CN105714746B - 用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井 - Google Patents
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Abstract
本发明所述用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，包括设置在泄洪洞中闸室闸门井的下游且位于泄洪洞中闸室上方的竖井段，所述竖井段的主体部分位于泄洪洞顶部的山体中，竖井段的上端伸出泄洪洞顶部的山体并与大气相通，还包括扩口段和压坡段，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩形成上端能与竖井段下端衔接的漏斗式结构，通过它的上端与竖井段下端相接，所述压坡段位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜。本发明能降低通风井对高度的要求，进一步减小了空化空蚀的可能性，同时降低风速，减小中闸室结构振动和噪声。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程中有压中闸室的通风系统领域，特别涉及一种用于高水头有压泄洪洞中闸室的通风井。
背景技术
高水头水电站建设中，利用泄洪洞进行泄洪的工程较为普遍，但也会出现空化空蚀等特殊水力学问题。为避免空化空蚀发生，需设置掺气设施。在泄洪洞有压中闸室后部常会设置通风井，但如果通气井设置不当会带来两方面的问题：一方面，当泄洪洞中闸室全开(满负荷)正常运行时通风井入口会由于流道内高速水流的作用发生空化，甚至空蚀破坏；另一方面，中闸室闸门部分开启时发生通风量不足或通风井内风速过大而引发强烈脉动、闸后水跃旋滚冲击洞顶等不利的水力学现象。目前，常用的通风井为圆柱形，直接安装在中闸室闸门后方泄洪洞顶部。这种设置方式存在以下问题：(1)当中闸室闸门全开时，整个泄洪洞将会被水流充满，由于泄洪洞为有压隧道，此时通风井处的水压力也会很大，因此通风井里的水位也会达到很高的高度。这就要求通风井的高度很高，不仅使通风井的建造成本增加，其使用也受到了地形的限制；(2)当闸门全开水流充满泄洪洞时，由于通风井直接安装到中闸室泄洪洞顶部，通风井与泄洪洞顶部衔接口处由于有突变的形状存在，很容易发生空化空蚀；(3)当闸门部分开启时，高速泄洪洞中闸室通风井风速较高，造成闸门及中闸室结构振动和强噪声，影响工程正常运行和安全性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，以降低对通风井高度的要求，进一步减小空化空蚀的可能性，同时降低风速，减小中闸室结构振动和噪声。
本发明所述用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，总体构思是将通风井出口设置为扩口，并且在通风井出口与闸门井之间的泄洪洞顶壁面上设置压坡段，根据地形条件不同可分为两种，这两种压坡式通风井属于同一个发明构思。
当泄洪洞的埋深较浅，通风井的施工工程量不是很大时适用本发明所述第一种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，该压坡式通风井包括设置在泄洪洞中闸室闸门井的下游且位于泄洪洞中闸室上方的竖井段、扩口段和压坡段，所述竖井段的主体部分位于泄洪洞顶部的山体中，竖井段的上端伸出泄洪洞顶部的山体并与大气相通，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩形成上端能与竖井段下端衔接的漏斗式结构，通过它的上端与竖井段下端相接，所述压坡段位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜。
上述第一种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，所述竖井段为圆筒形，所述扩口段的下端为矩形，扩口段从下端至上端由矩形截面光滑渐变收缩成圆形截面，形成漏斗式结构，或所述扩口段下端为圆形，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩，形成漏斗式结构。
上述第一种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，所述压坡段的长度L1为3d～5d，d为通风井竖井段的直径。
上述第一种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，所述压坡段的坡度为1:(5～10)。
当泄洪洞的埋深较深，通风井的施工工程量较大时适用本发明所述第二种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，该通风井包括弯井段、扩口段和压坡段，所述弯井段设置在泄洪洞中闸室闸门井下游的泄洪洞顶部山体中且位于泄洪洞中闸室上方，弯井段由水平段及与水平段一端衔接并相通的竖直段构成，弯井段的水平段与闸门井连通，且连接处的高度高于闸门井的闸门全开时闸门顶部的高度，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩形成上端能与弯井段的竖直段下端衔接的漏斗式结构，通过它的上端与弯井段的竖直段下端相接，所述压坡段位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜。
上述第二种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，所述弯井段的水平段和竖直段为直径相等的圆筒形，所述扩口段的下端为矩形，扩口段从下端至上端由矩形截面光滑渐变收缩成圆形截面，形成漏斗式结构，或所述扩口段下端为圆形，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩，形成漏斗式结构。
上述第二种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，所述压坡段的长度L1为3d～5d，d为通风井弯井段的直径。
上述第二种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，所述压坡段的坡度为1:(5～10)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明所述压坡式通风井设置有压坡段，在闸门全开泄洪洞被水流充满的情况下，通风井内水位明显下降，因而可降低对通风井高度的要求，有利于节约通风井的建造成本，扩大其使用范围。
2、由于本发明所述压坡式通风井以扩口段作为过渡段来衔接泄洪洞与竖井段(或弯井段的竖直段)，扩口段的光滑渐变收缩减小了衔接处的形状突变，从而减小发生空化空蚀的可能，提高了通风井周围的水流空化数，且增大了掺气量，保证了泄洪建筑物运行中的安全性。
3、由于本发明所述压坡式通风井以过扩口段作为过渡段来衔接泄洪洞与竖井段(或弯井段的竖直段)，因而使通风井中风道更为平顺，在通风井尺寸不变的情况下，可降低风速，减小噪声强度。
4、在泄洪洞埋深很深时，通过弯井段使闸门井、泄洪洞相通，可减小通风井的工程量。
附图说明
图1为本发明所述第一种压坡式通风井的结构示意图及与泄洪洞、闸门井的布置示意图。
图2为本发明所述第一种压坡式通风井中竖井段和扩口段的组合示意图。
图3为图2的俯视图。
图4为本发明所述第二种压坡式通风井的结构示意图及与泄洪洞、闸门井的布置示意图。
图5为本发明所述第二种压坡式通风井中弯井段和扩口段的组合示意图。
图6为图5的俯视图。
图7为现有通风井的结构示意图及与泄洪洞、闸门井的布置示意图。
图中，1—闸门井，2—竖井段，3—扩口段，4—压坡段，5—弯井段，5-1—水平段，5-2—竖直段，6—中闸室，7—闸室前有压段，8—闸室后有压段，L1—压坡段的长度，L2—中闸室的长度。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井作进一步说明。
某电站修建在狭窄河谷之中，两岸山体陡峭，水库上游水位高程为380.00m，有压泄洪洞由原来的导流洞改建而成，其过流孔为圆孔，孔径为6m，后接消力池消能系统，消力池底板高程262m。
针对上述工程，采用实施例1、实施例2和对比例三种结构的通风井进行水工模型试验。
实施例1
本实施例采用本发明所述第一种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，结构如图1～3所示，该通风井由设置在泄洪洞中闸室6闸门井1的下游且位于泄洪洞中闸室上方的竖井段2、扩口段3和压坡段4构成，所述竖井段2为圆筒形，其主体部分位于泄洪洞顶部的山体中，竖井段的上端伸出泄洪洞顶部的山体并与大气相通，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段3的下端为矩形，扩口段从下端至上端由矩形截面光滑渐变收缩成能与竖井段2下端衔接的圆形截面，形成漏斗式结构，扩口段3的上端与竖井段2下端相接，所述压坡段4位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜。
中闸室的上游为闸室前有压段7，闸室前有压段的下游端端部的过流孔与中闸室6的过流孔尺寸相同。中闸室的长度L2＝9.95m，其过流孔尺寸为宽×高＝4m×6m，闸门井高度为29m；所述压坡式通风井，压坡段4的长度L1＝1.5m，坡度为1:10，竖井段2的直径为0.62m，高度为20m。中闸室的下游为闸室后有压段8，闸室后有压段的上游端端部的过流孔与中闸室的过流孔尺寸相同。试验时，控制消力池下游水深ht＝17m。
试验结果：当闸门相对开度在0.1以下时，闸门后被水流充满，通风井里的风速为0；随着闸门开度的增加，通风井中的风速表现为先增大后减小的趋势。当闸门相对开度为0.5左右时，通风井出现最大风速44.5m/s。当闸门全开时，通风井未进水，出现最小风速10.6m/s。在闸门全开(满负荷)运行时，测得中闸室后有压段射流出口中心线高程处两边墙的掺气浓度可达5％以上，水流空化数最小值为2.21，远大于规范中相应体型的初生空化数1.00。同时，在通风井与闸室洞顶的衔接处水流的掺气浓度可达10％以上，水流空化数最小值为3.52，满足规范要求。
实施例2
本实施例采用本发明所述第二种用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，结构如图4～6所示，该通风井由弯井段5、扩口段3和压坡段4，所述弯井段设置在泄洪洞中闸室6闸门井1下游的泄洪洞顶部山体中且位于泄洪洞中闸室上方，弯井段由水平段5-1及与水平段一端衔接并相通的竖直段5-2构成，弯井段的水平段5-1与闸门井连通，且连接处的高度高于闸门井的闸门全开时闸门顶部的高度，所述弯井段的水平段5-1和竖直段5-2为直径相等的圆筒形，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段下端为圆形，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩，形成外形为下大上小的能与弯井段的竖直段下端衔接的圆锥台形漏斗式结构，通过它的上端与弯井段的竖直段5-2下端相接，所述压坡段4位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜。
中闸室的上游为闸室前有压段7，闸室前有压段的下游端端部的过流孔与中闸室的过流孔尺寸相同。中闸室的长度L2＝9.95m，过流孔尺寸为宽×高＝4m×6m，闸门井高度为29m；所述压坡式通风井，压坡段的长度L1＝1.5m，坡度为1:10，弯井段的水平段5-1和竖直段5-2直径均为0.62m，竖直段的高度为25m。中闸室的下游为闸室后有压段8，闸室后有压段的上游端端部的过流孔与中闸室的过流孔尺寸相同。试验时，控制消力池下游水深ht＝17m。
试验结果：当闸门相对开度在0.1以下时，闸门后被水流充满，通风井里的风速为0。随着闸门开度的增加，通风井中的风速也表现为先增大后减小的趋势。当闸门相对开度为0.5左右时，通风井出现最大风速41.3m/s。当闸门全开时，通风井未进水，出现最小风速8.5m/s。在闸门全开(满负荷)运行时，测得闸室后有压段射流出口中心线高程处两边墙的掺气浓度可达5％以上，水流空化数最小值为2.42，远大于规范中相应体型的初生空化数1.00。同时，在通风井与闸室顶部的衔接处水流的掺气浓度可达10％以上，水流空化数最小值为3.61，远满足规范要求，通风井处的噪音也明显减小。
对比例
采用常规泄洪洞垂直圆管型通风井，通风井仅由竖井段2构成，结构如图7所示。中闸室6的前面为闸室前有压段7，闸室前有压段下游端端部的过流孔与中闸室6的过流孔尺寸相同；中闸室6的长度L2＝12.95m，过流孔尺寸为宽×高＝4m×6m，闸门井高度为29m。竖井段2直接安装在中闸室的顶部，无光滑渐变处理，竖井段的直径为0.62m，高度为29m。中闸室的后面为闸室后有压段8，闸室后有压段上游端端部的过流孔与中闸室的过流孔尺寸相同。试验时，控制消力池下游水深ht＝17m。
试验结果：当闸门相对开度在0.1以下时，中闸室闸门后被水流充满，通风井里的风速为0。随着闸门开度的增加，通风井中的风速表现为先增大后减小的趋势。当闸门相对开度为0.5左右时，通风井出现最大风速45.3m/s。当闸门相对开度为0.9时，通风井出现最小风速6.6m/s。在闸门全开(满负荷)运行时，由于泄洪洞为有压管道，这时通风井也被水流淹没，通风井的风速为0m/s，测得闸室后有压段射流出口中心线高程处两边墙的掺气浓度小于1％，水流空化数最小值为0.2，远小于规范中相应体型的初生空化数1.00。同时，在通风井与闸室洞顶顶面的衔接处水流的掺气浓度基本为0，水流空化数最小值为0.01，且在通风井与闸室衔接的部位有突变存在更加增大了由空化引起空蚀的风险。
由以上实施例和对比例的试验结果可以看出，本发明所述压坡式通风井与现有技术中的垂直圆管型通风井相比，在闸门全开，泄洪洞被水流充满的情况下，通风井内水位明显下降，降低了对通风井高度的要求，增大了高速水流的掺气量，减小了闸门后有压管道空化空蚀的风险，保证了泄洪建筑物运行中的安全性。
Claims (4)
1.用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，包括设置在泄洪洞中闸室(6)闸门井(1)的下游且位于泄洪洞中闸室上方的竖井段(2)，所述竖井段的主体部分位于泄洪洞顶部的山体中，竖井段的上端伸出泄洪洞顶部的山体并与大气相通，其特征在于还包括扩口段(3)和压坡段(4)，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩形成上端能与竖井段(2)下端衔接的漏斗式结构，通过它的上端与竖井段(2)下端相接，所述压坡段(4)位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜，压坡 段(4)的长度(L1)为3d～5d，坡度为1:(5～10)，d为通风井竖井段的直径。
2.根据权利要求1所述用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，其特征在于所述竖井段(2)为圆筒形，所述扩口段(3)的下端为矩形，扩口段从下端至上端由矩形截面光滑渐变收缩成圆形截面，形成漏斗式结构，或所述扩口段下端为圆形，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩，形成漏斗式结构。
3.用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，其特征在于包括弯井段(5)、扩口段(3)和压坡段(4)，所述弯井段设置在泄洪洞中闸室(6)闸门井(1)下游的泄洪洞顶部山体中，且位于泄洪洞中闸室上方，弯井段由水平段(5-1)及与水平段一端衔接并相通的竖直段(5-2)构成，弯井段的水平段(5-1)与闸门井连通，且连接处的高度高于闸门井的闸门全开时闸门顶部的高度，所述扩口段的下端大于上端，扩口段下端为出气口，位于泄洪洞中闸室内的泄洪洞顶壁上，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩形成上端能与弯井段的竖直段下端衔接的漏斗式结构，通过它的上端与弯井段的竖直段(5-2)下端相接，所述压坡段(4)位于扩口段下端与闸门井之间的泄洪洞顶壁上，沿水流方向从高至低倾斜，压坡 段(4)的长度(L1)为3d～5d，坡度为1:(5～10)，d为通风井弯井段的直径。
4.根据权利要求3所述用于高水头泄洪洞中闸室的压坡式通风井，其特征在于所述弯井段(5)的水平段(5-1)和竖直段(5-2)为直径相等的圆筒形，所述扩口段(3)下端为矩形，扩口段从下端至上端由矩形截面光滑渐变收缩成圆形截面，形成漏斗式结构，或所述扩口段下端为圆形，扩口段从下端至上端光滑渐变收缩，形成漏斗式结构。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |