通气压坎消能工 技术领域
本发明属于水利水电工程中使用的消能设施，特别涉及一种用于有压泄洪洞的消能工。
背景技术
针对大流量、高水头泄洪洞的消能问题，特别是将施工期导流洞改建成永久泄洪洞的消能问题，目前一般采用龙抬头和竖井旋流的型式，前者几乎没有消能，主要是沿程水头损失有一定的消能，出洞后的剩余水头仍然很大，且因洞内流速高需设置掺气减蚀设施，即便如此，在高水头时仍有可能发生空蚀破坏；而后者的竖井主要是将水流旋转导入竖井底部，避免水流直接冲击井底，消力井内水流强烈紊动对消能起主要作用，由于旋流必然将空气大量卷入水体中，下平段应该为明流以便于气体的释放，但实际工程绝大多数导流洞布置高程较低，导流洞出口低于大洪水时的河道水位，若采用竖井旋流则会出现明满流交替的恶劣流态，洞身安全难以保证。
孔板消能工和洞塞消能工都是能安装在泄洪洞内的消能设施，但它们均需很高的水压力提高其水流空化数，通过逐级增加洞塞或孔板实现消能，实践表明，最后一级洞塞或孔板的空化特性难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无空化体型的通气压坎消能工，此种消能工与孔板消能工和洞塞消能工配合使用，可有效改善最后一级洞塞或孔板的空化特性。
本发明所述通气压坎消能工包括与泄洪洞顶壁和两侧壁连接的悬板、与泄洪洞顶壁和两侧壁连接的压坎，压坎位于悬板之后并与悬板围成一通气廊道，通气廊道与泄洪洞所设置的通气井相通，压坎和悬板之间连接有支撑杆，以提高悬板的强度，压坎和悬板底面与泄洪洞底部的间距形成水流通道。由于悬板处形成收缩，因而水流经悬板处形成空腔，高速水流通过通气井源源不断吸入空气混掺到水体中，压坎阻断水流淹没通气井，保证通气效果，压坎壁面的掺气浓度足以使该部位免受空蚀破坏。
构成本发明所述通气压坎消能工的压坎，其底面与泄洪洞底部的间距h和长度L按以下方式确定：h=QBv,]]>式中，Q为设计流量，v为压坎处水流流速，B为泄洪洞的宽度；L以压坎的后壁位于水流形成的空腔之外为限。
构成本发明所述通气压坎消能工的悬板，其厚度没有严格要求，只要在支撑杆的配合下具有不被水流破坏的强度即可，其底部为锐缘，锐缘与泄洪洞底部的间距为0.9h～1.1h，式中，h为压坎底面与泄洪洞底部的间距。
对于较短的有压泄洪洞，例如，压坎后泄洪洞的长度小于5倍洞径，本发明所述通气压坎消能工可以作为一级消能工单独使用，但若泄洪洞较长，则需与孔板消能工或洞塞消能工配合使用。配合使用时，安装在最后一级洞塞消能工或孔板消能工之后。
本发明具有以下有益效果：
1、通气廊道在压坎的配合下形成对水体的强迫掺气，因而水体掺气浓度高，对消能工起到良好的掺气减蚀作用，使该消能工成为无空化体型。
2、由于是无空化体型，因而不受流量大小、工作水头的限制，特别适用于超高水头(200m以上)、大流量(3000m3/s量级)的泄洪洞的消能。
3、能将有压流转换成清晰的无压流，实现洞内流态稳定。
4、与孔板消能工和洞塞消能工配合使用，可有效改善最后一级洞塞或孔板的空化特性。
5、可作为一级消能工，其消能水头可按公式Hf=ξv22g]]>计算消能水头(式中，Hf为消能水头，ξ为消能水头损失系数，ξ＝0.5～1.0，v为压坎处的水流流速)，若下游能承受的流速允许达到较高值，本消能工的消能效果则能达到很高的程度。
附图说明
图1是本发明所述通气压坎消能工的一种结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是图1的C-C剖视图：
图5是“L型消能工+通气压坎消能工无压流”的布置示意图；
图6是“L型消能工+洞塞消能工+通气压坎消能工有压流”的布置示意图。
图中，1-泄洪洞、2-悬板、3-通气廊道、4-通气井、5-支撑杆、6-压坎、7-泄洪洞壁、8-压坎后壁、9-竖井、10-L型消能工、11-洞塞消能工。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的通气压坎消能工，结构如图1、图2、图3、图4所示，包括与泄洪洞顶壁和两侧壁连接的悬板2、与泄洪洞顶壁和两侧壁连接的混凝土压坎6，压坎6位于悬板2之后并与悬板围成一通气廊道3，通气廊道3与泄洪洞所设置的通气井4相通，压坎6和悬板2之间连接有多根支撑杆5，压坎和悬板底面与泄洪洞底部的间距形成水流通道。
将上述结构的通气压坎消能工与L型消能工联合使用，对总水头约150m的泄洪洞明流泄洪，采用“L型消能工+通气压坎消能无压流”的布置型式进行模型试验，如图5所示。具体设计如下：
L型消能工10由两段内径均为6m的混凝土圆筒体相交构成，两圆筒体轴线的夹角α为90°，竖井9的井径8m，泄洪洞1为6m宽、8m高的城门洞，构成L型消能工的一圆筒体接竖井9，另一圆筒体接泄洪洞1，与泄洪洞相接的圆筒体最低点与泄洪洞底部的间距h1为1m。L型消能工内流速约为21m/s，相应的消能水头约为50m。
通气压坎消能工的压坎6处的流速为25m/s，压坎底面与泄洪洞底部的间距h为4m，压坎长度L为8m。悬板2采用平板钢闸门的结构型式，厚度为1m，底部为锐缘，锐缘与泄洪洞底部的间距为4m。通气廊道3的净空(悬板与压坎之间的间距)为1.2m，通气井的井径为2m。经通气压坎消能工后，水流为清晰的明流，洞内水深4m，流速25m/s。
实施例2
本实施例中的通气压坎消能工，结构如图1、图2、图3、图4所示，包括与泄洪洞顶壁和两侧壁连接的悬板2、与泄洪洞顶壁和两侧壁连接的混凝土压坎6，压坎6位于悬板2之后并与悬板围成一通气廊道3，通气廊道3与泄洪洞所设置的通气井4相通，压坎6和悬板2之间连接有多根支撑杆5，压坎和悬板底面与泄洪洞底部的间距形成水流通道。
将上述结构的通气压坎消能工与L型消能工、洞塞消能工联合使用，对总水头约200m的泄洪洞实施有压流泄洪，采用“L型消能工+洞塞消能工+通气压坎消能有压流”的布置型式进行模型试验，如图6所示。具体设计如下：
L型消能工10由两段内径均为12m的混凝土圆筒体相交构成，两圆筒体轴线的夹角α为90°，竖井9的井径16m，泄洪洞1为20m宽、20m高的城门洞，构成L型消能工的一圆筒体接竖井9，另一圆筒体接泄洪洞1，与泄洪洞相接的圆筒体最低点与泄洪洞底部的间距h1为1m。L型消能工内流速约为23m/s，相应的消能水头约为70m。
洞塞消能工11布置了3级，其内径分别为11.2m、12m、14m。在泄洪洞出口布置通气压坎消能工，考虑到出口至下游河道有近100余m的引渠以及河道对岸至泄洪洞出口距离近300m，同时兼顾河道的抗冲能力，压坎6处的流速控制在22m/s左右，泄洪洞的宽度20m，因此，压坎底面与泄洪洞底部的间距(即压坎的过流净高)h=QBv=262020×226m.]]>悬板2采用平板钢闸门结构，厚度为1m，底部为锐缘，锐缘与泄洪洞底部的间距为6m。通气廊道3的净空(悬板与压坎之间的间距)为1m，通气井采用圆洞断面，井径为3.0m。试验表明：通气压坎消能工前各级洞塞消能工的水压力提高近30m水头，消除了洞内各级洞塞消能工的空化，并有一定的安全裕度。