CN100398754C - L型消能工 - Google Patents

Abstract

本发明所述L型消能工安装在竖井与泄洪洞结合部的垂直转弯处，由两段内径相同的圆筒体相交构成，两圆筒体轴线的夹角α为80°～100°。本发明所述L型消能工还可由一段圆筒体和一段“Ω”形筒体相交构成，“Ω”形筒体由圆筒体切割掉一弓形弧片而成，圆筒体、“Ω”形筒体的内径相同，圆筒体接竖井，“Ω”形筒体接泄洪洞，“Ω”形筒体与泄洪洞的对接位置是切割掉弓形弧片的部位与泄洪洞的底部相接。本发明所述L型消能工主要是利用两筒体相交的直弯处进行消能，因此，两筒体轴线的夹角α以90°为最佳，由于折弯圆洞内的水流速度高，因此可以保证直角转弯具有很高的消能率。

Description

L型消能工

技术领域

本发明属于水利水电工程中使用的消能设施，特别涉及一种用于有压泄洪洞的消能工。

背景技术

针对大流量、高水头泄洪洞的消能问题，特别是将施工期导流洞改建成永久泄洪洞的消能问题，目前一般采用龙抬头和竖井旋流的型式，前者几乎没有消能，主要是沿程水头损失有一定的消能，出洞后的剩余水头仍然很大，且因洞内流速高需设置掺气减蚀设施，即便如此，在高水头时仍有可能发生空蚀破坏；而后者的竖井主要是将水流旋转导入竖井底部，避免水流直接冲击井底，消力井内水流强烈紊动对消能起主要作用，由于旋流必然将空气大量卷入水体中，下平段应该为明流以便于气体的释放，但实际工程绝大多数导流洞布置高程较低，导流洞出口低于大洪水时的河道水位，若采用竖井旋流则会出现明满流交替的恶劣流态，洞身安全难以保证。

因此，采用洞内消能的方式有着广泛的应用前景。国外在1967年公开了一种在泄洪洞中安装消能工的消能方式(参见Samuel O.Russell，James W.Ball.Sudden-enlargementenergy dissipator for Mica dam.Journal of the hydraulics division ASCE，7(1967)：41～56)，但其结构复杂，运行水头低，运行流量小，施工工程量大，不能适应高水头、大流量泄洪洞洞内消能的要求。孔板消能工已成功应用到实际工程中，其消能主要是发生在孔板突扩后的强紊动剪切区(参见林秀山，沈凤生著《多级孔板泄洪洞的研究与工程实践》，中国水利水电出版社，2003年3月，北京)，没有充分利用突缩作用进行消能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种L型消能工，此种消能工不仅结构简单，而且能有效解决大流量、高水头泄洪洞的消能问题。

本发明所述L型消能工安装在竖井与泄洪洞结合部的垂直转弯处，有两种属于一个总的发明构思的结构。

第一种结构的L型消能工由两段内径相同的圆筒体相交构成，两圆筒体轴线的夹角α为80°～100°，其中一圆筒体接竖井，另一圆筒体接泄洪洞。圆筒体与泄洪洞的对接位置根据实际工程决定，但应满足0≤h₁≤H-2r，式中，h₁为与泄洪洞相接的圆筒体最低点与泄洪洞底部的间距，H为泄洪洞的高度，r为圆筒体的内半径。

第二种结构的L型消能工由一段圆筒体和一段“Ω”形筒体相交构成，“Ω”形筒体由圆筒体切割掉一弓形弧片而成，圆筒体、“Ω”形筒体的内径相同，两筒体轴线的夹角α为80°～100°，圆筒体接竖井，“Ω”形筒体接泄洪洞。弓形弧片的拱高h₂应满足0＜h₂＜0.5r，式中，r为“Ω”形筒体的内半径。“Ω”形筒体与泄洪洞的对接位置是切割掉弓形弧片的部位与泄洪洞的底部相接(如图4、图6所示)。

本发明所述L型消能工主要是利用两筒体相交的直弯处进行消能，因此，两筒体轴线的夹角α以90°为最佳，由于折弯圆洞内的水流速度高，因此可以保证直角转弯具有很高的消能率。由于洞内具有很高的内水压力，因而可以避免出现空化现象。

为了利用突缩突扩造成水头损失进行消能，构成本发明所述L型消能工的筒体的内径小于竖井的井径。

安装本发明所述L型消能工后，竖井中的水流首先经过突缩进入L型消能工，实现第一次的突缩消能；继后，水流经过L型消能工的两筒体相交处直角转弯，能量再次被消杀，最后，水流流出L型消能工进入尺寸很大的泄洪洞，实现突扩消能。

本发明具有以下有益效果：

1、消能水头高，理论上可以消杀全部水头。根据下游河道的承受能力，确定泄洪洞的出口流速，亦即剩余水头被确定，L型消能工所要消杀的水头则为总水头减去剩余水头，可由公式 $H_f=\mathrm{\ξ}\frac{v^2}{2g}$ 计算消能水头(式中，H_f为消能水头，ξ为消能水头损失系数，ξ＝2.4～2.6，v为L型消能工内的水流流速)。考虑到本发明所述L型消能工的空化特性，宜在泄洪洞内布置其它辅助消能工提高本消能工的内水压力，经本发明所述L型消能工的消能水头一般控制在总水头的一半左右。

2、抗空化特性好，由两段内径相同的圆筒体相交构成的L型消能工，其初生空化数约为4.6，由一段圆筒体和一段“Ω”形筒体相交构成的L型消能工，可以通过调整弓形弧片拱高h₂的大小来改善其空化特性，对于绝大多数工程可以实现无空化设计。

3、能适应大流量、高水头工作条件，在某大型水电工程的导流洞改建方案研究中，上下游水位差200m以上、泄流量约3000m³/s的条件下采用本发明所述L型消能工与洞塞消能工相结合的体型布置，常压模型试验表明，泄量满足要求，压力分布合理，各级消能工的消能水头有保证，最后在减压模型中验证了该体型在运行工况下未出现空化并有一定的安全裕度。

4、特别适合导流洞改建成永久泄洪洞，对于大型工程，与现有的消能设施相比，可节省上亿的资金。

5、结构简单，易于制作和施工。

附图说明

图1是本发明所述L型消能工的一种结构简图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是本发明所述L型消能工的又一种结构简图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是图4的B-B剖视图。

图中，1-竖井、2-L型消能工、3-泄洪洞。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的L型消能工如图1、图2、图3所示，由两段内径相同的混凝土圆筒体相交构成，两圆筒体轴线的夹角α为80°～100°，但以90°为最佳，在施工中尽量使两圆筒体轴线的夹角α为90°。

在泄洪洞为完全有压流、上游库水位与下游河道水位的落差为200m、流量2630m³/s的条件下，使用本实施例所述的L型消能工进行模型试验，具体设计如下：构成L型消能工的圆筒体的内径12m，竖井井径16m，泄洪洞为16m宽、20m高的城门洞，与泄洪洞相接的圆筒体最低点与泄洪洞底部的间距h₁为0。经L型消能工的水头损失在校核、设计和最低水位三个典型工况下分别为70.1m，70.7m，72.8m，坚井内平均流速13.5m/s，泄洪洞内平均流速8.8m/s，均不涉及复杂的高速水流问题，L型消能工的圆筒体内平均流速23.3m/s，通过与洞塞或孔板消能工配合，直角转弯后构成L型消能工的圆筒体顶部保持较高的水压力(30～40m水头)，与之相邻的泄洪洞内的水压力125m水头，水流空化数大于初生空化数，通过1∶40的减压模型试验未出现空化，直至在超真空情况下才出现空化，表明该体型布置抗空化性能有一定的安全裕度。

实施例2

本实施例中的L型消能工如图4、图5、图6所示，由一段混凝土圆筒体和一段混凝土“Ω”形筒体相交构成，“Ω”形筒体由圆筒体切割掉一弓形弧片而成，两筒体轴线的夹角α为80°～100°，但以90°为最佳，在施工中尽量使两圆筒体轴线的夹角α为90°。

在泄洪洞为完全有压流、上游库水位与下游河道水位的落差为200m、流量2500m³/s的条件下，使用本实施例所述的L型消能工进行模型试验，具体设计如下：圆筒体、“Ω”形筒体的内径均为12m，弓形弧片的拱高h₂为2m(＝0.33r，r为圆筒体内半径)，竖井井径14m，圆筒体接竖井，“Ω”形筒体接泄洪洞，“Ω”形筒体与泄洪洞的对接位置是切割掉弓形弧片的部位与泄洪洞的底部相接，如图4、图6所示。本消能工后设三级洞塞消能工与之配合，模型试验表明：构成L型消能工的圆筒体内平均流速22.1m/s，转弯后“Ω”形筒体内水流平均速度为24.8m/s，顶部的压力最低，仍保持在30m水头以上，与之相邻的泄洪洞内的水压力120m水头，水流空化数大于初生空化数，通过1∶50的减压模型试验未出现空化，直至在超真空情况下才出现空化，表明该体型布置抗空化性能有一定的安全裕度。

Claims (3)

1.一种L型消能工，其特征在于由一段圆筒体和一段“Ω”形筒体相交构成，“Ω”形筒体由圆筒体切割掉一弓形弧片而成，圆筒体、“Ω”形筒体的内径相同，两筒体轴线的夹角α为80°～100°，圆筒体接竖井，“Ω”形筒体接泄洪洞。

2.根据权利要求1所述的L型消能工，其特征在于两筒体轴线的夹角α为90°。

3.根据权利要求1或2所述的L型消能工，其特征在于弓形弧片的拱高h₂由0＜h₂＜0.5r确定，式中，r为“Ω”形筒体的内半径。

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