[发明专利]一种高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排气方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排气方法，是一种水工设施，是一种用于大型水利工程的泄洪并在洞内补气消能的设施，是一种用水坝施工中的导流洞改建为泄洪洞的补气消能设施以及消能的方法。

背景技术

将大坝建成后废弃的导流洞改建为旋流泄洪洞的方式已经有公开发表，如中国专利《一种采用旋流及强水气掺混消能的泄洪方法和泄洪洞》（专利号：zl200710163314.3公开日：2008年3月26日）便提出了一种利用废弃的导流洞改建旋流泄洪洞的方法。所述的方法没有提到在高尾水位下旋流在出水洞中水气分离后如何解决空气排出的问题。

尾水位高于出水洞洞顶时，定义为高水位泄洪洞。在通常情形，当洞内明流流速大于30m/s以上时，尾水位比洞顶高2m以下都能将水跃冲出洞外。但是，由于旋流竖井泄洪洞水流经过竖井旋流和环状水跃消能后，在总水头100m下运行时，洞内流速小于25m/s，因此，尾水深略高于洞顶，就不能将水跃冲出洞外，此时洞内出现明满流过渡现象。虽然产生的水跃强度已经削弱，但洞内携带的大量气体形成气囊，水流一离开洞口，气泡迅速上升，在接触水面的瞬间发生气爆现象。

气爆是一种特殊的水击现象。对于有压洞内的气水混合体，在流动过程气泡不断上升飘浮到洞顶，逐渐集聚成大气囊，当气囊出洞口时迅速上升，在接触水面的瞬间破灭，填充原气囊空间的水体产生水击现象，引起水面巨大的波动。这种气爆现象威胁到出口建筑物的安全，是不允许的，必须采取防爆措施。因此，高尾水位泄洪洞必须排除洞内气泡，消除气爆现象。现有的排气设施大致有两种：

一是在泄洪洞进口段设排气室，将空气收集到气室内再集中排除，由于空气室的容积太大对大中型工程不实用。

二是沿出水洞全洞长分布设置排气井，如印度特里泄洪洞，在洞内布置六道以上的排气井，与出水洞顶部总排气洞连通。采用此种排气井布置的缺点是，（1）沿出水洞长间断地出现小气囊游荡现象，出口气爆还没有彻底消除；（2）若排气井通到山顶，则气井很高，并且破坏山上植被，若开挖总排气洞连通气井则工程量较大，施工费用过高，不够经济。因此需要提出一种更加低廉的方法，降低施工费用。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出了一种高尾水位旋流泄洪洞和泄洪洞的排气方法。所述的泄洪洞利用出水洞出口附近设置两道排气井，排出出水洞中气囊中的空气，使出水洞出口气爆现象完全消失。

本发明的目的是这样实现的：一种高尾水位旋流泄洪洞，所述的泄洪洞包括进水口，所述的进水口与引水道连接，所述的引水道与可以产生竖直涡旋水流的竖直圆筒形涡室连接，所述的竖直圆筒形涡室的顶端设置有通气井（如果引水道按有压流设计），所述的竖直圆筒形涡室的底部与竖井的顶端采用收缩段连接，所述的竖井底部与由导流洞改建的出水洞连接，所述的出水洞前段设置形成水垫塘的阻水墩，所述的出水洞的末段设置排气井装置。

一种使用上述泄洪洞的排气方法，所述方法的步骤如下：

水流进入泄洪洞进水口的步骤：用于水流平稳流入泄洪洞的进水口，水流中仅带有小量空气；

水流在泄洪洞引水道中流动的步骤：用于水流在引水道中以有压状态流动；

水流进入涡室并产生旋流水流的步骤：用于水流从涡室的竖直圆筒的切线方向进入竖直圆筒中，并在竖直圆筒中形成绕竖井轴的竖直旋转流，竖直旋流在旋转过程中，从有压流引水道涡室顶上的通气井吸入大量空气；

竖直旋流沿竖井下落的步骤：用于水流在涡室中形成竖直旋流后从涡室底部流入竖井中，所述的竖直旋流在竖井上部形成紧贴竖井井壁的旋流，在竖井中轴线处形成旋流空气腔，在竖井的中、下部产生环形水跃和气、水混合体水垫层阻止了下落的水流冲击竖井的底板，同时进行强力的紊动消能，大量空气以气泡形式保持在水流中，水流在竖井底部为高压和脉动压力水流；

在水垫塘的作用下水流进入出水洞的步骤：用于水流在重力作用下下落至竖井底部，由于在出水洞的进口附近设置了阻水墩，使出水洞的进口段形成水垫塘，水垫塘再次产生强烈的消能作用，并使转弯段出水洞的水流平稳的进入直段的出水洞内；

气泡逐渐析出的步骤：水流在出水洞出口段流动的过程中，水中的气泡逐渐从水中析出，在水面上形成气囊；

集气的步骤：用于在出水洞末段设置集气坎收集气囊中的空气；

排出空气的步骤：用于在集气坎后设置的排气井将气囊中的空气排入大气中，使出水洞中的压力降低；

残余的气囊从出水洞出口排出的步骤：用于在出水口洞顶的破气坎作用下撕开残留的气囊，破坏产生气爆的根源，水流在没有气爆的情况下平稳流入下游。