分散通氣式摻氣設施

戴曉兵 ，李延農

（1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 引 言

對于高水頭泄水建筑物而言，當設計體形不合理或施工不平整度過大時，常常會產生水流的邊界分離，形成空化水流，造成溢流面或邊墻的空蝕破壞。在工程實踐中常常在泄水建筑物上設置摻氣設施，強迫水流摻氣，以減小空蝕破壞。

目前我國較常用的是溢流面摻氣設施，構成其體形的基本單元為挑坎、跌坎、凹槽和通氣孔。相關研究大多局限于挑坎、跌坎、凹槽，尤其對挑坎的體形進行了大量的研究，并由此組合出各種頗具創意的形式[1-8]。但是對于通氣孔則較少關注和研究，一般情況通氣孔是在側面底部開設孔口，孔口與側墻內的通氣管道連通，空氣從孔口處集中向摻氣空腔內補氣，從而滿足通氣量的要求。

試驗研究表明，在緩坡泄槽上設置摻氣設施時，由于短距離內難以獲得足夠的垂直坎高，通氣孔孔口尺寸 （通氣量）受到限制；水流形成的摻氣空腔尺度非常有限；當摻氣水舌與泄槽底板的沖擊角過大時，空腔回水往往難以避免。針對這些問題，筆者通過試驗研究提出了分散通氣式摻氣坎，并獲得了國家知識產權局的發明專利授權[9-10]；此外，針對目前側壁摻氣設施的基本體形存在的不足，提出了分散通氣式側壁摻氣槽。

1 分散通氣式摻氣坎

根據通氣管道的布置形式將分散通氣式摻氣坎（簡稱 “分散摻氣坎”）劃分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種基本體形，具體結構如下。

1.1 Ⅰ型分散摻氣坎

Ⅰ型分散摻氣坎 （有共同主管的分散通氣管道）結構如圖1所示，包括共同的主通氣管道和多根分散通氣管道，位于摻氣坎上游側。主通氣管道由垂直方向和水平方向兩部分組成，垂直向上的一端（進氣端）連通至側墻頂部 （與大氣連通）。分散通氣管道的一端與主通氣管道連通，另一端 （出氣端）與摻氣坎的下游立面連通，并沿摻氣坎橫向分布。分散通氣管道可水平布置，也可布置為傾向下游的緩坡，其中至少1條管道的一端連接在主通氣管道的底部，兼作排水管道。

1.2 Ⅱ型分散摻氣坎

Ⅱ型分散摻氣坎 （各自獨立的分散通氣管道）結構如圖2所示，在摻氣坎內設置有多根各自獨立的分散通氣管道，位于摻氣坎上游側。每根通氣管道的一端 （進氣端）連通至側墻頂部 （與大氣連通），另一端 （出氣端）與摻氣坎的下游立面連通，并沿摻氣坎橫向分布。分散通氣管道可水平布置，也可布置為傾向下游的緩坡。

1.3 分散摻氣坎的特點

分散摻氣坎有如下優點:

（1）摻氣設施由側面底部集中通氣方式轉變為摻氣設施內部分散通氣方式，卷吸的空氣沿摻氣坎橫向分布，使得水舌能夠均勻摻氣。

（2）當遇緩坡泄槽，由于難以獲得足夠大的垂直高度，側面底部集中通氣孔孔口尺寸 （通氣量）受到一定限制。采用分散通氣，可通過調整分散通氣管道的斷面尺寸和數量，最大限度地滿足通氣量的要求。

（3）對摻氣坎的垂直高度基本無要求，可以有效地減小摻氣坎挑角，使得摻氣水舌與泄槽底板的沖擊角達到最小，從而降低空腔回水的風險。

（4）無需設置專門的排水廊道。

（5）分散摻氣坎尤其適用于寬泄槽、大通氣量的泄水建筑物；適用于泄水建筑物緩坡段的摻氣。

圖1 Ⅰ型分散摻氣坎

圖2 Ⅱ型分散摻氣坎

另外，相對而言，Ⅱ型分散摻氣坎比Ⅰ型分散摻氣坎有更多的優點:

（1）通氣管道布置更為靈活，其進氣端可連通至側墻、中隔墻、頂拱，甚至泄槽末端，只要連通至大氣即可。

（2）管道各自獨立，互不干擾，斷面尺寸和數量均有更多調整余地以滿足設計規范要求。

（3）管道的斷面尺寸可調整空間大，能適應厚度較小的混凝土結構，避免了較大尺度的單一主通氣管道對結構的影響。

（4）摻氣坎處的混凝土結構無需特別加強，無需作專門的結構設計，成本更低。

（5）布置極為靈活，無論是進氣端，還是出氣端可以任意調整角度和方向，適應復雜的建筑物壁面條件。當分散通氣管道獨立使用時，可用于墩、柱、側墻、岔管以及有壓管道低壓區域的水體內部摻氣。

2 分散通氣式側壁摻氣槽

目前，側壁摻氣設施的基本體形有突擴形式、折流器形式、矩形門槽形式等。側壁摻氣的通氣方式多為外部開敞式通氣，即利用側壁突擴、折流器或矩形門槽形成的外部開敞空腔向水流通氣。對于突擴形式而言，擴散水流沖擊側壁，容易造成水面爬高；對于折流器形式而言，收縮水流易形成沖擊波，激起水冠，對洞式泄水建筑物的頂拱不利；對于矩形門槽形式而言，門槽空腔面積不足往往會造成空腔封閉或供氣不充分。針對上述存在的問題，可以將分散通氣管道應用于側壁摻氣，從而構成一種外部開敞式通氣與內部分散式通氣相結合的側壁摻氣設施。

分散通氣式側壁摻氣槽包括摻氣槽、主通氣管和多根分散通氣管。摻氣槽由側壁壁面局部凹縮形成，呈淺門槽形式。側壁內部設有主通氣管，主通氣管上端與大氣連通，下端延伸至泄水建筑物底板高程。分散通氣管水平設置，一端與主通氣管連通，另一端與摻氣槽側壁連通。分散通氣管按不同的高程布置，其中至少有1條連接在主通氣管的底部，兼作排水管道，具體結構如圖3所示。 摻氣槽、主通氣管、分散通氣管的尺寸、體形根據工程實際情況確定。

圖3 分散通氣式側壁摻氣槽

3 結 語

（1）分散通氣式摻氣坎具有多根獨立的分散通氣管道，分散通氣管道沿摻氣坎橫向分布，通氣方式由傳統摻氣設施的側面底部集中通氣方式轉變為摻氣設施內部的分散通氣方式，卷吸的空氣沿摻氣坎橫向分布，使得水舌能夠均勻摻氣；可以最大限度地滿足通氣量的要求；且對摻氣坎的垂直高度基本無要求，可以有效地減小摻氣坎挑角，使得摻氣水舌與泄槽底板的沖擊角最小，從而降低空腔回水的風險。對于不同的工程，需要根據工程實際情況和水力條件，對分散通氣管道的體形、數量以及分散通氣管道之間的間距等進行專門研究。分散摻氣坎體形簡單，通氣管道可采用鋼管或預制混凝土管，摻氣坎處的混凝土結構無需特別加強，施工方便，是一種值得推廣應用的摻氣坎體形。

（2）分散通氣式側壁摻氣槽是將分散通氣管道應用于側壁摻氣，從而構成一種外部開敞式通氣與內部分散式通氣相結合的側壁摻氣設施，適合于高速水流泄水建筑物的側壁摻氣。

［1］李延農，王怡.解決大流量、小底坡、泄洪洞摻氣減蝕設施空腔回水問題的一種辦法［M］//水利水電泄水工程與高速水流信息網編.泄水工程與高速水流.長春:吉林人民出版社，2004:28-30.

［2］龐昌俊，苑麗珍.大型 “龍抬頭”明流泄洪洞小底坡摻氣減蝕設施的選型研究［J］.水利學報，1993（6）:61-66.

［3］王海云，戴光清，楊永全，等.明流泄洪洞摻氣減蝕設施優化試驗研究［J］.水力發電，2003（11）:54-56.

［4］劉超，楊永全.泄洪洞反弧末端摻氣減蝕研究［J］.水動力學研究與進展，2004（5）:376-382.

［5］孫雙科，楊家衛，柳海濤.緩坡條件下摻氣減蝕設施的體型研究［J］.水利水電技術，2004（11）:26-29.

［6］王海云，戴光清，等.V型坎在龍抬頭式泄洪洞中的應用［J］.水利學報，2005，36（11）:1371-1374.

［7］張立恒，許唯臨.摻氣減蝕設施空腔回水問題的試驗研究［J］.科學技術與工程，2006（15）:164-165.

［8］時啟燧.高速水氣兩相流 ［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［9］戴曉兵，李延農.一種用于摻氣的分散通氣式摻氣坎:中國，200910043521.4［P］.2010-09-01.

［10］戴曉兵，李延農.一種分散通氣式摻氣坎:中國，200910043520.X［P］.2010-08-04.