CN104499466A - 一种变顶高尾水隧洞 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变顶高尾水隧洞，包括顶部高度不断增加的尾水隧洞主体，尾水隧洞主体顶部沿程设有至少一条与外界连通的通气孔。本发明从根本上解决了洞内明、满水流交替变化带来的压力变化问题，消除了水流对尾水隧洞衬砌的交变压力，从而有效保证了变顶高尾水隧洞的结构安全。

Description

一种变顶高尾水隧洞
技术领域
本发明属于水利水电工程领域，具体涉及一种变顶高尾水隧洞。
背景技术
通常情况下，若地下水电站工程的尾水隧洞较长，并且调节保证计算中尾水管的真空度不满足规范要求的情况下，需设置尾水调压室。采用变顶高尾水隧洞取代传统的尾水调压室，是近几年才发展起来的一项水电工程新技术。变顶高尾水洞是一种新型的尾水流道体形，其特点是利用洞顶斜面使下游水位与洞顶在任意处衔接，将尾水流道分成有压满流段和无压明流段。其工作原理就是利用下游水位的变化，即水轮机的淹没水深来确定尾水洞有压满流段的极限长度，使之始终满足过渡过程中尾水管进口断面真空度的要求，从而达到取代尾水调压室的作用。
目前，国内已有三座大型水电站采用了这项技术。由于不需建造规模庞大的尾水调压室，可以节省工程量、避免大型地下隧洞的开挖、减小施工风险，在我国西部水电开发的过程中，变顶高尾水隧洞这项水电站新技术拥有很大的使用空间。
然而，在研究和使用这项新技术的过程中，当电站去掉全负荷时（即关机工况，或者水电站过渡过程中的大波动工况等），变顶高尾水隧洞内的水流变化复杂，特别是下游水位接近洞口顶部时，尾水隧洞必将产生水流的明流、满流交替变化，水流夹带压缩空气往复运动，相应的气流压力变换也很明显，回水波在拍击尾水隧洞起始端洞顶时发出相当大的轰鸣声。变顶高尾水隧洞内这种复杂的明、满流交替变化带来了压力变化，特别是在洞顶产生快速而频繁的正、负压力转换，对于变顶高尾水隧洞的安全运行是有害的。然而由于变顶高尾水隧洞的工作特性，这种水流变化导致的压力变化无法避免。
现有技术的变顶高尾水隧洞的设计方案对此没有采取专门的处理措施，而是将洞内水位波动产生的水压力以及气流压力看作荷载作用在尾水隧洞衬砌上，通过加强衬砌结构强度予以承担。上述处理方式存在以下不足：
1）没有从根本上改善或解决变顶高尾水隧洞内明、满水流交替变化带来的压力变化问题；
2）虽然通过加强变顶高尾水隧洞的衬砌结构可以承担压力变化带来的附加荷载，但由于水电站设计工作寿命长达50年以上，开、关机是电站常规而频繁的操作，长期而频繁的荷载变化对衬砌结构寿命的影响很大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提供一种能从根本上解决洞内明、满水流交替变化带来的压力变化问题的变顶高尾水隧洞。
本发明解决问题的技术方案是：一种变顶高尾水隧洞，包括顶部高度不断增加的尾水隧洞主体，尾水隧洞主体顶部沿程设有至少一条与外界连通的通气孔。
作为上述技术方案的进一步改进，通气孔顶端设有至少一条与外界连通的通气洞，所述通气孔通过通气洞与外界连通，所述通气洞设置于尾水隧洞主体顶部上方高于设计尾水位高程的位置，且该通气洞与尾水隧洞主体同向。通气洞的设计使得在山体中引出了一条可以与外界相通的通道，将通气孔中的气体经过通气洞排出，而不必将每条通气孔均开挖至与外界连通，减小了工程量和施工难度。
上述技术方案中，所述通气洞断面为城门洞型，便于开挖。
上述技术方案中，为使得通气孔内平滑，便于气体进出，所述通气孔内壁嵌套有钢管。
上述技术方案中，为保证通气效果，当隧洞长度小于300m时，靠近尾水隧洞主体的起始端设置有第一条通气孔，与第一条通气孔间隔20m设置有第二个通气孔，其余沿程间隔30m～40m依次设置有一排通气孔直至尾水隧洞主体出口；当隧洞长度大于300m时，靠近尾水隧洞主体的起始端设置有第一条通气孔，与第一条通气孔每间隔10m依次布置第二个和第三个通气孔，其余沿程间距30m～40m依次设置有一排通气孔直至尾水隧洞主体出口。
该变顶高尾水隧洞在使用时，当变顶高尾水隧洞在下游水位波动或明、满流交替时，回水波所夹带的压缩空气能够通过通气孔迅速排走；当回水波遇到尾水隧洞起始端退水时，会产生一定的负压，此时，通气孔中的空气回流，及时补气消除洞顶负压。
本发明的有益效果是：
1.通气孔的设计能够将回水波所夹带的压缩气体通过通气孔沿程排除，大大减小了由于压缩空气突然释放而对洞顶产生的冲击力度；并且通气孔又能对回水波退水时产生的负压及时补气，从根本上解决了变顶高尾水隧洞内明、满水流交替变化带来的压力变化，消除了水流对尾水隧洞衬砌的交变压力，从而有效保证了变顶高尾水隧洞的结构安全。
2.设计了通气洞结构，在山体中引出了一条可以与外界相通的通道，将通气孔中的气体经过通气洞排出，而不必将每条通气孔均开挖至与外界连通，使得工程量和施工难度均大大减小；并且通气洞的设置还使得地下水更容易排出。
附图说明
图1是本发明实施例1的变顶高尾水隧洞布置方案纵剖面图。
图2是本发明实施例2的变顶高尾水隧洞布置方案纵剖面图。
图中，1-尾水隧洞主体，2-通气洞，3-通气孔，4-起始端，5-出口。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种变顶高尾水隧洞，包括顶部高度不断增加的尾水隧洞主体1，尾水隧洞主体1顶部上方高于设计尾水位高程的位置设有一条通气洞2，该通气洞2与外界连通，且与尾水隧洞主体1方向相同；在尾水隧洞1与通气洞2之间设有将二者连通的多条通气孔3。
所述通气洞2断面为城门洞型，其尺寸需满足施工开挖的最小断面要求。
在靠近尾水隧洞主体1的起始端4首先布置第一条通气孔3，若隧洞长度小于300m，紧接着第一条通气孔间隔20m布置第二个通气孔，其余沿程间距30m～40m布置一排通气孔直至尾水隧洞主体出口5；若隧洞长度大于300m，紧接着第一条通气孔每间隔10m依次布置第二个和第三个通气孔，其余沿程间距30m～40m布置一排通气孔直至尾水隧洞主体出口5。
所述通气孔3内壁嵌套有钢管，以保证通气孔运行可靠。
经过带机组的水力模型试验研究，本发明的变顶高尾水隧洞在中、高水位关机过程中，回水波所夹带的压缩空气能够通过通气孔3被沿程排除，大大减小了由于压缩空气突然释放而对洞顶产生的冲击力度，与现有技术情况相比，水流的振荡幅度削减约1.2m，振荡次数也削减多次；产生负压时，变顶高尾水隧洞满流段的洞顶在通气孔3部位迅速出现若干个孤立的气囊或气泡，但气囊、气泡随水流运动均排向下游，不存在滞气现象，有效削减了尾水隧洞洞顶的负压，消除了隧洞顶部正负压力的不断转换。
根据实际监测结果显示：在机组关闭工况中，变顶高尾水隧洞顶拱各测点压力从起始端4至出口5的压力分布呈逐渐减小的趋势，靠近尾水位高程的通气孔3风速较大；靠近出口5位置的水流为明流状态，通气孔3风速基本为零。说明通气孔及通气洞结构的设置，对改善变顶高尾水隧洞过渡过程、增加隧洞运行的安全度是十分有效的。
实施例2
如图2所示：一种变顶高尾水隧洞，包括顶部高度不断增加的尾水隧洞主体1，从靠近尾水隧洞主体1的起始端4开始，在尾水隧洞主体1顶部沿程每隔30m～40m依次设置一排直接与外界连通的通气孔3，直至尾水隧洞主体出口5。

Claims (6)

1.一种变顶高尾水隧洞，包括顶部高度不断增加的尾水隧洞主体，其特征在于：尾水隧洞主体顶部沿程设有至少一条与外界连通的通气孔。
2.根据权利要求1所述的变顶高尾水隧洞，其特征在于：通气孔顶端设有至少一条与外界连通的通气洞，所述通气孔通过通气洞与外界连通，所述通气洞设置于尾水隧洞主体顶部上方高于设计尾水位高程的位置，且该通气洞与尾水隧洞主体同向。
3.根据权利要求2所述的变顶高尾水隧洞，其特征在于：所述通气洞断面为城门洞型。
4.根据权利要求1或2所述的变顶高尾水隧洞，其特征在于：当隧洞长度小于300m时，靠近尾水隧洞主体的起始端设置有第一条通气孔，与第一条通气孔间隔20m设置有第二个通气孔，其余沿程间隔30m～40m依次设置有一排通气孔直至尾水隧洞主体出口。
5.根据权利要求1或2所述的变顶高尾水隧洞，其特征在于：当隧洞长度大于300m时，靠近尾水隧洞主体的起始端设置有第一条通气孔，与第一条通气孔每间隔10m依次布置第二个和第三个通气孔，其余沿程间距30m～40m依次设置有一排通气孔直至尾水隧洞主体出口。
6.根据权利要求1或2所述的变顶高尾水隧洞，其特征在于：所述通气孔内壁嵌套有钢管。
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