎井段的消能率。目前現(xiàn)有旋流豎井消能排氣方案主要有：在泄洪洞前段設(shè)置阻水墩且在末段設(shè)置通氣井裝置；在旋流豎井泄洪洞進(jìn)口設(shè)置折流坎且在出口段設(shè)置集氣坎、通氣井、破氣坎等；采用豎向壓板技術(shù)和多孔平板技術(shù)或洞塞體和通氣孔；用潛水起旋墩阻流消能；在泄洪洞頂設(shè)置一排排氣井，通過(guò)排氣井分流泄洪消能。

如中國(guó)專利申請(qǐng)（授權(quán)公告號(hào)：cn201214781y）公開(kāi)了一種水平旋流消能泄洪洞，該水平旋流消能泄洪洞，該泄洪洞具體包括進(jìn)水口、過(guò)流豎井、起旋室、旋流洞段、水墊塘段、退水洞段等，它利用了導(dǎo)流隧洞而將其改建成永久性的泄洪洞，但是由于它把出氣孔和起旋室連接在一起，沒(méi)有單獨(dú)的集氣室和出氣孔，很容導(dǎo)致旋流攜帶大量氣體沖刷泄洪主洞，損害泄洪洞的使用年限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

（1）要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明為了克服傳統(tǒng)的泄洪洞中消能箱結(jié)構(gòu)單調(diào)，出水口排氣方式狹窄的缺點(diǎn)，為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供摻氣消能與防氣爆泄洪裝置及其泄洪方法，泄洪豎井向排洪支洞的過(guò)渡連接形式采用旋流豎井-豎縫消能箱聯(lián)合消能技術(shù)，排洪支洞與排氣井的連接形式采用集氣室-橫板聯(lián)合排氣技術(shù)，解決了流水到達(dá)排洪支洞時(shí)流態(tài)不穩(wěn)定，氣水不分離，泥土堵塞集氣室的問(wèn)題。

（2）技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，具體包括連接段、通氣孔、渦室、豎井、豎縫、消能箱、排洪支洞、排氣孔、集氣室、橫板、泄洪主洞；所述豎井頂端連通所述渦室，所述渦室頂端設(shè)有所述通氣孔，所述渦室側(cè)面連通所述連接段，所述豎井底部與水平所述消能箱相貫連通，所述豎井底部與水平所述消能箱的銜接處設(shè)有所述豎縫，所述消能箱、排洪支洞、泄洪主洞依次相貫連通，所述排洪支洞沿程垂直連通所述集氣室，所述集氣室頂部連通所述排氣孔，所述橫板水平設(shè)在所述排洪支洞與所述集氣室的銜接處。

所述連接段以傾斜方式與所述渦室連通，與水平所成傾斜角的取值范圍為：10°≤α≤50°，渦室和豎井的連接處采用通道變徑方式，通道從上至下由大變小。

所述豎井底部設(shè)有水墊塘，所述消能箱的寬沿程線性增大到與所述排洪支洞內(nèi)徑一致，頂高程與其后所述排洪支洞齊平，底高程沿程線性減小到與所述排洪支洞內(nèi)徑一致。

所述豎縫為一矩形開(kāi)口，長(zhǎng)寬之比≥6.5。

所述橫板垂直設(shè)置在所述集氣室內(nèi)壁，板底面與所述排洪支洞洞頂齊平。

所述的摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，其泄洪的具體方法是：

a.水流攜帶大量空氣經(jīng)所述連接段成一定角度流入所述渦室；

b.水流在所述渦室導(dǎo)流作用下形成繞所述豎井垂直軸的旋流,旋流中部帶有空腔，通過(guò)所述通氣孔吸收大量空氣，進(jìn)入所述豎井；

c.所述豎井中的旋流到達(dá)所述豎井底部區(qū)間時(shí)，通過(guò)在豎井底部設(shè)置所述豎縫，引導(dǎo)水流由平面旋流狀態(tài)迅速向豎向旋流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，增大局部水頭損失，實(shí)現(xiàn)流速和壓力的重分布，提高了消能率和進(jìn)入隧洞水流的穩(wěn)定性；；

d.水流通過(guò)所述消能箱，進(jìn)入所述排洪支洞，在所述橫板的作用下，充分利用氣體密度與水體密度的差異，將螺旋兩相流水氣分離，有效排除因摻氣消能的不利氣體混入有壓隧洞導(dǎo)致氣爆破壞的風(fēng)險(xiǎn)，空氣從所述排氣孔排出，水流從所述泄洪主洞流出。

（3）有益效果

本發(fā)明的有益效果：

1、水流經(jīng)豎井旋流到達(dá)底部區(qū)間時(shí)，流量由豎縫逐漸分流，當(dāng)旋流到達(dá)水墊塘?xí)r，能量已被大量消散，減輕了水墊塘的消能負(fù)擔(dān)。

2、水流經(jīng)豎縫進(jìn)入消能箱時(shí)，強(qiáng)迫高速水流從豎縫射出，水流經(jīng)豎縫后在消能箱內(nèi)擴(kuò)散拉伸，耗散能量，至排洪支洞進(jìn)口處時(shí)流態(tài)已穩(wěn)定，氣水及時(shí)分離，提高了消能率和穩(wěn)定性。

3、排洪支洞與排氣井的連接形式采用集氣室-橫板聯(lián)合排氣技術(shù)，橫板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，又可防止部分空氣因水流紊動(dòng)由集氣室回落至泄洪主洞帶入下游進(jìn)口，解決了流水到達(dá)排洪支洞時(shí)流態(tài)不穩(wěn)定、氣水不分離、泥土堵塞集氣室的問(wèn)題，有效排除因摻氣消能的不利氣體混入有壓隧洞導(dǎo)致氣爆破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為摻氣消能與防氣爆泄洪裝置主洞縱剖面圖；

圖2為連接段和渦室1-1剖面圖；

圖3為消能箱2-2剖面圖；

圖4為集氣室和橫板3-3剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

實(shí)施例一

本發(fā)明提供摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，如圖（1-4），具體包括連接段101、通氣孔102、渦室103、豎井104、豎縫105、消能箱106、排洪支洞107、排氣孔108）、集氣室109、橫板110、泄洪主洞111；所述豎井104頂端連通所述渦室103，所述渦室103頂端設(shè)有所述通氣孔102，所述渦室103側(cè)面連通所述連接段101，所述豎井104底部與水平所述消能箱106相貫連通，所述豎井104底部與水平所述消能箱106的銜接處設(shè)有所述豎縫105，所述消能箱106、排洪支洞107、泄洪主洞111依次相貫連通，所述排洪支洞107沿程垂直連通所述集氣室109，所述集氣室109頂部連通所述排氣孔108，所述橫板110水平設(shè)在所述排洪支洞107與所述集氣室109的銜接處。

所述連接段101以傾斜方式與所述渦室103連通，與水平所成傾斜角的取值范圍為：10°≤α≤50°，渦室和豎井的連接處采用通道變徑方式，通道從上至下由大變小。

所述消能箱106底部設(shè)有水墊塘112，所述消能箱106的寬沿程線性增大到與所述排洪支洞107內(nèi)徑一致，頂高程與其后所述排洪支洞107齊平，底高程沿程線性減小到與所述排洪支洞107內(nèi)徑一致。

所述豎縫105為一矩形開(kāi)口，長(zhǎng)寬之比≥6.5。

所述橫板110垂直設(shè)置在所述集氣室109內(nèi)壁，板面與所述排洪支洞107中心軸平行。

所述的摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，其泄洪的具體方法是：

a.水流攜帶大量空氣經(jīng)所述連接段101成一定角度流入所述渦室103；

b.水流在所述渦室103導(dǎo)流作用下形成繞所述豎井104垂直軸的旋流,旋流中部帶有空腔，通過(guò)所述通氣孔102吸收大量空氣，進(jìn)入所述豎井104；

c.所述豎井104中的旋流到達(dá)所述豎井104底部區(qū)間時(shí)，通過(guò)在豎井底部設(shè)置所述豎縫105，引導(dǎo)水流由平面旋流狀態(tài)迅速向豎向旋流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，增大局部水頭損失，實(shí)現(xiàn)流速和壓力的重分布，提高了消能率和進(jìn)入隧洞水流的穩(wěn)定性；

d.水流通過(guò)所述消能箱106，進(jìn)入所述排洪支洞107，在所述橫板110的作用下，充分利用氣體密度與水體密度的差異，將螺旋兩相流水氣分離，有效排除因摻氣消能的不利氣體混入有壓隧洞導(dǎo)致氣爆破壞的風(fēng)險(xiǎn)，空氣從所述排氣孔108排出，水流從所述泄洪主洞111流出。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形、改進(jìn)及替代，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。