分散通气式掺气设施

戴晓兵 ，李延农

（1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

0 引 言

对于高水头泄水建筑物而言，当设计体形不合理或施工不平整度过大时，常常会产生水流的边界分离，形成空化水流，造成溢流面或边墙的空蚀破坏。在工程实践中常常在泄水建筑物上设置掺气设施，强迫水流掺气，以减小空蚀破坏。

目前我国较常用的是溢流面掺气设施，构成其体形的基本单元为挑坎、跌坎、凹槽和通气孔。相关研究大多局限于挑坎、跌坎、凹槽，尤其对挑坎的体形进行了大量的研究，并由此组合出各种颇具创意的形式[1-8]。但是对于通气孔则较少关注和研究，一般情况通气孔是在侧面底部开设孔口，孔口与侧墙内的通气管道连通，空气从孔口处集中向掺气空腔内补气，从而满足通气量的要求。

试验研究表明，在缓坡泄槽上设置掺气设施时，由于短距离内难以获得足够的垂直坎高，通气孔孔口尺寸 （通气量）受到限制；水流形成的掺气空腔尺度非常有限；当掺气水舌与泄槽底板的冲击角过大时，空腔回水往往难以避免。针对这些问题，笔者通过试验研究提出了分散通气式掺气坎，并获得了国家知识产权局的发明专利授权[9-10]；此外，针对目前侧壁掺气设施的基本体形存在的不足，提出了分散通气式侧壁掺气槽。

1 分散通气式掺气坎

根据通气管道的布置形式将分散通气式掺气坎（简称 “分散掺气坎”）划分为Ⅰ型和Ⅱ型两种基本体形，具体结构如下。

1.1 Ⅰ型分散掺气坎

Ⅰ型分散掺气坎 （有共同主管的分散通气管道）结构如图1所示，包括共同的主通气管道和多根分散通气管道，位于掺气坎上游侧。主通气管道由垂直方向和水平方向两部分组成，垂直向上的一端（进气端）连通至侧墙顶部 （与大气连通）。分散通气管道的一端与主通气管道连通，另一端 （出气端）与掺气坎的下游立面连通，并沿掺气坎横向分布。分散通气管道可水平布置，也可布置为倾向下游的缓坡，其中至少1条管道的一端连接在主通气管道的底部，兼作排水管道。

1.2 Ⅱ型分散掺气坎

Ⅱ型分散掺气坎 （各自独立的分散通气管道）结构如图2所示，在掺气坎内设置有多根各自独立的分散通气管道，位于掺气坎上游侧。每根通气管道的一端 （进气端）连通至侧墙顶部 （与大气连通），另一端 （出气端）与掺气坎的下游立面连通，并沿掺气坎横向分布。分散通气管道可水平布置，也可布置为倾向下游的缓坡。

1.3 分散掺气坎的特点

分散掺气坎有如下优点:

（1）掺气设施由侧面底部集中通气方式转变为掺气设施内部分散通气方式，卷吸的空气沿掺气坎横向分布，使得水舌能够均匀掺气。

（2）当遇缓坡泄槽，由于难以获得足够大的垂直高度，侧面底部集中通气孔孔口尺寸 （通气量）受到一定限制。采用分散通气，可通过调整分散通气管道的断面尺寸和数量，最大限度地满足通气量的要求。

（3）对掺气坎的垂直高度基本无要求，可以有效地减小掺气坎挑角，使得掺气水舌与泄槽底板的冲击角达到最小，从而降低空腔回水的风险。

（4）无需设置专门的排水廊道。

（5）分散掺气坎尤其适用于宽泄槽、大通气量的泄水建筑物；适用于泄水建筑物缓坡段的掺气。

图1 Ⅰ型分散掺气坎

图2 Ⅱ型分散掺气坎

另外，相对而言，Ⅱ型分散掺气坎比Ⅰ型分散掺气坎有更多的优点:

（1）通气管道布置更为灵活，其进气端可连通至侧墙、中隔墙、顶拱，甚至泄槽末端，只要连通至大气即可。

（2）管道各自独立，互不干扰，断面尺寸和数量均有更多调整余地以满足设计规范要求。

（3）管道的断面尺寸可调整空间大，能适应厚度较小的混凝土结构，避免了较大尺度的单一主通气管道对结构的影响。

（4）掺气坎处的混凝土结构无需特别加强，无需作专门的结构设计，成本更低。

（5）布置极为灵活，无论是进气端，还是出气端可以任意调整角度和方向，适应复杂的建筑物壁面条件。当分散通气管道独立使用时，可用于墩、柱、侧墙、岔管以及有压管道低压区域的水体内部掺气。

2 分散通气式侧壁掺气槽

目前，侧壁掺气设施的基本体形有突扩形式、折流器形式、矩形门槽形式等。侧壁掺气的通气方式多为外部开敞式通气，即利用侧壁突扩、折流器或矩形门槽形成的外部开敞空腔向水流通气。对于突扩形式而言，扩散水流冲击侧壁，容易造成水面爬高；对于折流器形式而言，收缩水流易形成冲击波，激起水冠，对洞式泄水建筑物的顶拱不利；对于矩形门槽形式而言，门槽空腔面积不足往往会造成空腔封闭或供气不充分。针对上述存在的问题，可以将分散通气管道应用于侧壁掺气，从而构成一种外部开敞式通气与内部分散式通气相结合的侧壁掺气设施。

分散通气式侧壁掺气槽包括掺气槽、主通气管和多根分散通气管。掺气槽由侧壁壁面局部凹缩形成，呈浅门槽形式。侧壁内部设有主通气管，主通气管上端与大气连通，下端延伸至泄水建筑物底板高程。分散通气管水平设置，一端与主通气管连通，另一端与掺气槽侧壁连通。分散通气管按不同的高程布置，其中至少有1条连接在主通气管的底部，兼作排水管道，具体结构如图3所示。 掺气槽、主通气管、分散通气管的尺寸、体形根据工程实际情况确定。

图3 分散通气式侧壁掺气槽

3 结 语

（1）分散通气式掺气坎具有多根独立的分散通气管道，分散通气管道沿掺气坎横向分布，通气方式由传统掺气设施的侧面底部集中通气方式转变为掺气设施内部的分散通气方式，卷吸的空气沿掺气坎横向分布，使得水舌能够均匀掺气；可以最大限度地满足通气量的要求；且对掺气坎的垂直高度基本无要求，可以有效地减小掺气坎挑角，使得掺气水舌与泄槽底板的冲击角最小，从而降低空腔回水的风险。对于不同的工程，需要根据工程实际情况和水力条件，对分散通气管道的体形、数量以及分散通气管道之间的间距等进行专门研究。分散掺气坎体形简单，通气管道可采用钢管或预制混凝土管，掺气坎处的混凝土结构无需特别加强，施工方便，是一种值得推广应用的掺气坎体形。

（2）分散通气式侧壁掺气槽是将分散通气管道应用于侧壁掺气，从而构成一种外部开敞式通气与内部分散式通气相结合的侧壁掺气设施，适合于高速水流泄水建筑物的侧壁掺气。

［1］李延农，王怡.解决大流量、小底坡、泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水问题的一种办法［M］//水利水电泄水工程与高速水流信息网编.泄水工程与高速水流.长春:吉林人民出版社，2004:28-30.

［2］庞昌俊，苑丽珍.大型 “龙抬头”明流泄洪洞小底坡掺气减蚀设施的选型研究［J］.水利学报，1993（6）:61-66.

［3］王海云，戴光清，杨永全，等.明流泄洪洞掺气减蚀设施优化试验研究［J］.水力发电，2003（11）:54-56.

［4］刘超，杨永全.泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究［J］.水动力学研究与进展，2004（5）:376-382.

［5］孙双科，杨家卫，柳海涛.缓坡条件下掺气减蚀设施的体型研究［J］.水利水电技术，2004（11）:26-29.

［6］王海云，戴光清，等.V型坎在龙抬头式泄洪洞中的应用［J］.水利学报，2005，36（11）:1371-1374.

［7］张立恒，许唯临.掺气减蚀设施空腔回水问题的试验研究［J］.科学技术与工程，2006（15）:164-165.

［8］时启燧.高速水气两相流 ［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［9］戴晓兵，李延农.一种用于掺气的分散通气式掺气坎:中国，200910043521.4［P］.2010-09-01.

［10］戴晓兵，李延农.一种分散通气式掺气坎:中国，200910043520.X［P］.2010-08-04.