本發(fā)明屬于水利消能泄洪技術領域，具體涉及摻氣消能與防氣爆泄洪裝置及其泄洪方法。

背景技術：

旋流泄洪洞是由導流洞改建成永久泄洪洞的一種消能工形式。旋流泄洪洞視其旋轉水流發(fā)生的位置,可分為豎井旋流消能和水平旋流消能，其原理均利用旋轉水流的離心力形成空腔，增大洞壁壓力和水力摩阻，延長流程，達到防止空蝕和消能的目的。旋流式豎井泄洪洞一般由引水段、渦室、豎井和出水段四部分組成。這種泄洪洞的突出特點是既具有較大的泄流能力,又具有較高的消能率。由于設有引水段,它在布置上比較靈活,適應地形能力比較強。渦室的作用是使豎井中的水流能夠緊貼井壁旋轉,在壁面上形成剩余壓力,使水流比較穩(wěn)定,不會引起其它形式消能中常見的空化空蝕現象，也正由于豎井軸線上的空腔,保證了在小于設計流量時豎井中流態(tài)的穩(wěn)定性,減輕了水流的脈動及其引起的結構振動。由于水流旋轉作用和貼壁水流層厚度相對較薄,增加了豎井段的消能率。目前現有旋流豎井消能排氣方案主要有：在泄洪洞前段設置阻水墩且在末段設置通氣井裝置；在旋流豎井泄洪洞進口設置折流坎且在出口段設置集氣坎、通氣井、破氣坎等；采用豎向壓板技術和多孔平板技術或洞塞體和通氣孔；用潛水起旋墩阻流消能；在泄洪洞頂設置一排排氣井，通過排氣井分流泄洪消能。

如中國專利申請（授權公告號：cn201214781y）公開了一種水平旋流消能泄洪洞，該水平旋流消能泄洪洞，該泄洪洞具體包括進水口、過流豎井、起旋室、旋流洞段、水墊塘段、退水洞段等，它利用了導流隧洞而將其改建成永久性的泄洪洞，但是由于它把出氣孔和起旋室連接在一起，沒有單獨的集氣室和出氣孔，很容導致旋流攜帶大量氣體沖刷泄洪主洞，損害泄洪洞的使用年限。

技術實現要素：

（1）要解決的技術問題

本發(fā)明為了克服傳統(tǒng)的泄洪洞中消能箱結構單調，出水口排氣方式狹窄的缺點，為解決以上技術問題，本發(fā)明提供摻氣消能與防氣爆泄洪裝置及其泄洪方法，泄洪豎井向排洪支洞的過渡連接形式采用旋流豎井-豎縫消能箱聯合消能技術，排洪支洞與排氣井的連接形式采用集氣室-橫板聯合排氣技術，解決了流水到達排洪支洞時流態(tài)不穩(wěn)定，氣水不分離，泥土堵塞集氣室的問題。

（2）技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，具體包括連接段、通氣孔、渦室、豎井、豎縫、消能箱、排洪支洞、排氣孔、集氣室、橫板、泄洪主洞；所述豎井頂端連通所述渦室，所述渦室頂端設有所述通氣孔，所述渦室側面連通所述連接段，所述豎井底部與水平所述消能箱相貫連通，所述豎井底部與水平所述消能箱的銜接處設有所述豎縫，所述消能箱、排洪支洞、泄洪主洞依次相貫連通，所述排洪支洞沿程垂直連通所述集氣室，所述集氣室頂部連通所述排氣孔，所述橫板水平設在所述排洪支洞與所述集氣室的銜接處。

所述連接段以傾斜方式與所述渦室連通，與水平所成傾斜角的取值范圍為：10°≤α≤50°，渦室和豎井的連接處采用通道變徑方式，通道從上至下由大變小。

所述豎井底部設有水墊塘，所述消能箱的寬沿程線性增大到與所述排洪支洞內徑一致，頂高程與其后所述排洪支洞齊平，底高程沿程線性減小到與所述排洪支洞內徑一致。

所述豎縫為一矩形開口，長寬之比≥6.5。

所述橫板垂直設置在所述集氣室內壁，板底面與所述排洪支洞洞頂齊平。

所述的摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，其泄洪的具體方法是：

a.水流攜帶大量空氣經所述連接段成一定角度流入所述渦室；

b.水流在所述渦室導流作用下形成繞所述豎井垂直軸的旋流,旋流中部帶有空腔，通過所述通氣孔吸收大量空氣，進入所述豎井；

c.所述豎井中的旋流到達所述豎井底部區(qū)間時，通過在豎井底部設置所述豎縫，引導水流由平面旋流狀態(tài)迅速向豎向旋流運動轉化，增大局部水頭損失，實現流速和壓力的重分布，提高了消能率和進入隧洞水流的穩(wěn)定性；；

d.水流通過所述消能箱，進入所述排洪支洞，在所述橫板的作用下，充分利用氣體密度與水體密度的差異，將螺旋兩相流水氣分離，有效排除因摻氣消能的不利氣體混入有壓隧洞導致氣爆破壞的風險，空氣從所述排氣孔排出，水流從所述泄洪主洞流出。

（3）有益效果

本發(fā)明的有益效果：

1、水流經豎井旋流到達底部區(qū)間時，流量由豎縫逐漸分流，當旋流到達水墊塘時，能量已被大量消散，減輕了水墊塘的消能負擔。

2、水流經豎縫進入消能箱時，強迫高速水流從豎縫射出，水流經豎縫后在消能箱內擴散拉伸，耗散能量，至排洪支洞進口處時流態(tài)已穩(wěn)定，氣水及時分離，提高了消能率和穩(wěn)定性。

3、排洪支洞與排氣井的連接形式采用集氣室-橫板聯合排氣技術，橫板設計簡單，又可防止部分空氣因水流紊動由集氣室回落至泄洪主洞帶入下游進口，解決了流水到達排洪支洞時流態(tài)不穩(wěn)定、氣水不分離、泥土堵塞集氣室的問題，有效排除因摻氣消能的不利氣體混入有壓隧洞導致氣爆破壞的風險。

附圖說明

圖1為摻氣消能與防氣爆泄洪裝置主洞縱剖面圖；

圖2為連接段和渦室1-1剖面圖；

圖3為消能箱2-2剖面圖；

圖4為集氣室和橫板3-3剖面圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明實施例中的技術方案進行進一步清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。

實施例一

本發(fā)明提供摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，如圖（1-4），具體包括連接段101、通氣孔102、渦室103、豎井104、豎縫105、消能箱106、排洪支洞107、排氣孔108）、集氣室109、橫板110、泄洪主洞111；所述豎井104頂端連通所述渦室103，所述渦室103頂端設有所述通氣孔102，所述渦室103側面連通所述連接段101，所述豎井104底部與水平所述消能箱106相貫連通，所述豎井104底部與水平所述消能箱106的銜接處設有所述豎縫105，所述消能箱106、排洪支洞107、泄洪主洞111依次相貫連通，所述排洪支洞107沿程垂直連通所述集氣室109，所述集氣室109頂部連通所述排氣孔108，所述橫板110水平設在所述排洪支洞107與所述集氣室109的銜接處。

所述連接段101以傾斜方式與所述渦室103連通，與水平所成傾斜角的取值范圍為：10°≤α≤50°，渦室和豎井的連接處采用通道變徑方式，通道從上至下由大變小。

所述消能箱106底部設有水墊塘112，所述消能箱106的寬沿程線性增大到與所述排洪支洞107內徑一致，頂高程與其后所述排洪支洞107齊平，底高程沿程線性減小到與所述排洪支洞107內徑一致。

所述豎縫105為一矩形開口，長寬之比≥6.5。

所述橫板110垂直設置在所述集氣室109內壁，板面與所述排洪支洞107中心軸平行。

所述的摻氣消能與防氣爆泄洪裝置，其泄洪的具體方法是：

a.水流攜帶大量空氣經所述連接段101成一定角度流入所述渦室103；

b.水流在所述渦室103導流作用下形成繞所述豎井104垂直軸的旋流,旋流中部帶有空腔，通過所述通氣孔102吸收大量空氣，進入所述豎井104；

c.所述豎井104中的旋流到達所述豎井104底部區(qū)間時，通過在豎井底部設置所述豎縫105，引導水流由平面旋流狀態(tài)迅速向豎向旋流運動轉化，增大局部水頭損失，實現流速和壓力的重分布，提高了消能率和進入隧洞水流的穩(wěn)定性；

d.水流通過所述消能箱106，進入所述排洪支洞107，在所述橫板110的作用下，充分利用氣體密度與水體密度的差異，將螺旋兩相流水氣分離，有效排除因摻氣消能的不利氣體混入有壓隧洞導致氣爆破壞的風險，空氣從所述排氣孔108排出，水流從所述泄洪主洞111流出。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形、改進及替代，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。