高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构技术

本发明专利技术涉及水利水电工程领域，尤其是一种可以灵活根据所需补气量进行调整，且便于设计人员便捷高效的进行泄水洞补气结构设计以及施工的高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构，包括以下步骤：a、首先，确定明流泄水洞的结构，依据明流泄水洞的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；b、自明流泄水洞中的地下工作闸室开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞；c、依据上述步骤得到的各个泄洪洞补气洞断面面积，确定泄洪洞补气洞端面施工面积大小；d、按照确定的明流泄水洞以及泄洪洞补气洞的位置以及尺寸进行施工并最终完成高速水流明流泄水洞补气结构。本发明专利技术尤其适用于各种高速水流明流泄水洞补气结构的设计施工之中。

Method and structure construction of high speed water flow air discharge hole air supply structure

The present invention relates to the field of water conservancy and Hydropower Engineering, especially a flexible according to the required air amount adjustment, convenient and efficient and convenient design personnel of tunnel structure design and construction of the high speed air flow free flow discharge tunnel construction method and structure of Qi Qi, which comprises the following steps: A, first, determine the structure of spillway tunnel the spillway tunnel is determined based on the structural change and the air flow velocity of air demand of the site; B, since the tunnel underground work flow chamber, followed by setting a total of N flood discharge hole and gas hole; each C, according to the above steps to get the Hongdong air vent hole area, determine the Hongdong air vent the hole end construction area size; D, determined in accordance with the free flow discharge tunnel and spillway tunnel air hole position and size of the construction and final completion of high Speed flow flow tunnel air supply structure. The design and construction of the invention is particularly applicable to all kinds of high speed water flow structure of the air discharge tunnel.

【技术实现步骤摘要】
高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构
本专利技术涉及水利水电工程领域，尤其是一种高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构。
技术介绍
在水利水电设施的明流泄水洞的设计和运行中,如果对泄水洞的通气问题考虑不周,往往会出现空化提前、水流流态不稳定、闸门起闭过程中作用于闸门上的水平力及垂直力也随着增加等问题,相应地使闸门结构增重、启闭机容量增大、减弱掺气设施的通气效果、通气管或补气洞中气流流速过大,造成噪音甚至引起振动等现象。另外，明流泄水洞高速水流除拖曳余幅空气运动形成气流外，水流掺气也挟带部分气体向下游输移，故明流泄水洞正常运行状态下补气量由余幅气流量和水流掺气挟带的气流量两部分组成。常规明流隧洞向余幅供气的进气洞一般与门井结合布置在明流隧洞的起始端，由于余幅气流速度取决于高速水流的拖曳作用，这种补气方式对于洞线长度大于1000m的长距离明流隧洞明显不够，近年来在高水头大泄量长距离明流泄水洞布置设计中增加了补气洞，但对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小没有系统的可供技术人员简便操作的设计方法，主要依靠常压物理模型试验进行研究，常压物理模型试验是按重力相似准则进行的，对掺气或气流模拟不相似，故对补气洞断面设计往往偏小，从近年来较多的高水头泄水洞运行原观资料表明补气洞风速过大，远远超过规范要求，甚至高达100m/s。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可以灵活根据所需补气量进行调整，且便于设计人员便捷高效的进行泄水洞补气结构设计以及施工的高速水流明流泄水洞补气结构建造方法及补气结构。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：高速水流明流泄水洞补气结构建造方法，包括以下步骤：a、首先，确定明流泄水洞的结构，依据明流泄水洞的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；b、自明流泄水洞中的地下工作闸室开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞，n＝1，2，...，i-1，i，第i个补气洞断面面积由下式确定：Ai＝(Qa+Qz+Qk-(Q1+Q2+…+Qi-1))/40；Qa＝k1vwhaB/2；Qz＝0.005Fr2vwBh；Qk＝k2vwBh；其中：Ai：第i个补气洞断面面积，m2；Qa：第i个补气洞对应明流泄水洞水面以上余幅的最大携气量，m3/s；Qz：第i个补气洞对应明流泄水洞水流表面自掺气携气量，m3/s；Qk：第i个补气洞对应明流泄水洞掺气坎携气量，m3/s；Q1…Qi-1：第1个至第i-1个补气洞的补气量总和，m3/s；ha：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面洞顶余幅平均高度，m；vw：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面水流平均流速，m/s；h:第i个补气洞对应明流泄水洞段断面清水水深，m；B：第i个补气洞对应明流泄水洞段洞内净宽，m；Fr：第i个补气洞对应明流泄水洞段不掺气水流的佛汝德数；k1：洞顶余幅携气量修正系数，通常取0.9～1.1；k2：掺气坎掺气率系数，通常取0.05～0.20；c、依据上述步骤得到的各个泄洪洞补气洞断面面积，确定泄洪洞补气洞端面施工面积大小；d、按照确定的明流泄水洞以及泄洪洞补气洞的位置以及尺寸进行施工并最终完成高速水流明流泄水洞补气结构。进一步的是，高速水流明流泄水洞补气结构，包括明流泄水洞，所述明流泄水洞上分段设置有至少一个泄洪洞补气洞，其中泄洪洞第一补气洞设置于明流泄水洞的地下工作闸室处。进一步的是，所述泄洪洞补气洞的洞线为平直的结构。进一步的是，所述泄洪洞补气洞与明流泄水洞的永久洞室之间为彼此独立的结构。进一步的是，所述泄洪洞补气洞的截面形状为圆形、方形或圆拱直墙形。进一步的是，所述泄洪洞补气洞为混凝土衬砌结构。进一步的是，所述泄洪洞补气洞内设置有排水孔。本专利技术的有益效果是：传统的结构设计对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小没有系统的可供技术人员简便操作的设计方法，主要依靠常压物理模型试验进行研究，常压物理模型试验是按重力相似准则进行的，对掺气或气流模拟不相似，故对补气洞断面设计往往偏小，从近年来较多的高水头泄水洞运行原观资料表明补气洞风速过大，远远超过规范要求。因此，目前的方法尚不能根据实际情况准确的确定补气洞面积，也无法保证后期补气的准确性。本专利技术通过对高水头大泄量长距离明流泄水洞的原观资料分析，并结合高速水流理论分析，对补气洞的设置位置、数量、体型、断面大小等提供了系统的可供技术人员简便操作的设计方法，使设计人员能快速准确布置补气洞，同时准确估算补气洞面积，设计其合理的体型，从而保证泄洪洞的运行安全和投资控制。同时，在实际使用时也十分的便捷与灵活，在保证准确性的同时，大大提高了结构适应实际需要的能力。本专利技术尤其适用于各种高速水流明流泄水洞补气结构的设计施工之中。附图说明图1是本专利技术的明流泄水洞的结构示意图。图中标记为：明流泄水洞1、地下工作闸室2、地下工作闸室交通洞3、泄洪洞补气洞4、泄洪洞第一补气洞41、泄洪洞第二补气洞42、泄洪洞第二补气洞43。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明。如图1所示的高速水流明流泄水洞补气结构，包括明流泄水洞1，所述明流泄水洞1上分段设置有至少一个泄洪洞补气洞4，其中泄洪洞第一补气洞41设置于明流泄水洞1的地下工作闸室2处。本专利技术的结构设计步骤是这样的：a、首先，确定明流泄水洞1的结构，依据明流泄水洞1的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；b、自明流泄水洞1中的地下工作闸室2开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞4，n＝1，2，...，i-1，i，第i个补气洞断面面积由下式确定：Ai＝(Qa+Qz+Qk-(Q1+Q2+…+Qi-1))/40；Qa＝k1vwhaB/2；Qz＝0.005Fr2vwBh；Qk＝k2vwBh；其中：Ai：第i个补气洞断面面积，m2；Qa：第i个补气洞对应明流泄水洞水面以上余幅的最大携气量，m3/s；Qz：第i个补气洞对应明流泄水洞水流表面自掺气携气量，m3/s；Qk：第i个补气洞对应明流泄水洞掺气坎携气量，m3/s；Q1…Qi-1：第1个至第i-1个补气洞的补气量总和，m3/s；ha：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面洞顶余幅平均高度，m；vw：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面水流平均流速，m/s；h:第i个补气洞对应明流泄水洞段断面清水水深，m；B：第i个补气洞对应明流泄水洞段洞内净宽，m；Fr：第i个补气洞对应明流泄水洞段不掺气水流的佛汝德数；k1：洞顶余幅携气量修正系数，通常取0.9～1.1；一般的，洞顶余幅偏大者取小值；k2：掺气坎掺气率系数，通常取0.05～0.20；流速一般30～50m/s，流速大者取大值。c、依据上述步骤得到的各个泄洪洞补气洞4断面面积，确定泄洪洞补气洞4端面施工面积大小；d、按照确定的明流泄水洞1以及泄洪洞补气洞4的位置以及尺寸进行施工并最终完成高速水流明流泄水洞补气结构。在实际当中，明流泄水洞1的高速水流除拖曳余幅空气运动形成气流外，水流掺气也挟带部分气体向下游输移，故明流泄水洞正常运行状态下需气量由余幅气流量Qa和水流掺气挟带的气流量两部分组成，水流掺气挟带的气流量包括水流表面自掺气携气量Qz和掺气坎携气量Qk。本专利技术的设计原理是这样的：水流对余幅内空气的动力拖曳作用主要与高速水流紊动引起的自由水面波动粗糙程度和激溅跃移水滴本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速水流明流泄水洞补气结构建造方法，其特征在于，包括以下步骤：a、首先，确定明流泄水洞(1)的结构，依据明流泄水洞(1)的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；b、自明流泄水洞(1)中的地下工作闸室(2)开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞(4)，n＝1，2，...，i‑1，i，第i个补气洞断面面积由下式确定：A

【技术特征摘要】
1.高速水流明流泄水洞补气结构建造方法，其特征在于，包括以下步骤：a、首先，确定明流泄水洞(1)的结构，依据明流泄水洞(1)的结构确定水流流速变化以及补气需气量大的部位；b、自明流泄水洞(1)中的地下工作闸室(2)开始，依次分段设置共计n个泄洪洞补气洞(4)，n＝1，2，...，i-1，i，第i个补气洞断面面积由下式确定：Ai＝(Qa+Qz+Qk-(Q1+Q2+…+Qi-1))/40；Qa＝k1vwhaB/2；Qz＝0.005Fr2vwBh；Qk＝k2vwBh；其中：Ai：第i个补气洞断面面积，m2；Qa：第i个补气洞对应明流泄水洞水面以上余幅的最大携气量，m3/s；Qz：第i个补气洞对应明流泄水洞水流表面自掺气携气量，m3/s；Qk：第i个补气洞对应明流泄水洞掺气坎携气量，m3/s；Q1…Qi-1：第1个至第i-1个补气洞的补气量总和，m3/s；ha：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面洞顶余幅平均高度，m；vw：第i个补气洞对应明流泄水洞段断面水流平均流速，m/s；h:第i个补气洞对应明流泄水洞段断面清水水深，m；B：第i个补气洞对应明流泄水洞段洞内净宽，m；Fr：第i个补气洞对应明流泄水洞段不掺气水流的佛汝德数；k1：洞顶余幅携气量修正系数，取值范围为0.9～1....

【专利技术属性】
技术研发人员：游湘，周钟，蒙富强，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51