本实用新型涉及水利水电设施泄洪洞竖井结构领域，尤其是一种竖井掺气排水结构。
背景技术：
随着国家对水电清洁能源的需求，需要修建大量的高坝，利用水头进行发电。施工期间会设置导流工程排泄河道洪水，导流工程结束后能与永久工程相结合，则枢纽布置紧凑且更经济；因此通过竖井泄洪洞，新建上平段和竖井段，下平段与导流洞结合使用，可大幅节省投资。但竖井受高水头影响，竖井段水流由上部旋流至下部时，水流流速沿程增加形成高速水流，易发生空化空蚀，需要在竖井段对高速水流进行掺气，以保护竖井段下部安全。
对于高水头竖井泄洪洞竖井段空化空蚀问题，目前一般通过以下两种措施：1)抬高竖井下部水位，缩小高速水流段，避免空化空蚀发生，但同时降低了竖井的消能率，未充分发挥竖井作用，并导致竖井下平段的流速增加，增加下平段结构设计难度；2)增加结构强度，通过提高竖井自身的强度抵抗空化空蚀，但根据以往工程经验和理论分析，若发生空化情况，即使为钢板衬砌在经历一定运行期后也容易出现空蚀破坏，耐久性不足。在保障竖井消能率要求下，以上两种措施均不能有效解决高水头竖井空化空蚀问题。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种通过对竖井进行掺气减蚀，从而保障竖井段安全运行的竖井掺气排水结构。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：竖井掺气排水结构，包括竖井，所述竖井由上往下依次分为上涡室段、收缩段、竖井中部段和竖井下部段，其中，所述收缩段底部的出口端与竖井中部段顶部的入口端之间设置有补气通道。
进一步的是，所述补气通道为环向补气通道。
进一步的是，所述收缩段顶部的入口端的直径大于收缩段的底部的出口端的直径。
进一步的是，所述收缩段的底部的出口端的直径小于竖井中部段顶部的进口端的直径，所述环向补气通道设置于收缩段的底部的出口端与竖井中部段顶部的进口端之间。
进一步的是，包括竖向补气通道，所述竖向补气通道一端与上涡室段连通，所述竖向补气通道另一端与补气通道连通。
进一步的是，所述竖井中部段的设置有竖井中部段环向补气通道。
进一步的是，所述竖向补气通道与竖井中部段环向补气通道连通。
进一步的是，所述竖向补气通道沿竖井外壁面设置。
进一步的是，所述上涡室段与竖井前段连通。
本实用新型的有益效果是：在实际使用时，由于收缩段底部的出口端与竖井中部段顶部的入口端之间设置有补气通道，因此，在流动的水流作用下，可以自然的实现气体通过补气通道进入从而实现掺气的效果，从而保障竖井段安全运行。另外，这样的结构设计还可以让竖井高度可根据高水头增加，不受空化空蚀制约。所采用的补气通道设计，其掺气结构简单，尽管增加了部分开挖量，但基本消除了空化空蚀风险，有利后期运行安全，大幅降低后期维护费用。本实用新型尤其适用于泄洪洞竖井掺气结构之中。
附图说明
图1是本实用新型竖井所在水流段的俯视图。
图2是本实用新型的结构侧面剖视图。
图3是图2中的a-a剖视图。
图4是图2中的b-b剖视图。
图5是图2中的c-c剖视图。
图6是图2中的d-d剖视图。
图中标记为：竖井1、导流洞前段3、导流洞封堵段31、大坝帷幕4、导流洞结合段5、水流方向6、下游河道7、洞内水面线8、水库水位10、原地面线11、竖井前段12、竖向补气通道13、环向补气通道14、竖井中部段环向补气通道15、上涡室段a、收缩段b、竖井中部段c、竖井下部段d、上涡室段直径d0、收缩段的底部的出口端的直径d1、竖井中部段顶部的进口端的直径d2、竖井中部段环向补气通道内环内径d3、竖井中部段环向补气通道外环内径d4、环向补气通道宽度l1、收缩段衬砌厚度l2。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示的竖井掺气排水结构，包括竖井1，所述竖井1由上往下依次分为上涡室段a、收缩段b、竖井中部段c和竖井下部段d，其中，所述收缩段b底部的出口端与竖井中部段c顶部的入口端之间设置有补气通道。
本实用新型中涉及的竖井1为洞壁直立的井状管道。所涉及的掺气指：在高速水流区设置坎或槽，当水流经过掺气设施时产生分离，在其下游形成掺气空腔，在高速水流的紊动作用下，迫使大量空气掺入水流中，对水流掺气，形成水、气混合体。在实际使用时，由于收缩段b底部的出口端与竖井中部段c顶部的入口端之间设置有补气通道，形成空腔，因此即可将空气输送至补气通道，保障补气，也就实现了掺气减蚀，从而保障竖井段安全运行。所述上涡室段a与竖井前段12连通，水流经由竖井前段12进入到竖井1内。补气通道也可作为上层井壁外水排出通道，降低井壁外水压力，有效达到排水减压的目的，以及减低竖井结构厚度及配筋，提高经济性。
结合实践，如图4，优选所述补气通道为环向补气通道14。与此结构对应的，优选所述收缩段b顶部的入口端的直径大于收缩段b的底部的出口端的直径。如图2所示，收缩段b即为上大下小的喇叭口结构，这样的结构可以保证水流贴壁旋转向下行进。收缩段b使水流延程贴壁旋转向下，实现旋转消能，达到增加竖井消能率的目的。
在上述结构基础上，为了实现更好的掺气效果，优选所述收缩段b的底部的出口端的直径小于竖井中部段c顶部的进口端的直径，所述环向补气通道14设置于收缩段b的底部的出口端与竖井中部段c顶部的进口端之间。如图2和图4所示，环向补气通道14可以与收缩段b内流出的水流很好的配合，形成空腔，完成相应的掺气效果。
为了强化掺气过程中所需气体的供给，可以选这样的方案：包括竖向补气通道13，所述竖向补气通道13一端与上涡室段a连通，所述竖向补气通道13另一端与补气通道连通。空气由上涡室段a的大气进入竖向补气通道13，再与补气通道连接，最后进入脱壁负压空腔与水体掺合，达到掺气目的。这样的设计有效的保证了掺气所需气体，也就保证了掺气的效果。一般所述竖向补气通道13沿竖井1外壁面设置。
为了进一步强化掺气效果，还可以选择这样的方案：所述竖井中部段c设置有竖井中部段环向补气通道15。如图2和图6所示，这里设计的竖井中部段环向补气通道15的形成原理与环向补气通道14一样，即在竖井中部段c通过竖井中部段环向补气通道内环内径d3以及竖井中部段环向补气通道外环内径d4的内径差形成，竖井中部段环向补气通道15可以进一步提供气体，与竖向补气通道13一起形成“双环式竖井掺气排水结构”，从而获得十分理想的掺气排水效果。一般，如图2所示，所述竖向补气通道13与竖井中部段环向补气通道15连通。
1.竖井掺气排水结构，包括竖井(1)，其特征在于：所述竖井(1)由上往下依次分为上涡室段(a)、收缩段(b)、竖井中部段(c)和竖井下部段(d)，其中，所述收缩段(b)底部的出口端与竖井中部段(c)顶部的入口端之间设置有补气通道。
2.如权利要求1所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述补气通道为环向补气通道(14)。
3.如权利要求2所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述收缩段(b)顶部的入口端的直径大于收缩段(b)的底部的出口端的直径。
4.如权利要求2所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述收缩段(b)的底部的出口端的直径小于竖井中部段(c)顶部的进口端的直径，所述环向补气通道(14)设置于收缩段(b)的底部的出口端与竖井中部段(c)顶部的进口端之间。
5.如权利要求1、2、3或4所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：包括竖向补气通道(13)，所述竖向补气通道(13)一端与上涡室段(a)连通，所述竖向补气通道(13)另一端与补气通道连通。
6.如权利要求5所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述竖井中部段(c)设置有竖井中部段环向补气通道(15)。
7.如权利要求6所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述竖向补气通道(13)与竖井中部段环向补气通道(15)连通。
8.如权利要求5所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述竖向补气通道(13)沿竖井(1)外壁面设置。
9.如权利要求1、2、3或4所述的竖井掺气排水结构，其特征在于：所述上涡室段(a)与竖井前段(12)连通。
技术总结