CN102704448B - 一种深孔旋流竖井泄洪洞和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深孔旋流竖井泄洪洞，包括：用短压力进水口，短压力进水口与明流引水道连接处设置弧形闸门，明流引水道与涡室连接，涡室设置在竖井的顶端，竖井底端与出水洞连接，所述的短压力进水口为深孔进水口；所述的明流引水道末端以1/4椭圆曲线同涡室偏心相切连接；所述的弧形闸门出口处设置掺气跌坎，所述掺气跌坎下游两侧的洞壁上设置通气管。本发明采用短压力的深孔进水口，兼顾放水和泄洪，用一条洞代替了泄洪洞和放水洞，降低了工程费用。解决高水头大流速在进水口底部容易产生空蚀问题，设置了带有通气管的掺气跌坎。优化了明流引水道与涡室之间的连接结构，防止明流引水道与涡室连接段水跃封顶和向上游移动，降低泄流能力。

Description

一种深孔旋流竖井泄洪洞和设计方法

技术领域

本发明涉及一种深孔旋流竖井泄洪洞和设计方法，是一种水工设施，是一种用于放空水库和泄洪的水工设施。

背景技术

目前水电工程广泛修建百米以上高的面板堆石挡水坝，与钢筋混凝土档水坝不同的是，为了保证大坝安全，在面板堆石挡水坝上不设泄洪用的溢流口，而是在挡水坝两侧山体中设置进水口较高的泄洪洞（或岸边泄漕）泄洪。同时面板堆石挡水坝与钢筋混凝土挡水坝一样还要设置为大坝事故放水和供下游用水的放水洞。但放水洞的进水口比泄洪洞的进水口低得多，然而，泄洪洞和放水洞除了进水口高度不同外，其他部分十分类似，分别修建两个进水口不同高度的泄洪洞和放水洞，极不经济。因此，曾提出了用竖井斜井放水洞作为泄洪洞的设计方案。但采用传统的斜井式放水洞承担泄洪，产生的问题是：必须建造深孔进水口，即利用同一个进水口既能泄洪又能放水。但是深孔进水口的深孔底板的作用水头较高，例如贵州洪家渡，四川瓦屋山和新疆乔巴特泄洪洞的深孔水头分别约为70m、73m和72m，泄洪洞底板上总水头分别为115m、123m、194m，对于传统的斜井式泄洪洞，则在斜井下游反弧段上流速达40m~55m/s，洞内易发生空蚀破坏。世界上有许多大坝的斜井式泄洪洞发生了严重的空蚀破坏，例如美国的胡佛坝、格林峡坝和黄尾坝等斜井式泄洪洞。还有墨西哥的英菲尔尼罗坝、西班牙的阿尔达阿达比拉坝等泄洪洞，也发生了破坏。另外，为了消能，传统的斜井式放水洞的出水口采用挑流出水，水流在出水口在挑流坎的作用下向空中射出。射向空中的水流产生的冲刷和雾化，破坏了出水口周围的生态环境。中国刘家峡斜井式泄洪洞初次放水时，由于出口挑流雾化，以及所携带泥沙、粉尘，使高压变电器短路，导致电力中断，同时还破坏了岸边公路。根据对中国二滩水坝的两条泄洪洞放水挑流雾化的原型观测结果，发现由于雾化形成的降雨量竟然达到1000mm/h，引起山体滑坡和生态植被破坏。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种深孔旋流竖井泄洪洞和设计方法。所述的泄洪洞采用深孔进水口，兼顾泄洪和放水。同时采用旋流竖井，高水头水流在旋流竖井中消能，在出水口无需设置挑流坎，水流可以平稳流入下游河道。所述的设计方法，优化引水道与涡室的连接结构，使泄流顺畅。

本发明的目的是这样实现的：一种深孔旋流竖井泄洪洞，包括：用短压力进水口，所述的短压力进水口与明流引水道连接，所述的短压力进水口与明流引水道连接处设置弧形闸门，所述的明流引水道与涡室连接，所述涡室设置在竖井的顶端，所述的竖井底端与出水洞连接，所述的出水洞中设有组合消力墩，所述的出水洞与出水口连接，所述的短压力进水口为深孔进水口；所述的明流引水道末端以1/4椭圆曲线同涡室偏心相切连接；所述的弧形闸门出口处设置掺气跌坎，所述掺气跌坎下游两侧的洞壁上设置通气管，所述的通气管的一端设置在掺气跌坎的背水面或背水面两侧，所述通气管的另一端设置在接近洞顶的部位。

一种设计上述泄洪洞的明流引水道末端与涡室偏心相切椭圆曲线的方法，所述方法的步骤如下：

在明流引水道末端的一侧边壁采用1/4椭圆曲线同涡室圆弧偏心相切连接，并且弧形闸门孔口尺寸的高、宽比h/B≥1.3；

竖井直径尺寸D的确定：

                                           

式中：为最大流量Q时，根据弧形闸门的宽度B和高度h计算出的明流引水道弗汝德数，g为重力加速度；

涡室直径D_V的确定：

                                                 

选择涡室圆弧中心线同引水道轴线的间距的△值，及涡室圆弧与椭圆曲线的中心间距C值，

                                   

C=0.5D _V                                                         

根据△和C计算椭圆曲线的长、短半轴分别为

                                            

引水道末端椭圆曲线同涡室的切点座标在x轴上，即x=a，y=0

若在个别的情况下按上述式计算结果两曲线不相切，则按下式计算长半轴：

                                        

短半轴的计算保持不变，椭圆曲线与涡室圆弧的切点座标：

                                 

涡室的进口宽度：

                          

式中：R _V =0.5D _V、。

本发明产生的有益效果是：本发明采用短压力的深孔进水口，兼顾放水和泄洪的水位高度，用一条泄洪洞代替了传统的泄洪洞和放水洞，降低了工程费用。为解决高水头大流速在进水口底部容易产生空蚀问题，设置了带有通气管的掺气跌坎。同时优化了明流引水道与涡室之间的连接结构，研究出能降低涡室进口前水跃高度的连接结构，以防止明流引水道与涡室连接段水跃封顶和向上游移动，降低泄流能力。同时通过竖井旋流、环状水跃和出水洞内设置的组合消力墩的联合消能，使总消能率达到80%以上，大大降低水流在出水口处的流速，有效避免出水口外发生空蚀，减轻出口水流产生的冲刷和雾化现象。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述泄洪洞的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述泄洪洞的结构示意图，是图1中A-A方面剖视图；

图3是本发明的实施例五所述组合消力墩的结构示意图；

图4是本发明的实施例五所述组合消力墩的结构示意图，是图1中L-L向视图；

图5是使用传统计算方式计算得到的引水道末端椭圆曲线与涡室圆连接结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种深孔旋流竖井泄洪洞，如图1、2所示。本实施例包括：用短压力进水口1，所述的短压力进水口与明流引水道3连接，所述的短压力进水口与明流引水道连接处设置弧形闸门2，所述的明流引水道与涡室6连接，所述涡室设置在竖井7的顶端，所述的竖井底端与出水洞9连接，所述的出水洞中设有组合消力墩8，所述的出水洞与出水口连接，所述的短压力进水口为深孔进水口；所述的明流引水道末端以1/4椭圆曲线301同涡室偏心相切连接；所述的弧形闸门出口处设置掺气跌坎4，所述掺气跌坎下游两侧的洞壁上设置通气管5，所述的通气管的一端501设置在掺气跌坎的背水面或背水面两侧，所述通气管的另一端502设置在接近洞顶的部位。

本实施例采用竖井旋流的消能方式，即使高水头的水流在一个竖直的井中产生旋流，消除水流的势能。产生旋流设施是设置在竖井顶部的涡室，涡室的直径略大于竖井，水流以涡室外沿的切线方向进入涡室，产生旋流。旋流进入竖井，在竖井中产生环形水跃消能。部分消能的水流流出竖井进入接近水平的出水洞，在出水洞中设置的组合消能墩对水流中的能量进一步消能。通过竖井旋流、环状水跃和洞内压力消能工的联合消能，使总消能率达到80%以上，大大降低洞内流速，可避免出水口发生空蚀，减轻出口冲刷和雾化现象。

本实施例所示的泄洪洞可以兼做放水洞，即可以泄洪也可以放水。本实施例为了兼顾放水和泄洪，所述的进水口采用深孔进水口，当总水头不大于150m时设置一层进水口，当水头再高时可以设置上下两层进水口。

本实施例所述的深孔进水口是一种短压力进水口。在水工领域，短压力进水口指的是从进口曲线、闸门槽和顶压板这一短的有压流段，下接明流引水道；若进口下接压力引水道时，则称长压力进水口。

本实施例所述的进水口与涡室之间有一段明流引水道。在明流引水道中设置有弧形闸门，所述的弧形闸门根据泄洪或放水的需要开闭。所述的圆弧闸门的门口的宽度B和高度h是一个重要的数据，通常作为计算明流引水道的宽度和高度。因为在通常情况下圆弧闸门口的宽度或高度即为明流引水道的宽度，或者闸门口的宽度或高度略小于明流引水道的宽度或高度。所谓明流是指水流在引水道（洞）中流动时，不是充满整个水道（洞）的截面，而只是在洞的下半部分流动，洞的上半部分充满空气。

由于是深孔进水，水头高流速大，在明流引水道中的水流带有大量的能量，这些能量十分容易对明流引水道的底板产生空蚀破坏。为了防止空蚀，本实施例在明流引水道中采用了一个关键性的措施：跌坎。水流在经过跌坎的时候，在跌坎背水面产生涡旋，涡旋水流与主水流相互冲击、搅动，可以起到的消能作用。但如果不采取措施，这个涡旋产生的负压对跌坎下游的底板会产生空蚀破坏。为此本实施例在跌坎背水面设置通气管，将引水道（洞）顶部的空气引导到跌坎的背水面进行掺气，减轻涡旋对底板的负压，防止空蚀破坏。

所述的通气管竖直的埋设在引水道的侧壁上，通气管的上口敞开在引水道的上部，可以吸收引水道上部的空气。通气管的下口，设置在跌坎的背水面或跌坎背水面两侧的洞壁上，用于消减跌坎背水面的负压。通气管可以是两侧洞壁上各埋设一根的粗大金属管，或其他材质的管子，也可以是多根管子。管子的截面可以是圆形或矩形，或者其他形状。

本实施例的另一个关键点在于优化明流引水道与涡室连接部位。明流引水道与涡室连接部位采用（涡室）圆与（引水道）椭圆内切的方式。水流进入涡室沿椭圆曲线进入，可以减小水流对涡室壁的冲击。过去的设计方式使引水道进入涡室的实际宽度小，引发了涡室进口收缩率大，过流面积小，涡室进口段很容易被水跃封堵，产生明满流过渡流态，降低泄流能力，严重时会使水跃向上游移动，危机结构物安全。为此，本实施例缩短了涡室圆弧与椭圆曲线的中心间距C值，同时增加了涡室圆弧中心线同引水道轴线的间距的△值，见图2。这样优化设计的引水道与涡室连接结构，涡室进口增宽，旋流角动量增大，旋转力度加强。在相同的进水口底板上的作用水头H，弧形门尺寸B、h和引水道的宽度的条件下，可以降低涡室上游水跃的高度，避免水跃封顶形成有害的明满流过渡流态和水跃向上游移动减小泄流能力，同时能完全消除涡室同竖井连接跌坎处的负压。

为增加涡室水流旋转的力度，消除跌坎处的负压，同时增加引水道与涡室连接部位的强度，在引水道与涡室连接部位的引水道底板上浇筑折流坎。所述的折流坎为立体三角形。

竖井底部连接的出水洞可以是水坝施工过程中开凿的导流洞，以往的水坝施工结束后即废弃，本实施例将其改造利用作为泄洪洞的出水洞。改造施工十分简单，除设置竖井外，仅在出水洞适当位置浇筑组合消力墩即可。

所述的组合消力墩包括：浇筑在出水洞底板上的消力墩和洞壁上的侧墩。消力墩和侧墩是三角墩形，其组合的方式可以是消力墩和侧墩的背水面同在一个洞的截面上，形成连体，也可以分开，将侧墩设置在消力墩的下游等多种选择，具体设置视具体情况而定。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于明流引水道与涡室连接部位椭圆曲线的细化。本实施例所述的明流引水道末端的1/4椭圆曲线301位于垂直于涡室回转中心线601并切割明流引水道的平面中，在所述平面中与引水道水流方向垂直的椭圆中心线302（坐标的Y轴）到与之平行的涡室圆602中心线10之间的距离C为零点五倍的涡室直径，如图2所示。

引水道与涡室的连接部位十分重要，水流进入涡室要有一个正确的角度，使水流不会对涡室形成过大的冲击，还能有效的产生旋转。本实施例所述引水道末端为1/4的椭圆曲线，该椭圆曲线与涡室圆内切。所述的椭圆曲线和涡室圆在垂直于涡室回转中心轴线的平面中，该平面同时切割引水道。所述椭圆曲线的y轴与引水道水流的方向（图2中箭头G所表示的方向）垂直，x轴与引水道水流方向平行且过涡室圆的中心，x、y轴交与o点。该椭圆曲线与y轴重合的中心轴线与涡室圆的中心轴线（与上述椭圆曲线的中心轴线平行）之间的距离为涡室的半径R _V，或者说是涡室直径的一半0.5D _V，见图2。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二明流引水道与涡室交界处的细化。本实施例所述的明流引水道末端与涡室交界处设置折流坎11，如图2所示。

本实施例所述的折流坎不仅能完全消除负压，还能增加连接段结构强度。如图2所示，所述折流坎为m、n、p倾斜面，其中m点垫厚0.15D（D—竖井直径，半径为R），n、p点同底板齐平，形成m高，n点、p点低的立体三角形。引水道的水流向n点方向偏移，增加涡室水流旋转的力度，可以完全消除跌坎处负压。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例的细化。本实施例所述的短压力进水口，当总水头小于150米时设置一层水口，当总水头大于150米时设置两层水口。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于组合消力墩的细化，如图3、4所示。本实施例所述的组合消力墩包括：设置在出水洞底板上的消力墩802和设置在洞壁上的侧墩801，所述底板上的消力墩与侧墩可以组合在同一洞的截面上，也可以前后分开设置。

所述的消力墩和侧墩可以连接在一起，如图3、4所示，也可以将侧墩设置在消力墩下游适当的位置。

实施例六：

本实施例是一种设计上述实施例所述泄洪洞的明流引水道末端与涡室偏心相切椭圆曲线的方法。本实施例所述的泄洪洞，主要采用短压力进水口，明流引水道同涡室连接，下接竖井和出水洞。其特点是进口作用水头H较高，引水道的弗汝德数大，在涡室前易产生明满流过渡现象，且水跃封顶并且可能向上游移动，降低泄流能力，这是绝对不允许的。图1是深孔旋流竖井泄洪洞基本结构和流态示意图。

为了优化引水道与涡室的连接结构，在引水道末端的一侧（指水流方向，本实施例为左侧，也可以在右侧）边壁采用1/4椭圆曲线同涡室圆偏心相切连接（见图2），并且弧形门孔口尺寸的高、宽比h/B≥1.3。

1、竖井尺寸确定

                                            （1）

式中：为最大流量Q，深孔弧形门宽度B和高度h计算的引水道弗汝德数

2、涡室直径确定

                                              （2）

3、引水道与涡室的优化连接结构

引水道末端采用1/4椭圆曲线同涡室偏心相切连接。首先选择涡室圆中心线同引水道轴线的间距（即偏心距）△值，及涡室圆与椭圆曲线的中心间距C值：

          （3）

C=0.5D _V                                               （4）

式中：D _V －涡室直径。

根据式（3）和式（4）计算椭圆曲线的长、短半轴分别为：

                                 （5）

式中：B－弧门孔口宽度，即引水道宽度。

引水道末端椭圆曲线同涡室圆的切点座标在x轴上，即x=a，y=0

若在个别的情况下按上述式计算结果两曲线不相切，则按式（6）计算长半轴：

                                    （6）

短半轴的计算保持不变，椭圆曲线与涡室圆弧的切点座标：

                               （7）

涡室的进口宽度：

                              （8）

式中：R _V =0.5 D _V 为涡室的半径；为引水道右侧直线壁同x轴的间距。

按照式（3）和式（4）计算△和C值至关重要，由此所得出的长、短半轴绘出的椭圆曲线与涡室连接结构，使涡室进口的宽度W增大，在相同的涡室进口高度下，过流面积增大，同时涡室进口入流与涡室内的旋转流交汇接触面减小，即阻力减小，因此水跃高度降低。

下面举例说明：

某深孔旋流竖井泄洪洞总水头约120m，进水口底板上水头H=72.42m，流量Q=860m³/s，弧门孔口尺寸Bh=4.6 m×6 m，h/B＞1.3。弧门末端至竖井轴长约35m，由于引水道很短，且流速较大(约30m/s)，为了防止引水道底板发生空蚀，在弧门末端采用跌坎和通气孔连接下游陡坡引水道。

弧门孔口处Fr=4.06，按式（1）和（2）计算竖井直径D=10m，涡室直径D _V =13m，

按式（3）和式（4）△=0.6D _V =0.6×13=7.8m和C=0.5D _V =0.5×13=6.5m，按式（5）计算的椭圆曲线长短半轴分别为：

 

=7.8+2.3=10.1m

引水道直线壁与x轴之间距：E=△－0.5B=7.8－0.5×4.6=5.5m

按式（8）涡室的进口宽度：

4.32m。

为说明本实施例的设计方法优于以往的设计方法，对比用具体数据计算的连接结构。

如果不按上述优化结构设计，而按照以往的设计方式则：取C=1.0D _V ，△值和b值不变，这时按式（6）计算a=19.76m ，引水道末端椭圆曲线同涡室圆连接结构见图5。

对比图2与图5，可以发现，两者的椭圆曲线发生了明显的变化。图2中的涡室进口宽度W=4.32m，比引水道宽度略微减小，仅缩小了6%。而图5中涡室进口宽度受椭圆曲线收缩的影响很大，涡室进口宽度W=3.36m，比引水道宽度收缩了38%。这表明，在相同的流量、水头、涡室直径和其进口高度情况下，由于图5所示的涡室进口收缩率大，过流面积小，涡室进口段很容易被水跃封堵，产生明满流过渡流态，并且水跃向上游移动，危机结构物安全和降低泄流能力。

若保持C=0.5D _V 不变，取△＜0.5D _V 值，这样做虽然可以减小连接曲线的收缩率和扩大涡室宽度，但是却使引水道末端即涡室的入流同涡室内的旋转流交汇接触面积扩大，产生很大的阻力，同样会使水跃增高封顶。

若在同样的水力学条件下，扩大涡室的直径，如取D _V ＞1.3D时，可以增加涡室进口宽度，减小入流同旋流之间的阻力，降低水跃高度，但是这要增加很多工程投资。因此只有按式（3）和式（4）设计椭圆与涡室的连接结构比较合理和经济，同时可以消减涡室和竖井连接跌坎的负压。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如涡室的形状、引水道的截面形状、计算步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。   

Claims (1)

1.一种设计泄洪洞的明流引水道末端与涡室偏心相切椭圆曲线的方法，所述方法涉及的深孔旋流竖井泄洪洞，包括：用短压力进水口，所述的短压力进水口与明流引水道连接，所述的短压力进水口与明流引水道连接处设置弧形闸门，所述的明流引水道与涡室连接，所述涡室设置在竖井的顶端，所述的竖井底端与出水洞连接，所述的出水洞中设有组合消力墩，所述的出水洞与出水口连接，其特征在于，所述的短压力进水口为深孔进水口；所述的明流引水道末端以1/4椭圆曲线同涡室偏心相切连接；所述的弧形闸门出口处设置掺气跌坎，所述掺气跌坎下游两侧的洞壁上设置通气管，所述的通气管的一端设置在掺气跌坎的背水面或背水面两侧，所述通气管的另一端设置在接近洞顶的部位；

所述的明流引水道末端的1/4椭圆曲线位于垂直于涡室回转中心线并切割明流引水道的平面中，在所述平面中与引水道水流方向垂直的椭圆中心线到与之平行的涡室圆中心线之间的距离为零点五倍的涡室直径；

所述的明流引水道末端与涡室交界处设置折流坎；

所述的短压力进水口，当总水头小于150米时设置一层水口，当总水头大于150米时设置上下两层水口；

所述的组合消力墩包括：设置在出水洞底板上的消力墩和设置在洞壁上的侧墩，所述底板上的消力墩与侧墩可以组合在同一洞的截面上，也可以前后分开设置；

所述方法的步骤如下：

在明流引水道末端的一侧边壁采用1/4椭圆曲线同涡室圆弧偏心相切连接，并且弧形闸门孔口尺寸的高、宽比h/B≥1.3；

竖井直径尺寸D的确定：

                                           

 

式中：为最大流量Q时，根据弧形闸门的宽度B和高度h计算出的明流引水道弗汝德数，g为重力加速度；

涡室直径D _V的确定：

                                                 

其特征在于：

选择涡室圆弧中心线同引水道轴线的间距的△值，及涡室圆弧与椭圆曲线的中心间距C值，

                                   

C=0.5D _V                                                         

根据△和C计算椭圆曲线的长、短半轴分别为

                                            

引水道末端椭圆曲线同涡室的切点座标在x轴上，即x=a，y=0

若在个别的情况下按上述式计算结果两曲线不相切，则按下式计算长半轴：

                                        

短半轴的计算保持不变，椭圆曲线与涡室圆弧的切点座标：

                              

涡室的进口宽度：

                          

式中：R _V =0.5D _V、。