CN100552147C - 导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，属于水利水电技术领域。该方法是在导流洞进水端下游修建一段竖井；竖井下部与导流洞顶相接，上部接龙落尾型式有压隧洞，有压隧洞出口在竖井内收缩成射流出口，在竖井与导流洞相接处前半段导流洞内设置堵头形成盲室。本发明方法包括以下改建设施：短压力进水口、引水道段、水流调整段、收缩段、竖井段、竖井隧洞连接段、导流洞段。本发明尤其适应高水头、大流量的泄洪洞改建，在下游水位较高情况仍然可以稳定有效泄洪；新建隧洞部分占地面积小，布置灵活，极大地降低了消能设施的成本。

Description

导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法

技术领域

本发明公开一种导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，属于水利水电技术领域。

背景技术

在现有技术中，把施工导流洞改建成永久泄洪洞是一种较常见的水电站枢纽建设方式，具有很高的经济价值，一直是水利水电工程设计与研究中一项重要内容。传统的改建以“龙抬头”和“龙落尾”型式居多，这两种方式的改建沿用了很多年，在众多水电枢纽建设中发挥了巨大的经济效益，如刘家峡、二滩等工程。随着高坝建设的飞速发展，传统的“龙抬头”和“龙落尾”型式改建，已经不能满足坝高要求，反弧段空蚀问题日趋突出(郭军，张东，刘之平，范灵，大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析[J]，水利学报，2006年第10期，1193-1198)。表1列出部分以传统“龙抬头”或“龙落尾”方法改建的泄洪洞情况，由表中可见水头较低、流量较小时传统改建方法可行，当水头较高或流量较大时传统方法改建的泄洪洞会出现空蚀破坏。

表1

目前已有一些将导流洞改建为高水头泄洪洞的方法。这些改建方法包括改建为：环堰式竖井泄洪洞、旋流式竖井泄洪洞、孔板消能泄洪洞、洞塞消能泄洪洞等。但是在以上改建方法中，存在占地面积大，施工复杂，泄洪流量小的缺点。不能同时满足高水头、大流量的泄洪要求(杨永全，邓军，许唯临，廖华胜，高鹏，张建民，导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法[P]，200610021512.1)。

我国在西部深山峡谷中修建的高坝都具有大型的施工导流洞，若将其改建成永久泄洪洞，其工作水头接近200m～250m，在反弧段末端的流速将超过50m/s，高速水流以及衍生水力学问题将造成泄洪洞的严重损坏。如果不采取新的改建方法，很多高坝就不得不放弃导流洞的改造，造成巨大的经济浪费。

发明内容

本发明针对在高水头、大流量泄洪要求下导流洞改建为泄洪洞过程中存在的困难，提供一种新的改建方法，即导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，该方法充分发挥导流洞在工程建成后的作用，节约工程投资。

本发明导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，在导流洞进水端下游修建一段竖井，竖井下部与导流洞顶相接，上部接龙落尾型式有压隧洞，有压隧洞出口在竖井内收缩成射流出口，在竖井与导流洞相接处前半段导流洞内设置堵头形成盲室。

上述有压隧洞包括：短压力进水口、引水道段、水流调整段、收缩段；

上述竖并包括竖井段、竖井隧洞连接段、导流洞段；

上述的短压力进水口包括口门和压板，口门的顶部和侧面曲线体型都为椭圆曲线；

上述的引水道段包括抛物线段和圆弧段，抛物线段与圆弧段相切并下弯；

上述的水流调整段末端的截面为圆形；

上述的竖井段顶部有通气孔；

上述的竖井隧洞连接段包括交接段和底板加固设施，加固设施一般为混凝土平台；

上述的竖井段与导流洞段通过交接段平顺连接，交接段为椭圆曲线；

为了解决上述技术问题，本发明中所涉及尺寸的公式及计算方法如下：

(1)根据设计泄洪流量计算短压力进水口尺寸；

(2)根据水流平均流速计算抛物线段系数；

(3)根据泄洪流量计算收缩段的出口直径；

(4)根据单位容积消能率方法确定竖井段的高度；

上述的措施(1)中用来计算短压力进水口尺寸的公式为：

$Q=\mathrm{\μbh}\sqrt{2g(H-h)}$

式中，Q为泄洪流量，b为孔口宽度，h为孔口高度，H为水库水位与进口底板间的高差，g为重力加速度，μ为流量系数。

上述的措施(2)中用来计算抛物线段系数的公式为：

a＝g/(2c²V²)

式中，g为重力加速度，c为闸门出口水流流速不均匀修正系数，V为闸门出口水流平均速度。

上述的措施(3)中用来计算收缩段的出口直径的公式为：

D＝α(Q²/g)^1/5

式中，D为水流调整段的直径，Q为泄洪流量，g为重力加速度，α是反映收缩阻水的系数，经发明人多次试验，惊奇地发现，α取值为0.8～1.5本发明的效果最好。

上述的措施(4)中用来计算收竖井段高度的公式为：

$H=\frac{4\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\β\π}{D}^2}$

式中，H为竖井段的高度，ΔE是竖井段的消能量；D为竖井段直径与调整段使用相同方程确定，β为单位容积消能率，经发明人多次试验，惊奇地发现，β取值为40kw/m³～50kw/m³本发明的效果最好。

本发明与已有技术相比具有如下有益效果：

1、与“龙抬头”或“龙落尾”泄洪洞相比，本发明可以减少泄洪洞受到空蚀破坏的风险，增加了工程的安全性；

2、与旋流式改建方法相比，本发明占地面积小，可以使水利工程枢纽布置更灵活并安全可靠，新建隧洞体型简单，避免了竖井旋流方案中新建隧洞体型大，涡室结构复杂施工难度高的问题；

3、与环堰式、旋流式、孔板式、洞塞式等改建方案相比，由于通过本发明改建的泄洪洞水流直接射入导流洞进行消能，因此本方法具有泄洪流量大的优点。

附图说明

图1为本发明方法的一种改建方式的纵向剖面示意图；

图2为本发明方法的一种改建方式的俯视示意图；

图3为本发明方法的一种改建方式的引水道段2截面为圆形型式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

如图1、2、3所示，本发明实施例是在导流洞进水端下游修建一段竖井，竖井下部与导流洞顶相接，上部接龙落尾型式有压隧洞，有压隧洞出口在竖井内收缩成射流出口，在竖井与导流洞相接处前半段导流洞内设置堵头形成盲室。

所述的有压隧洞包括：短压力进水口1、引水道段2、水流调整段3、收缩段4；

所述竖井包括竖井段5、竖井隧洞连接段6、导流洞段7；

其中所述的短压力进水口1包括口门8和压板9，口门8的顶部和侧面曲线体型都为椭圆曲线，顶部的椭圆曲线长轴取为孔口高度，短轴取为0.35倍的孔口高度，压板9的坡度为1∶4；

所述的引水道段2包括抛物线段10和圆弧段11，抛物线段10与圆弧段11相切并下弯；

所述的水流调整段3末端的截面为圆形；

所述的竖井段5顶部有通气孔17；

所述的竖井隧洞连接段6包括交接段12和底板加固设施13，加固设施13一般为混凝土平台，加固设施13的尺寸根据泄洪水头设计，厚度可取为1m～50m；

所述的竖井段5与导流洞段7通过交接段12平顺连接，交接段12为椭圆曲线；

所述的导流洞段7的封闭端保留一定空间形成盲室段14；

当枢纽进行泄洪运行时，水流首先进入短压力进水口1，经引水道段2、水流调整段3、收缩段4形成高速射流，射入竖井段5，在竖井段5和盲室14中进行激烈的碰撞消能。流速降低的水流经竖井隧洞连接段6进入导流洞段7，在导流洞段7中受到压板和加固设施13的调整作用后平顺流出。

为了解决上述技术问题，本实施例以溪洛渡工程数据为基础进行计算：

(1)根据设计泄洪流量计算短压力进水口1尺寸；

设计泄洪流量Q_设＝2553m³/s，μ＝0.96-0.12h/b+0.01H/h＝0.913，计算得短压力进水口1尺寸为h＝10m，b＝14m；

(2)根据水流平均流速计算抛物线段10系数；

校核泄洪流量为Q_校＝2741m³/s，计算得V＝Q_校/(h×b)＝19.6m/s，根据试验获得的流速修正系数为c＝1.18，抛物线段10系数a＝g/(2c²V²)＝0.0092；

(3)根据泄洪流量计算收缩段4的出口直径；

收缩段4的出口直径为D＝α(Q_校 ²/g)^1/5＝0.8×(2741²/9.8)^1/5＝12m；

(4)根据单位容积消能率方法确定竖井段5的高度；

竖井段5的高度为 $H=\frac{4\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\β\π}{D}^2}=\frac{4\×1500000}{50\×3.14\×{12}^2}=265.4m.$

实施例二

本实施例结构和实施方法与实施例一相同，计算方法如下：

(1)根据设计泄洪流量计算短压力进水口1尺寸；

设计泄洪流量Q_设＝2553m³/s，μ＝0.96-0.12h/b+0.01H/h＝0.913，计算得短压力进水口1尺寸为h＝10m，b＝14m；

(2)根据水流平均流速计算抛物线段10系数；

校核泄洪流量为Q_校＝2741m³/s，计算得V＝Q_校/(h×b)＝19.6m/s，根据试验获得的流速修正系数为c＝1.18，抛物线段10系数a＝g/(2c²V²)＝0.0092；

(3)根据泄洪流量计算收缩段4的出口直径；

收缩段4的出口直径为D＝α(Q_校 ²/g)^1/5＝1.2×(2741²/9.8)^1/5＝18m；

(4)根据单位容积消能率方法确定竖井段5的高度；

竖井段5的高度为 $H=\frac{4\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\β\π}{D}^2}=\frac{4\×1500000}{45\×3.14\×{18}^2}=131.1m.$

实施例三

本实施例结构和实施方法与实施例一相同，计算方法如下：

(1)根据设计泄洪流量计算短压力进水口1尺寸；

设计泄洪流量Q_设＝2553m³/s，μ＝0.96-0.12h/b+0.01H/h＝0.913，计算得短压力进水口1尺寸为h＝10m，b＝14m；

(2)根据水流平均流速计算抛物线段10系数；

校核泄洪流量为Q_校＝2741m³/s，计算得V＝Q_校/(h×b)＝19.6m/s，根据试验获得的流速修正系数为c＝1.18，抛物线段10系数a＝g/(2c²V²)＝0.0092；

(3)根据泄洪流量计算收缩段4的出口直径；

收缩段4的出口直径为D＝α(Q_校 ²/g)^1/5＝1.5×(2741²/9.8)^1/5＝22.5m；

(4)根据单位容积消能率方法确定竖井段5的高度；

竖井段5的高度为 $H=\frac{4\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\β\π}{D}^2}=\frac{4\×1500000}{40\×3.14\×{22.5}^2}=94.4m.$

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而己，并不用于限制本发明，凡在本发明的权利要求之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，其特征在于：在导流洞进水端下游修建一段竖井，竖井下部与导流洞顶相接，上部接龙落尾型式有压隧洞，有压隧洞出口在竖井内收缩成射流出口；在竖井与导流洞相接处前半段导流洞内设置堵头形成盲室；所述的泄洪洞包括以下结构：短压力进水口(1)、引水道段(2)、水流调整段(3)、收缩段(4)、竖井段(5)、竖井隧洞连接段(6)、导流洞段(7)。

2.根据权利要求1所述的导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，其特征在于：所述短压力进水口(1)包括口门(8)和压板(9)，其中，所述的口门(8)的顶部和侧面曲线体型都为椭圆曲线。

3.根据权利要求1所述的导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，其特征在于：所述的引水道段(2)包括抛物线段(10)和圆弧段(11)，其中，所述抛物线段(10)与圆弧段(11)相切并下弯。

4.根据权利要求1所述的导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，其特征在于：所述的水流调整段(3)末端的截面为圆形。

5.根据权利要求1所述的导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，其特征在于：所述的竖井段(5)顶部设有通气孔；

所述的竖井隧洞连接段(6)包括交接段(12)和底板加固设施(13)，所述的加固设施(13)为混凝土平台；

所述的竖井段(5)与水平隧洞(7)通过交接段(12)平顺连接，所述的交接段(12)为椭圆曲线。

6.根据权利要求1所述的导流洞改建为射流内消能竖井泄洪洞的方法，其特征在于：包括以下措施：

(1)根据设计泄洪流量计算短压力进水口(2)尺寸；

(2)根据水流平均流速计算抛物线段(10)系数；

(3)根据泄洪流量计算收缩段(4)的出口直径；

(4)根据单位容积消能率方法确定竖井段(5)的高度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(1)中用来计算短压力进水口(2)尺寸的公式为：

$Q=\mathrm{\μbh}\sqrt{2g(H-h)}$

式中，Q为泄洪流量，b为孔口宽度，h为孔口高度，H为水库水位与进口底板间的高差，g为重力加速度，μ为流量系数。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(2)中用来计算抛物线段(10)系数的公式为：

a＝g/(2c²V²)

式中，g为重力加速度，c为闸门出口水流流速不均匀修正系数，V为闸门出口水流平均速度。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(3)中用来计算收缩段(4)的出口直径的公式为：

D＝α(Q²/g)^1/5

式中，D为水流调整段(3)的直径，Q为泄洪流量，g为重力加速度，α是反映收缩阻水的系数取为0.8～1.5。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(4)中用来计算竖井段(5)的高度的公式为：

$H=\frac{4\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\β\π}{D}^2}$

式中，H为竖井段(5)的高度，ΔE是竖井段(5)的消能量；D为竖井段(5)直径，β为单位容积消能率，β值范围为40kw/m³～50kw/m³。

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