CN102767164A - 一种坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，以解决高水头、大流量高坝传统旋流竖井出现的泄流量小、消能率低、壁面掺气困难、竖井振动强的问题，涡室经其上的进水口与引水渠连通，引水渠有两条，引水渠的出水口成对角方向左右对称置于涡室两侧，两条引水渠进入涡室水流的夹角为180°，涡室上端有通气孔，涡室下端有渐变段，渐变段下端连接有竖井段，竖井段上有多段间隔布置的洞塞体，竖井段底端有水垫池，水垫池上端有与竖井段连通的出水段；本发明将涡室进水口设置为两个双向180°进水口，可增加竖井的泄流能力，将竖井段设计为间隔布置的洞塞旋流消能工，可增加水流的消能效率，避免现有旋流竖井容易出现空蚀空化的问题，同时可减少竖井的振动。

Description

一种坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施

技术领域

本发明涉及水利水电工程中的旋流竖井，特别是一种坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施。

背景技术

我国在建和即将建设的高坝较多，尤其是高度大于200m的大坝，基本上均建于深山峡谷地带，山高谷深，工程建设普遍存在水头高、流量大、河谷窄等技术特点，泄洪消能问题十分突出，特别是泄水建筑物的泄流、消能、空化空蚀、紊流振动等问题，更是急需解决的难点；旋流竖井是一种较新型的泄洪消能设施，旋流式内消能工的引水道和竖井泄水道不在同一纵轴线上，由于引水道水流从涡室的切向进入涡室，绕竖井轴心旋转呈贴壁流动，在竖井中央形成稳定空腔，因而既能保持水流流态的稳定，又能形成良好的通气条件；但是工程实践与模型试验表明，在大流量和高水头情况下，传统的旋流竖井技术存在以下缺点：1、泄流量较小，不适宜作为溢洪道，尤其是对于布置溢洪道较困难的高坝，传统竖井的泄流量一般很难达到流量2000m³/s以上；2、消能率低，一般坝高在200m以上的高坝，特别是300m以上的特高坝，传统竖井的消能率一般都在60%以下，造成竖井振动较大；3、传统竖井中流速过高，一般可达30~50m/s，造成掺气减蚀困难。

发明内容

针对上述情况，为解决高坝（200m以上高坝）泄洪消能设施布置困难的问题，克服传统竖井消能工的不足与缺点，本发明之目的就是提供一种坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，以解决高水头、大流量高坝传统旋流竖井出现的泄流量小、消能率低、壁面掺气困难、竖井振动强的问题。

其解决的技术方案是，包括涡室和引水渠，涡室经其上的进水口与引水渠连通，引水渠有两条，引水渠的出水口成对角方向左右对称置于涡室两侧，两条引水渠进入涡室水流的夹角为180°，涡室上端有通气孔，涡室下端有渐变段，渐变段下端连接有圆筒形的竖井段，竖井段上有多段间隔布置的洞塞体，竖井段底端有水垫池，水垫池上端有与竖井段连通的出水段；所说的与涡室相连的两条引水渠平直进水长度L＝2-5D，所说的洞塞体为圆筒形，洞塞体直径D1＝0.7-0.9D，相邻两个洞塞体距离L1＝1.8-2.2D，洞塞体长L2=0.5-1.0D，间隔布置3组，D为竖井段直径。

本发明将涡室进水口设置为两个双向180°进水口，可增加竖井的泄流能力，将竖井段设计为间隔布置的洞塞旋流消能工，可增加水流的消能效率，避免现有旋流竖井容易出现空蚀空化的问题，同时可有效减少竖井的振动。

附图说明

图1为本发明的主视剖面图。

图2为本发明图1中I-I处的剖面结构图。

图3为本发明图1中II-II处的剖面结构图。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1至图3给出，本发明包括涡室和引水渠，涡室1经其上的进水口与引水渠2连通，引水渠有两条，引水渠的出水口成对角方向左右对称置于涡室1两侧，两条引水渠进入涡室水流的夹角为180°，涡室1上端有通气孔3，涡室1下端有渐变段4，渐变段4下端连接有圆筒形的竖井段5，竖井段5上有多段间隔布置的洞塞体6，竖井段5底端有水垫池7，水垫池7上端有与竖井段5连通的出水段8；所说的与涡室相连的两条引水渠平直进水长度L＝2-5D，所说的洞塞体为圆筒形，洞塞体直径D1＝0.7-0.9D，相邻两个洞塞体距离L1＝1.8-2.2D，洞塞体长L2=0.5-1.0D，间隔布置3组，D为竖井段直径。

为了保证使用效果，所说的渐变段4为上大下小的锥形体。

所说的涡室1的剖面为圆形，涡室的直径D2＝1.5-1.7D。

所说的引水渠2的剖面为方形，方形的宽度a＝0.1-0.4D2，方形的高度b＝1.1-1.3a，引水渠2宽度方向的中心线与涡室1的竖向轴心线有偏心距R，偏心距R＝0.5-1D，偏心距的存在，可以使水流在涡室1内充分的旋转。

所说的水垫池7为圆筒形，水垫池7的直径与竖井段5的直径D相同，用于保证比较好的出水段流态，便于控制出水段的水流速度，同时减少对下游河床的冲刷。

本发明的洞塞体6为3组。

实施例1：在流速≤25m/s和流量2000~3000m³/s的条件下，取竖井直径D=16m，引水道的断面尺寸宽a=10m，高b=12m，引水渠长度L根据大坝实际宽度来定，一般取长度L=2-5D； 

一般情况下，偏心距R越大越好，因为偏心距越大，引水渠内的水流对竖井轴线的动量距越大，水流在涡室的旋转会越充分，旋流竖井系统的消能率越高，而且流态也会更好，但是，这往往与高坝的宽度相互矛盾，通过理论分析与模型试验，取偏心距R=8.5m；

根据试验，取涡室直径D2=27m，通气孔直径为0.8m，渐变段是涡室与竖井的连接体，高度取30m；

本消能设施要求有较大的泄流量，根据研究可知当单一引水渠流量增加时，必须增加引水渠的过水断面，过大渠道断面给建筑物设计与结构安全带来很大的隐患，同时也必须增加竖井的直径，这样就对坝体的尺寸提出更高的要求，同时消能率也会降低；故要保证在较大流量的情况下，仍然有相当的消能率，必须增加其它辅助的泄流与消能方式，本发明设置2条引水渠进口成180°共同引水（同时顺时针方向旋转）以增加泄流量，同时在竖井内增加洞塞，洞塞的数量及布置需要根据试验结果不断调试，本发明布置为3个洞塞体，直径D1为14m，高度为15m，间隔布置，间距30m；

为保证出水段流态较好，便于控制出水段的水流速度，同时为了减少对下游河床的冲刷，在竖井与出水段中间设置水垫池，池深30m，直径与竖井段相同，出水段长度根据实际情况而定，满足下游有压出流。

本发明依据某大流量、高水头、深峡谷高坝设计，利用物理模型试验的手段，在设计洪水情况下，通过本发明设施进行泄洪，具体实施方式为：

水流通过2条引水渠（进入涡室水流方向成180o）进入涡室1内（2条水流顺时针进入涡室），由于水流流向与竖井段轴线不在同一平面上，两者之间具有对竖井轴线的动量矩，水流在涡室与渐变段内下切的同时，沿竖井轴线旋转，水流贴壁运动，高速旋转的水流与壁面之间形成摩擦阻力，消杀部分水流能量，由于存在洞塞体，旋转水流过水断面会突扩与突缩，增加了水流的能量损失，同时在洞塞体下部可以进行掺气，即可减少水流的能量，降低流速，又可以减少竖井的振动，避免空化空蚀等病害的发生；经过3级洞塞体与竖井段消能，水流进入水垫水势池，水流在池内相互碰撞掺混，又消杀部分能量，有利于出水段的平稳泄流。

本发明的有益效果是：

1、根据试验结果，本发明与传统竖井泄流消能设施相比，在相同的条件下（上游水位、有压引水、下游淹没出流，引水渠、涡室与竖井直径等尺寸相同），当上游水位在20-30m时，泄流量最大可达3000m³/s，消能率最高可达90%，提高泄流能力达35%，提高消能率达25％左右。

2、本发明将传统旋流式竖井设置为双向引水，并且在竖井段间隔布置洞塞体的旋流泄流消能设施，大大提高了竖井的泄流能力和消能效率，同时可有效降低竖井的振动，减免空蚀空化，为高水头、大流量与窄峡谷条件下水库泄洪消能提供了一种新颖的技术方案。

Claims (5)

1.一种坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，包括涡室和引水渠，其特征在于，涡室（1）经其上的进水口与引水渠（2）连通，引水渠有两条，引水渠的出水口成对角方向左右对称置于涡室（1）两侧，两条引水渠进入涡室水流的夹角为180°，涡室（1）上端有通气孔（3），涡室（1）下端有渐变段（4），渐变段（4）下端连接有圆筒形的竖井段（5），竖井段（5）上有多段间隔布置的洞塞体（6），竖井段（5）底端有水垫池（7），水垫池（7）上端有与竖井段（5）连通的出水段（8）；所说的与涡室相连的两条引水渠平直进水长度L＝2-5D，所说的洞塞体为圆筒形，洞塞体直径D1＝0.7-0.9D，相邻两个洞塞体距离L1＝1.8-2.2D，洞塞体长L2=0.5-1.0D，间隔布置3组，D为竖井段直径。

2.根据权利要求1所述的坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，其特征在于，所说的渐变段（4）为上大下小的锥形体。

3.根据权利要求1所述的坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，所说的涡室（1）的剖面为圆形，涡室的直径D2＝1.5-1.7D。

4.根据权利要求1所述的坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，所说的引水渠（2）的剖面为方形，方形的宽度a＝0.1-0.4D2，方形的高度b＝1.1-1.3a，引水渠（2）宽度方向的中心线与涡室（1）的竖向轴心线有偏心距R，偏心距R＝0.5-1D。

5.根据权利要求1所述的坝内双向进流旋流式竖井泄流消能设施，所说的水垫池（7）为圆筒形，水垫池（7）的直径与竖井段（5）的直径D相同。

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