[发明专利]新型掺气设施

说明书

新型掺气设施，涉及水利水电工程领域，尤其是一种有效减轻过流表面的空化、冲蚀问题，且适用于任意水流条件下的新型掺气设施。本发明的新型掺气设施，设置在泄水建筑物过流面受保护段的上游，其特征在于该掺气设施沿水流方向由依次相接的上游挑坎段和掺气槽组成，掺气槽内顺序设置掺气槽上游壁面、掺气槽底板、掺气槽下游连接过渡段壁面，掺气槽两侧侧壁上还设置有补气孔。本发明的新型掺气设施，设计科学合理，与现有掺气设施相比，能显著弥合空腔高度不足致使掺气减蚀效果不理想与挑坎高度过大导致水舌越出边墙高度外溢的冲突，并能减缓出射水流对下游的扰动，维持流态平顺，更重要的是还能有效减轻过流表面的冲蚀、空化问题，保护结构安全。

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，尤其是一种有效减轻过流表面的空化、冲蚀问题，且适用于任意水流条件下的新型掺气设施。

背景技术

近年来，随着我国水利水电建设事业的蓬勃发展，高坝的数量也在持续增加。这些工程的泄水建筑物会因为水流流速高而产生空化空蚀问题，导致泄水建筑物的过流表面发生破坏；影响水流形态，降低过流能力；严重时还会影响泄水建筑物的正常使用，缩短泄水建筑物的使用寿命，危害建筑物泄洪安全。因此，防止空蚀破坏对于高流速泄水建筑物的正常运行至关重要。目前，解决高速水流产生的空蚀破坏问题，最有效的措施是在特定部位设置掺气减蚀设施，常采用的设施主要有以下几种形式：

1）掺气挑坎，即在泄水建筑物过流面修建一个一定坡度的挑坎，把水流挑离过流面，经过一段距离，然后在重力作用下重新回落至壁面，这样就形成掺气空腔，适合于底坡坡度较小的情况；

2）掺气跌坎，即在某一位置处使下游过水边界向下错开一定的距离，由于惯性作用，水流会脱离错开的边界一段距离，然后在重力作用下回落至底板形成掺气空腔。相对掺气挑坎来讲，掺气跌坎对水流的扰动小一些，水舌落水对底板的冲击力也小；但是为了保证足够长的掺气空腔，需要采用较大的跌坎高度；

3）掺气槽，即在泄水建筑物过流面上垂直于水流方向设置一凹槽，通过射流形成空腔，在空腔内布置掺气设施，保证正常通气，达到减蚀效果，适用于泄水道底坡坡度较大的情况；

4）掺气坎槽结合，即在掺气槽的上游侧设置一个小的掺气挑坎，充分利用掺气坎和掺气槽的优点，在各种水流条件下均可形成稳定掺气空腔，结合在空腔内布置的掺气设施，保证正常通气，达到减蚀效果。

当水流具有大单宽流量、低弗劳德数的特点时，第一、二种型式的掺气设施尽管可以使水流挑起来脱离原过流表面，但在落点处与底板冲击会形成一定量的积水，积水过多会造成掺气空腔被封堵，使水流掺气不充分，达不到掺气减蚀的效果，需要防止空腔回水。

第四种掺气坎槽结合型掺气设施成功与否，取决于能否确保各种水流条件下水舌落点能越过槽的下游侧，防止水流冲击到凹槽内，致使空腔积水，以形成稳定的掺气空腔；更重要的是掺气凹槽下游角部相当于水下的凸体，在下泄高速水流冲击下，该部位极易发生冲蚀破坏。一些泄水建筑物的水头运行范围变幅较大，在高水头、流速很大时，水流能够顺利越过凹槽，形成稳定的掺气空腔；而当水头较低、流速较小时，水流水舌挑距较小，水流冲蚀掺气凹槽下游角部易发生冲蚀破坏，此时需要减短掺气槽长度才能满足安全运行要求，但结构按此布置则意味着掺气空腔长度很小，难以满足大流量条件下的掺气减蚀要求。

发明内容

本发明所要解决的就是现有泄水建筑物所采用的掺气减蚀设施难以满足各种运行工况水流条件下掺气减蚀要求，无法保证水流形态与结构安全的问题，提供一种掺气良好，水流平顺，适用于任意水流条件额新型掺气设施。

本发明的新型掺气设施，设置在泄水建筑物过流面受保护段的上游，其特征在于该掺气设施沿水流方向由依次相接的上游挑坎段和掺气槽组成，掺气槽内顺序设置掺气槽上游壁面、掺气槽底板、掺气槽下游连接过渡段壁面，掺气槽两侧侧壁上还设置有补气孔，其中：