一种高速水流隧洞的补气系统及其通气量控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种高速水流隧洞的补气系统及通气量控制方法。补气系统包括水体掺气减蚀补气设施及对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施，水体掺气减蚀补气设施与对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施互相隔离，分别通过各自专门的补气洞或补气井与外界大气连通；被高速水流拖曳带走空气的补气设施的洞顶补气通道的断面面积Ac＝(18％～33％)·Qw/Vc，若洞顶补气通道的风速Vc大于阈值，易导致闸门和结构振动及有害啸叫，则调整洞顶补气通道的断面面积Ac使之风速小于阈值。本发明专利技术能保证高速水流隧洞的水体掺气减蚀效果和有效防止闸门和结构振动及有害啸叫。

A Gas Supplementary System for High-Speed Flow Tunnel and Its Ventilation Control Method

The invention provides an air supply system and a ventilation control method for a high-speed water flow tunnel. The aeration system includes water aeration, erosion reduction and air supplement facilities and air supplement facilities towed away by high-speed water flow, water aeration, erosion reduction and air supplement facilities and air supplement facilities towed away by high-speed water flow, which are separated from each other and communicated with the outside atmosphere through their respective special air supplement holes or air supplement wells, and air supplement facilities towed away by high-speed water flow. The cross-section area of the tunnel is Ac=(18%-33%) Qw/Vc. If the wind speed Vc of the top air-supply passage is larger than the threshold value, it is easy to cause gate and structure vibration and harmful scream, then adjust the cross-section area of the top air-supply passage Ac to make the wind speed smaller than the threshold value. The invention can ensure the effect of aeration and erosion reduction of water body in high-speed water flow tunnel and effectively prevent the vibration and harmful screaming of gate and structure.

【技术实现步骤摘要】
一种高速水流隧洞的补气系统及其通气量控制方法
本专利技术涉及一种泄水隧洞的通风补气系统及其通气量控制方法，尤其涉及高速水流隧洞补充因水流拖曳带走的空气和掺气减蚀所需要的空气的补气结构，以及在设计时对通气量的控制方法，适用于水利水电工程泄水隧洞的掺气减蚀和通风补气。
技术介绍
高速水流隧洞的通风补气，是水工隧洞运行安全的关键，历来为水工专家所关注。由于高速水流拖曳带走大量空气，需要向洞内补气以免产生过大的振动和噪音；另一方面高速水流过流壁面易产生空蚀破坏，也需要将空气掺入水体形成掺气水流保护洞壁减免空蚀破坏。在以往的工程上，通常的做法是两者一起考虑，设置一条通风洞(多数布置在工作闸门后)向洞顶补气，补充高速水流拖曳带走的空气并防止闸门振动；掺气减蚀所需空气从洞内水面以上空间引入，即掺气设施后水体底部形成一定长度空腔，空腔内为较低的负压，通过两侧通气孔将水面以上的洞顶空气引入空腔，使水体掺气。这种做法当隧洞流速很高时(如大于40m/s)就存在以下问题影响隧洞运行安全：1、高速水流拖曳将带走大量空气，降低洞顶气压，洞顶基本上被水汽混合物充满，使洞顶与底部空腔之间的压力差减小或消失，无法吸入足够的空气，影响掺气减蚀效果；2、高速水流拖曳带走的空气量的计算，以及对掺气减蚀供气量的影响，目前工程界尚无成熟的计算方法。而模型试验仅能测出掺气减蚀通气量，而无法测出高速水流拖曳带走的空气量，导致很多高速泄水洞设置的通风补气断面不足，实测通气孔风速远远大于模型试验风速，有的工程模型试验风速仅30～40m/s，实测风速达100m/s，通气量也远大于试验值，不仅影响掺气减蚀效果，而且产生有害振动和啸叫，影响隧洞安全运行。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在的问题，提供一种高速水流隧洞的补气系统，旨在使洞顶补气(补充高速水流拖曳带走的空气)与水体掺气减蚀设施补气能相互独立互不干扰；同时保证每道掺气减蚀设施均由洞外大气供气，不受洞内水汽的影响，确保掺气空腔与洞外大气保持压力差自动吸入空气，使水体掺气充分避免空蚀，提高泄水洞运行安全性。同时，基于上述补气系统，提供一种能保证水体掺气减蚀效果和有效防止闸门和结构振动及有害啸叫的高速水流隧洞补气系统的通气量控制方法。为此，本专利技术采用以下技术方案：一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：所述补气系统包括水体掺气减蚀补气设施及对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施，水体掺气减蚀补气设施与对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施互相隔离；其中，水体掺气减蚀设施沿隧洞长度方向设置多道，各道水体掺气减蚀设施的补气通道通过其专门的补气洞或补气井与外界大气连通，实现对水体掺气减蚀设施的独立洞外补气，水体掺气不减蚀受洞顶水汽的影响；对于高速水流拖曳带走空气的补气设施通过其专门的洞顶补气通道而与外界大气连通。所述水体掺气减蚀设施可以采用掺气坎，所述掺气坎可采用跌坎或挑坎加跌坎组合。进一步地，所述掺气坎还可配置侧壁突扩结构。高速水流经过掺气坎后在水体底部形成一定长度的空腔，空腔内为较低的负压。所述水体掺气减蚀的补气通道，由掺气坎后空腔、通气孔、补气井(或补气洞)组成。所述通气孔位于掺气坎后空腔一侧，通气孔与补气井连通，当隧洞埋深较小时，补气井直接连通外界大气，当隧洞埋深较大时，补气井通过补气洞与外界大气连通。所述水体掺气减蚀的补气控制方法，是利用掺气坎后的底部空腔的负压与洞外大气之间的压力差，通过上述掺气减蚀专用补气通道将外界空气自动吸入水流底部空腔，使水体掺气充分。对于所述高速水流拖曳带走空气的补气设施，包括：在所述隧洞的工作闸门后和高速水流段的水体之上设置的补气通道，所述补气通道通过通气井与外界大气连通；当隧洞埋深较大时，所述通气井再通过通气洞与外界大气连通。高速水流拖曳带走空气的补气控制方法是：当洞顶空气被高速水流拖曳带走后，洞顶气压降低，与外界形成压力差，通过洞顶补气通道自动将外界空气吸入洞内。对于本专利技术的另一个方面，本专利技术提供的高速水流隧洞补气系统的通气量控制方法采用以下技术方案：高速水流隧洞补气系统的通气量控制方法，其特征在于，它对水体掺气减蚀补气采取由外界大气供气，并独立于高速水流拖曳带走空气的洞顶补气之外，并且，高速水流拖曳带走空气的补气也采用外界大气供气，两者通气量互不影响，可分别计算；所述高速水流隧洞补气系统采用上述的高速水流隧洞的补气系统，洞顶补气通道的通气量按照高速水流拖曳带走的空气量Qa计算，为隧洞水流流量Qw的18％～33％，洞顶补气通道的断面面积Ac＝(18％～33％)·Qw/Vc；若洞顶补气通道的风速Vc大于阈值，易导致闸门和结构振动及有害啸叫，则调整洞顶补气通道的断面面积Ac使之风速小于阈值。其中，断面面积Ac为对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施的所有通气井的最小断面处的面积之和。所述水体掺气减蚀的通气量可由模型试验测值换算成原型。设置独立的洞外补气系统后，水体掺气减蚀的补气量不受洞内高速水流拖曳所带走的空气量的影响。所述高速水流拖曳带走的空气量，模型试验无法测得，采用本专利技术上述控制方法可以提供更加准确的控制，不仅保证水体掺气减蚀效果，且有效防止闸门和结构振动及有害啸叫。本专利技术的上述控制方法中，必须将洞内水流与空气交界面处两种介质流速视为相等，交界面的空气流速Va’＝水面流速Vw’；由此推断高速水流拖曳带走的空气量Qa为隧洞水流流量Qw的18％～33％。进一步地，所述阈值为50～60m/s。本专利技术的有益效果是：本专利技术将高速水流隧洞的水体掺气减蚀的补气通道与补充高速水流拖曳带走的空气的洞顶补气通道相互独立，互不干扰，能有效防止闸门和结构振动及有害啸叫；每道掺气减蚀设施均由洞外供气不受洞顶水汽影响，提高了掺气减蚀效果，降低空蚀破坏风险，实用简便，安全可靠，使补气系统的设计更合理。附图说明图1是本专利技术洞顶通气与水体掺气相互独立的补气系统布置图。图2是洞顶补气剖面图。图3是掺气减蚀设施补气剖面图。图4是水流和空气流速分布及计算简图。具体实施方式参照图1、2、3。本专利技术所提供的一种高速水流隧洞的补气系统包括水体掺气减蚀补气设施及对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施，水体掺气减蚀补气设施与对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施互相隔离。水体掺气减蚀补气设施沿隧洞长度方向设置多道，水体掺气减蚀补气设施采用掺气坎100，可以是跌坎或跌坎加挑坎的组合，还可配置侧壁突扩结构。当高速水流经过掺气坎100时，在掺气坎100的下游形成具有一定真空度的空腔101，每道掺气坎100下游空腔101处，在洞壁开挖通气孔102-1连接所述空腔101和高速水流隧洞外的掺气设施补气井102和补气洞103，当隧洞埋深较小时，补气井102与外界大气连通；当隧洞埋深较大时，补气井102再连接补气洞103与外界大气连通。在外界常压的背景下，通过空腔和外界常压的压差作用，外界大气由补气洞103、补气井102和通气口102-1对空腔101进行补气，实现对每道掺气减蚀设施的独立洞外补气，水体掺气减蚀不受洞顶水汽的影响。对于补充高速水流拖曳所带走空气的补气设施，分别在所述隧洞的工作闸门200后设置通气竖井201，在高速水流洞段的洞顶设置通气井202，所述通气竖井201和通气井202均与外界大气连通，补充高速水流拖曳带走大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：所述补气系统包括水体掺气减蚀补气设施及对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施，水体掺气减蚀补气设施与对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施互相隔离；其中，水体掺气减蚀设施沿隧洞长度方向设置多道，各道水体掺气减蚀设施的补气通道通过其专门的补气洞或补气井与外界大气连通，实现对水体掺气减蚀设施的独立洞外补气，水体掺气不减蚀受洞顶水汽的影响；对于高速水流拖曳带走空气的补气设施通过其专门的洞顶补气通道而与外界大气连通。

【技术特征摘要】
1.一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：所述补气系统包括水体掺气减蚀补气设施及对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施，水体掺气减蚀补气设施与对于被高速水流拖曳带走空气的补气设施互相隔离；其中，水体掺气减蚀设施沿隧洞长度方向设置多道，各道水体掺气减蚀设施的补气通道通过其专门的补气洞或补气井与外界大气连通，实现对水体掺气减蚀设施的独立洞外补气，水体掺气不减蚀受洞顶水汽的影响；对于高速水流拖曳带走空气的补气设施通过其专门的洞顶补气通道而与外界大气连通。2.根据权利要求1所述的一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：所述水体掺气减蚀补气设施采用掺气坎，所述掺气坎采用跌坎或挑坎与跌坎组合，所述掺气坎还可配置有侧壁突扩结构，高速水流经过掺气坎后在水体底部形成一定长度的空腔，空腔内为较低的负压。3.根据权利要求1所述的一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：所述水体掺气减蚀设施的补气通道，由掺气坎后空腔、通气孔、所述补气井或补气洞组成；所述通气孔位于掺气坎后空腔一侧，通气孔与补气井或补气洞连通，当隧洞埋深较小时，补气井直接与外界大气连通，当隧洞埋深较大时，补气井通过补气洞与外界大气连通。4.根据权利要求1所述的一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：水体掺气减蚀的补气控制方法是利用掺气坎后的底部空腔的负压与洞外大气之间的压力差，通过所述掺气减蚀补气通道将外界空气自动吸入水流底部空腔，使水体掺气充分。5.根据权利要求1所述的一种高速水流隧洞的补气系统，其特征在于：对于所述高...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春生，徐建荣，彭育，薛阳，何明杰，黄成家，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33