1.本实用新型涉及水利水电工程领域，具体涉及一种适用于大流量、小底坡、低fr的泄洪洞梯形掺气设施。
背景技术：
2.泄洪洞内高速水流空化引起过流表面空蚀一直以来都是一个值得关注的问题，在溢流面布置掺气减蚀设施是减免空蚀破坏的有效方法。对于大流量小底坡泄洪洞而言，布置的掺气减蚀设施往往存在空腔回水问题，避免空腔回水是泄洪洞掺气设施面临的重要难题。
3.现有技术中常用的泄洪洞掺气设施是二维连续型式掺气坎，而在大流量、小底坡和低fr数情况下，水流受重力和边壁阻力影响十分显著，水舌两侧的抛射距离较中间近，难免有漩滚水流产生，故掺气空腔内容易形成回水，减小了有效空腔长度和通气量，严重时还可能封堵进气通道，导致掺气设置完全失效。
4.为了消除掺气空腔回水，以往工程对常用的连续掺气坎进行了修改，将二维连续掺气坎末端的直线型改成平面u型、v型和凹型的异型掺气坎，通过增加挑坎两侧坡度来增大两侧水舌挑距，从而消除空腔积水。但是此类异型掺气坎三维体型复杂，且体型突变处在高速水流的作用下可能形成新的空化源，产生空蚀破坏，不能发挥掺气减蚀的作用。
技术实现要素：
5.本实用新型要解决的技术问题是：提供一种结构简单并能够有效减轻掺气空腔回水的小底坡泄洪洞掺气设施。
6.为解决上述问题采用的技术方案是：
7.一种泄洪洞掺气设施，包括边墙、倾斜设置于边墙一侧的泄洪洞底板以及设于边墙另一侧的通气井；底板分为掺气坎上游底板、掺气坎坎下底板和掺气坎下游底板；掺气坎坎下底板上设置有掺气坎，以水流方向为参考，在宽度方向上掺气坎的坎下竖直立面分为三段，分别是位于中部的中间横向立面和位于两侧的倾向下游的倾斜竖直立面。
8.进一步的，两个倾斜竖直立面对称设置，中间横向立面与两个倾斜立面的宽度比为1:1.5。
9.进一步的，在垂直水流方向上，两个倾斜竖直立面的坡度为1:2，夹角为136.8
°
。
10.进一步的，在水流方向上，掺气坎上游底板适用的坡度i1范围为0.035～0.2，掺气坎坎下底板坡度i3为0，掺气坎下游底板坡度i2为i1～0.2。
11.进一步的，掺气坎为高度为h1的跌坎加最大高度为h2的挑坎的组合，中间部分挑坎的挑坎面长度l1与两侧最大挑坎长度l比例为1:2，挑坎最大高度h2与挑坎两侧最大挑坎长度l比例为1:10。
12.本实用新型的有益效果是：本实用新型适用于大流量、小底坡、低fr泄洪洞，可解决常规掺气设施掺气空腔内易形成回水的问题，具有掺气效果好、体型简单和施工方便的
特点。本实用新型掺气设施经水力学模型试验验证，在各种运行工况时均能有效减轻回水，形成完整稳定的掺气空腔。
附图说明
13.图1是本实用新型泄洪洞梯形掺气设施的结构示意图；
14.图2是本实用新型的剖面示意图；
15.图3是本实用新型的平面示意图。
16.图中附图标记分述如下：1—边墙，2—泄洪洞底板，3—通气井，4—掺气坎，21—掺气坎上游底板，22—掺气坎坎下底板，23—掺气坎下游底板，41—中间横向立面，42、43—倾斜竖直立面，44—跌坎，45—挑坎。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式对实用新型进一步说明。
18.对于小底坡泄洪洞，水流流速相对于陡坡小，而射流冲击角则一般较大，易于形成空腔积水。由于受边壁阻力作用影响，普通连续挑坎坎上水体流速横向分布不均匀，两侧水舌的曲率和挑距均与中心处存在差异，两侧的曲率较大且挑距较近，从而导致空腔积水加重。因此，通过适当延长两侧挑坎长度可有利于减少坎下的空腔积水。
19.如图1～图3所示，本实用新型泄洪洞梯形掺气设施包括边墙1、倾斜设置于边墙1一侧的泄洪洞底板2以及设于边墙1另一侧的通气井3；底板2分为掺气坎上游底板21、掺气坎坎下底板22和掺气坎下游底板23；掺气坎坎下底板22上设置有掺气坎4，以水流方向为参考，在宽度方向上掺气坎4的坎下竖直立面分为三段，分别是位于中部的中间横向立面41和位于两侧的倾向下游的倾斜竖直立面42、43。
20.流过掺气坎4后跃起的水流与掺气坎坎下底板22和掺气坎下游底板23之间形成的空腔为掺气空腔。掺气坎4的两边高且距离长、中间低且距离短，可较好地适应水流流速断面分布特性，增大两侧水体的挑距，有利于减轻掺气空腔的回水。
21.本实用新型是在传统二维连续掺气坎基础上切出一梯形凹槽，形成两边高且距离长、中间低且距离短的梯形结构的掺气坎4。梯形凹槽沿中心线对称，通过试验比较确定的梯形顶部与侧边宽度较合适的比例为1:1.5，即中间横向立面41与两个倾斜竖直立面42的宽度比为1:1.5。
22.如图2所示，所述掺气坎4为高度为h1的跌坎44加最大高度为h2的挑坎45的组合，两侧挑坎45要高一些，近壁处挑坎的高度为h2；中间部分挑坎45的挑坎面长度l1与两侧最大挑坎长度l比例为1:2，两侧斜边夹角约137
°
(例如136.8
°
)；挑坎45最大高度h2与挑坎45两侧最大挑坎长度l比例为1:10。
23.另外，经工程实例验证，泄洪洞上游底板21适用的坡度i1范围为0.035～0.2，掺气坎下游底板23适用的坡度i2范围为i1～0.2。坎下设置一定范围平台有利于掺气空腔形成。由于泄洪洞洞身高度的限制，通常只宜设置小挑坎，本实用新型中挑坎最大高度h1与挑坎最大长度l比例为1:10。
24.经过某水库工程1#泄洪洞单体模型试验验证，梯形凹槽顶部与侧边宽度的比例较小可能导致中间水体挑距过近，比例过大则可能因两侧水体所占比例较小而挑距仍较近，
均会引起空腔回水仍然较多且回水偶尔封堵通气孔。设置该梯形掺气设施后，两侧水体越靠近边壁越晚挑出，水舌落点两侧略远于中间，有效减轻了空腔回水，可形成完整稳定的掺气空腔。
25.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
技术特征：
1.一种泄洪洞掺气设施，其特征在于：包括边墙(1)、倾斜设置于边墙(1)一侧的泄洪洞底板(2)以及设于边墙(1)另一侧的通气井(3)；底板(2)分为掺气坎上游底板(21)、掺气坎坎下底板(22)和掺气坎下游底板(23)；掺气坎坎下底板(22)上设置有掺气坎(4)，以水流方向为参考，在宽度方向上掺气坎(4)的坎下竖直立面分为三段，分别是位于中部的中间横向立面(42)和位于两侧的倾向下游的倾斜竖直立面(42、43)。2.如权利要求1所述的泄洪洞梯形掺气设施，其特征在于：两个倾斜竖直立面(42、43)对称设置，中间横向立面(41)与两个倾斜立面(42)的宽度比为1:1.5。3.如权利要求1所述的泄洪洞梯形掺气设施，其特征在于：在垂直水流方向上，两个倾斜竖直立面(42、43)的坡度为1:2，夹角为136.8
°
。4.如权利要求1所述的泄洪洞梯形掺气设施，其特征于：在水流方向上，掺气坎上游底板(21)适用的坡度i1范围为0.035～0.2，掺气坎坎下底板(22)坡度i3为0，掺气坎下游底板(23)坡度i2为i1～0.2。5.如权利要求1所述的泄洪洞梯形掺气设施，其特征于：掺气坎(4)为高度为h1的跌坎(44)加最大高度为h2的挑坎(45)的组合，中间部分挑坎(45)的挑坎面长度l1与两侧最大挑坎长度l比例为1:2，挑坎(45)最大高度h2与挑坎(45)两侧最大挑坎长度l比例为1:10。
技术总结
本实用新型公开了一种泄洪洞梯型掺气设施，包括边墙、倾斜设置于边墙一侧的泄洪洞底板以及设于边墙另一侧的通气井；底板分为掺气坎上游底板、掺气坎坎下底板和掺气坎下游底板；掺气坎坎下底板上设置有掺气坎，以水流方向为参考，在宽度方向上掺气坎的坎下竖直立面分为三段，分别是位于中部的中间横向立面和位于两侧的倾向下游的倾斜竖直立面。本实用新型适用于大流量、小底坡的泄洪洞，可解决普通掺气设施两侧水流落点近而导致掺气空腔内形成回水的问题，具有掺气效果好、体型简单和施工方便的特点。方便的特点。方便的特点。
技术研发人员：李静 姜伯乐 陈杨 周赤
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：2021.09.02
技术公布日：2022/2/8