CN113089600B - 一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，包括泄水闸室、引水洞、涡室、竖井、扩体连接段、消力池和导流洞，所述的引水洞上游与泄水闸室连接，所述的引水洞下游与涡室之间通过过渡段连接，所述的过渡段内设有分水隔墙；所述的涡室下端通过竖井连接段与竖井连接，所述的扩体连接段将竖井下部与导流洞连通，导流洞一端进行了封堵；所述的扩体连接段内设有分流墩，所述的消力池设在竖井底部。本发明中水流经过过渡段和分水隔墙，使涡室内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室内旋转水流的水面高差也被减小。水流达到消力池消力后，通过扩体连接段减弱了水跃的壅水现象及增大了有压流漩滚的消能空间。

Description

一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞

技术领域

本发明属于水利水电工程的旋流消能技术领域，具体涉及一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞。

背景技术

峡谷地区水电工程的导流设施一般采用导流洞配合断流围堰。我国西部地区由于河流洪水流量较为丰沛，因此导流洞的规模往往也较大，具体表现为导流洞断面大、条数多，每条导流洞相应的工程投资达1～2亿元。因此，在导流功能完成后，将导流洞这一临时建筑物改建为永久泄水建筑物使用，具有较大的经济价值，也有利于优化枢纽布置。多年来，导流洞改建为永久泄水建筑物这一课题一直为国内外水工水力学工程界所关注并取得了部分研究成果。

当枢纽区地形地质条件和导流洞的布置合适时，导流洞可改建为旋流泄洪洞。旋流消能工作原理是利用水流旋转运动将水能大部分消耗在流道内部，仅使部分能量传递至下游，其具有消能率高、结构简单、布置灵活、易于通风掺气等优点。竖井式旋流泄洪洞具有结构简单、适用水头范围广、消能率高等特点，是近30年来国内外研究的重点型式。但是依据工程实践经验及研究进展，现有的竖井旋流泄洪洞由于旋转水流的离心力及其重力，往往容易在竖井底部形成不规则的流态，不利于导流洞稳定，而且随着水头与流量的增加，竖井旋流泄洪洞出现涡室水流上升高度较大，不利于水流形态，也不利于控制工程投资。

发明内容

为了克服现有导流洞腐蚀严重且出口流态紊乱的问题，本发明提供一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，本发明采用扩体连接段减小了泄洪洞底部流速、采用分流墩改善了水流流态，保证导流洞内壁不会被过度水流冲蚀，提高了导流洞的使用寿命。

本发明采用的技术方案为：

一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，包括泄水闸室、引水洞、涡室、竖井、扩体连接段、消力池和导流洞，所述的引水洞上游与泄水闸室连接，所述的引水洞下游与涡室之间通过过渡段连接，所述的过渡段内设有分水隔墙；所述的涡室下端通过竖井连接段与竖井连接，所述的扩体连接段将竖井下部与导流洞连通，导流洞一端进行了封堵；所述的扩体连接段内设有分流墩，所述的消力池设在竖井底部。

所述的扩体连接段包括竖直段、转弯段和压坡段，所述的竖直段与压坡段通过转 弯段连接，转弯段和压坡段侧墙宽度与导流洞宽度A相同；所述的竖直段由竖井半圆渐变过 渡到外侧为圆拱、内侧为直线的体型；所述的转弯段的顶拱是以竖直段末端为起点、以1/4 椭圆长轴转弯形式过渡至压坡段起点，其中椭圆方程为

，a、b根据导流洞宽度A 确定， a取值为(1～3)A，b取值为(0.3～1)a；所述的转弯段底部采用倒坡型式，转弯段底部 的坡比为1：n3,n3取1~10；所述的压坡段顶拱坡比为1：n4,n4取1~20。

所述的分流墩布置在下部扩体连接段的压坡段处，分流墩的迎水面和背水面两端形状均是半圆弧，迎水面半径R1≤背水面半径R2，R2取值为(0.1～0.4)A，其中，A为导流洞宽度，分流墩的侧面起点是迎水面圆弧的两个末端，分流墩的侧面终点是背水面圆弧的两个末端。

所述的分流墩顶部与扩体连接段中的压坡段顶部接触连接，分流墩长度与压坡段长度相同。

所述的过渡段包括由底板、侧墙一、侧墙二和顶拱组成，所述的侧墙一和侧墙二一外一内竖直设在底板和顶拱之间，所述的底板倾斜设置，侧墙一布置在远离涡室侧，侧墙二布置在靠近涡室侧，其高度均由引水洞的侧墙过渡到涡室的墙高；侧墙一和侧墙二顺水流向分别包括直线段和弧形段，侧墙一、侧墙二的弧形段均与涡室侧壁连接；所述的底板坡比为1：n1,n1取1~10，起坡点距离涡室中心线距离为L1，L1取涡室直径的2~7倍；所述的顶拱包括直线段和斜坡段，其斜坡段坡比为1：n2,n2取0.5~5；底板宽度与引水洞宽相同；分水隔墙布置在过渡段的底板上，靠近过渡段的侧墙二布置。

所述的分水隔墙其断面形状呈三角形状；分水隔墙包括迎水面、背水面、侧面一和侧面二，所述的迎水面由圆弧组成，半径R1取（1/30~1/10）D，圆环角度取0~90°；背水面由直线段组成，其宽度a2，取（1/5~1/2）D，其与过渡段的侧墙一距离a1，取（1/3~4/5）D；侧面一靠近过渡段的侧墙一，侧面二靠近过渡段的侧墙二，侧面一和侧面二起始点分别为迎水面圆弧的两个末端，终点分别为背水面直线段两端点；分水隔墙背水面距离涡室为L3，L3取（0.5~5）R,其中， R为涡室半径；分水隔墙顺水流长为L2，L2取（0.5~5）D；上述D均为引水洞宽度。

所述的竖井连接段为上大下小的空心柱体结构，上端内径与涡室直径相同，下端内径与竖井直径相同。

所述的涡室上设有通气孔。

所述的消力池深度为2～10m。

本发明的有益效果为：

本发明在竖井底部设置的扩体连接段减弱了水跃的壅水现象及增大了有压流漩滚的消能空间。压坡段使竖井内水垫深度有所增加；减小了压坡段出口后水流的旋转影响，采用压坡段中部加分流墩的布置型式，增强了扩体连接段的结构，分流墩采用上小下大的结构，改变了水流形态，保证进入导流洞的水流不会杂乱，过度冲蚀导流洞内壁，提高了导流洞的使用寿命。

在水流经过渡段和分水隔墙，涡室内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室内旋转水流的水面高差也被减小，可以改善水流流态。

以下将结合附图进行进一步的说明。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1中A-A剖视图。

图3为图1中B-B剖视图。

图4为图1中C-C剖视图。

图5为图1中D-D剖视图。

图中，附图标记为：1、引水洞；2、涡室；3、过渡段；4、分水隔墙；5、底板；6、顶拱；7、侧墙一；8、侧墙二；9、通气孔；10、竖井；11、竖井连接段；12、消力池；13、竖直段；14、导流洞；15、转弯段；16、压坡段；17、泄水闸室；18、分流墩。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有导流洞腐蚀严重且出口流态紊乱的问题，本发明提供如图1-5所示的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，本发明采用扩体连接段减小了泄洪洞底部流速、采用分流墩改善了水流流态，保证导流洞内壁不会被过度水流冲蚀，提高了导流洞的使用寿命。

一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，包括泄水闸室17、引水洞1、涡室2、竖井10、扩体连接段、消力池12和导流洞14，所述的引水洞1上游与泄水闸室17连接，所述的引水洞1下游与涡室2之间通过过渡段3连接，所述的过渡段3内设有分水隔墙4；所述的涡室2下端通过竖井连接段11与竖井10连接，所述的扩体连接段将竖井10下部与导流洞14连通，导流洞14一端进行了封堵；所述的扩体连接段内设有分流墩18，所述的消力池12设在竖井10底部。

如图1所示，本发明中引水洞1上端连接泄水闸室17，泄水闸室17打开放水，水流经过引水洞1和过渡段3加速和分流后进入涡室2，并沿着竖井10向下进行消力池12进行消能后通过扩体连接段，并通过设在扩体连接段末端的分流墩18进行规则分流出水到导流洞14。这样保证导流洞14内壁不会被过度水流冲蚀，提高了导流洞14的使用寿命。本发明中泄水闸室17至少包括泄洪闸、平板闸门和弧形闸门，弧形闸门设在泄洪闸下方，平板闸门设在弧形闸门一侧。泄水闸室17为现有技术，本法说明中将不再进行一一说明。

实施例2：

基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的扩体连接段包括竖直段13、转 弯段15和压坡段16，所述的竖直段13与压坡段16通过转弯段15连接，转弯段15和压坡段16 侧墙宽度与导流洞14宽度A相同；所述的竖直段13由竖井半圆渐变过渡到外侧为圆拱、内侧 为直线的体型；所述的转弯段15的顶拱是以竖直段13末端为起点、以1/4椭圆长轴转弯形式 过渡至压坡段16起点，其中椭圆方程为

，a、b根据导流洞宽度A确定， a取值为(1 ～3)A，b取值为(0.3～1)a；所述的转弯段15底部采用倒坡型式，转弯段15底部的坡比为1： n3,n3取1~10；所述的压坡段16顶拱坡比为1：n4,n4取1~20。

优选的，所述的分流墩18布置在下部扩体连接段的压坡段16处，分流墩18的迎水面和背水面两端形状均是半圆弧，迎水面半径R1≤背水面半径R2，R2取值为(0.1～0.4)A，其中，A为导流洞宽度，分流墩18的侧面起点是迎水面圆弧的两个末端，分流墩18的侧面终点是背水面圆弧的两个末端。

优选的，所述的分流墩5顶部与扩体连接段中的压坡段16顶部接触连接，分流墩18长度与压坡段16长度相同。

如图3、图4和图5所示，本发明中，转弯段15的长度为L4，压坡段16的长度为L5，L5>L4；压坡段16下表面水平设置，上表面倾斜设置，沿着水流方向逐渐降低。转弯段15下表面沿着水流方向逐渐增高，转弯段15上表面呈弧状，且沿水流方向逐渐降低。

本发明在竖井10底部设置的扩体连接段可以减弱水跃的壅水现象及增大有压流漩滚的消能空间。压坡段16使竖井10内水垫深度有所增加；减小了压坡段16出口后水流的旋转影响，采用压坡段16中部加分流墩18的布置型式，增强了扩体连接段的结构，另外为了控制出口流态，分流墩18采用渐变式形状，分流墩18采用上小下大的结构，改变了水流形态，保证进入导流洞14的水流不会杂乱，过度冲蚀导流洞14内壁，提高了导流洞14的使用寿命。

优选的，所述的过渡段3包括由底板5、侧墙一7、侧墙二8和顶拱6组成，所述的侧墙一7和侧墙二8一外一内竖直设在底板5和顶拱6之间，所述的底板5倾斜设置，侧墙一7布置在远离涡室2侧，侧墙二8布置在靠近涡室2侧，其高度均由引水洞1的侧墙过渡到涡室2的墙高；侧墙一7和侧墙二8顺水流向分别包括直线段和弧形段，侧墙一7、侧墙二8的弧形段均与涡室2侧壁连接；所述的底板5坡比为1：n1,n1取1~10，起坡点距离涡室2中心线距离为L1，L1取涡室2直径的2~7倍；所述的顶拱6包括直线段和斜坡段，其斜坡段坡比为1：n2,n2取0.5~5；底板5宽度与引水洞1宽相同；分水隔墙4布置在过渡段3的底板5上，靠近过渡段3的侧墙二8布置。

优选的，所述的分水隔墙4其断面形状呈三角形状；分水隔墙4包括迎水面、背水面、侧面一和侧面二，所述的迎水面由圆弧组成，半径R1取（1/30~1/10）D，圆环角度取0~90°；背水面由直线段组成，其宽度a2，取（1/5~1/2）D，其与过渡段3的侧墙一7距离a1，取（1/3~4/5）D；侧面一靠近过渡段3的侧墙一7，侧面二靠近过渡段3的侧墙二8，侧面一和侧面二起始点分别为迎水面圆弧的两个末端，终点分别为背水面直线段两端点；分水隔墙4背水面距离涡室2为L3，L3取（0.5~5）R,其中， R为涡室1半径；分水隔墙4顺水流长为L2，L2取（0.5~5）D；上述D均为引水洞1宽度。

如图2所示，本发明中设置了过渡段3和分水隔墙4，本发明中水流经过渡段3和分水隔墙4，涡室2内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室2内旋转水流的水面高差也被减小，可以改善水流流态。

本发明中分水隔墙4位置靠近涡室2侧，目的是将水流分为两侧不均等水流，形成主、副水流。远离涡室2侧主流采用小角度收缩，可对远离涡室2侧进涡室2的主流进行加速，冲击涡室2回转流的阻水作用；靠近涡室2采用大角度收缩与导向方式，可使副流与外侧回转流进行交错、对撞，减缓外侧回转主流对涡室进入的主流形成冲击、回壅现象。本发明中涡室2顶部是球形体，竖井10是圆形断面，竖井10顶部倒了个斜坡，断面收缩，竖井10直径小于涡室2直径，竖井连接段11上大下小，将涡室2与竖井10连通。

优选的，所述的竖井连接段11为上大下小的空心柱体结构，上端内径与涡室2直径相同，下端内径与竖井10直径相同。

优选的，所述的涡室1上设有通气孔9。通气孔9就是在涡室2顶拱上布置，其位置没有特殊要求，尺寸按经验考虑1%~10%的竖井10断面面积。

优选的，所述的消力池3深度为2～10m。本发明中，消力池3根据设计需要，本实施例中消力池3深度为5m。本发明中，竖井10处来水，进入消力池12，然后通过竖直段13、转弯段15和压坡段16，水流在压坡段16处通过分流墩18进行分流，最后进入导流洞14中，导流洞14的一端通过封堵进行密封。这样通过扩体连接段进行泄洪后，扩体连接段减小了泄洪洞底部流速、采用分流墩18改善了水流流态。

本发明通过对本发明进行实验应用得到，在引水洞1末端水跃区加设合适的分水隔墙4对降低涡室2水面有效，可以减小回转水流对主流的影响，使分水隔墙4内侧水流对涡室2回转水流进行顶冲和抑制，以便分水隔墙4外侧水流顺利进入涡室2。本发明中将引水洞1到涡室2的过渡段3形成坡度，可以引起进入涡室2水流流速的增加。水流经过过渡段3和分水隔墙4，涡室2内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室2内旋转水流的水面高差也被减小，可以改善水流流态。

实施例3：

基于实施例1或2的基础上，本实施例中，优选的，侧墙一7厚度为50cm；底板5宽度D为680cm，底板5坡比为1：7.4，顶拱6斜坡段坡比为1：8.6，涡室2半径R为500cm，背水面与过渡段3的侧墙一7距离a1为300cm，背水面宽度a2为300cm，迎水面圆弧半径R1为150cm，迎水面侧面一与侧墙一7之间距离为d1为410cm，迎水面侧面二与侧墙二8之间的距离d2为195cm，迎水面中轴线与侧墙二8之间的距离为d3为240 cm，底板5起坡点距离涡室2中心线距离为L1为4800cm，分水隔墙4顺水流长L2为1500cm，分水隔墙4背水面距离涡室2距离L3为1150cm；分水隔墙4起点到过渡段起点的直线距离为2150cm。消力池直径D为700，与竖井10直径相同。涡室2直径1000cm，迎水面半径R1为65cm，背水面半径R2为130cm，导流洞直径880cm；转弯段15的长度为L4为1800cm，转弯段15底部的坡比为1：6.8；压坡段16的长度为L5为2150cm；压坡段16顶拱坡比1:5.6。

根据上述比例得到的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，在实际使用时，分水隔墙4内侧水流对涡室2回转水流进行顶冲和抑制，以便分水隔墙4外侧水流顺利进入涡室2。本发明中进入涡室2的水流流速的增加。水流经过过渡段3和分水隔墙4，涡室2内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室2内旋转水流的水面高差也被减小，改善了水流流态。水流达到消力池12消力后，通过扩体连接段减弱了水跃的壅水现象及增大了有压流漩滚的消能空间。压坡段16中部的分流墩18增强了扩体连接段的结构，分流墩18采用上小下大的结构，改变了水流形态，保证进入导流洞14的水流不会杂乱，过度冲蚀导流洞14内壁，提高了导流洞14的使用寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及系统方法是均为现有技术，本发明中不再进行进一步的说明。

Claims (7)

1.一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：包括泄水闸室（17）、引水洞（1）、涡室（2）、竖井（10）、扩体连接段、消力池（12）和导流洞（14），所述的引水洞（1）上游与泄水闸室（17）连接，所述的引水洞（1）下游与涡室（2）之间通过过渡段（3）连接，所述的过渡段（3）内设有分水隔墙（4）；所述的涡室（2）下端通过竖井连接段（11）与竖井（10）连接，所述的扩体连接段将竖井（10）下部与导流洞（14）连通，导流洞（14）一端进行了封堵；所述的扩体连接段内设有分流墩（18），所述的消力池（12）设在竖井（10）底部；所述的过渡段（3）包括由底板（5）、侧墙一（7）、侧墙二（8）和顶拱（6）组成，所述的侧墙一（7）和侧墙二（8）一外一内竖直设在底板（5）和顶拱（6）之间，所述的底板（5）倾斜设置，侧墙一（7）布置在远离涡室（2）侧，侧墙二（8）布置在靠近涡室（2）侧，其高度均由引水洞（1）的侧墙过渡到涡室（2）的墙高；侧墙一（7）和侧墙二（8）顺水流向分别包括直线段和弧形段，侧墙一（7）、侧墙二（8）的弧形段均与涡室（2）侧壁连接；所述的底板（5）坡比为1：n1,n1取1~10，起坡点距离涡室（2）中心线距离为L1，L1取涡室（2）直径的2~7倍；所述的顶拱（6）包括直线段和斜坡段，其斜坡段坡比为1：n2,n2取0.5~5；底板（5）宽度与引水洞（1）宽相同；分水隔墙（4）布置在过渡段（3）的底板（5）上，靠近过渡段（3）的侧墙二（8）布置；所述的分水隔墙（4）其断面形状呈三角形状；分水隔墙（4）包括迎水面、背水面、侧面一和侧面二，所述的迎水面由圆弧组成，半径R1取（1/30~1/10）D，圆弧角度取90°；背水面由直线段组成，其宽度a2，取（1/5~1/2）D，其与过渡段（3）的侧墙一（7）距离a1，取（1/3~4/5）D；侧面一靠近过渡段（3）的侧墙一（7），侧面二靠近过渡段（3）的侧墙二（8），侧面一和侧面二起始点分别为迎水面圆弧的两个末端，终点分别为背水面直线段两端点；分水隔墙（4）背水面距离涡室（2）为L3，L3取（0.5~5）R,其中， R为涡室（2）半径；分水隔墙（4）顺水流长为L2，L2取（0.5~5）D；上述D均为引水洞（1）宽度。

2.根据权利要求1所述的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：所述的扩体连接段包括竖直段（13）、转弯段（15）和压坡段（16），所述的竖直段（13）与压坡段（16）通过转弯段（15）连接，转弯段（15）和压坡段（16）侧墙宽度与导流洞（14）宽度A相同；所述的竖直段（13）由竖井半圆渐变过渡到外侧为圆拱、内侧为直线的体型；所述的转弯段（15）的顶拱是以竖直段（13）末端为起点、以1/4椭圆长轴转弯形式过渡至压坡段（16）起点，其中椭圆方程为

，a、b根据导流洞宽度A确定， a取值为(1～3)A，b取值为(0.3～1)a；所述的转弯段（15）底部采用倒坡型式，转弯段（15）底部的坡比为1：n3,n3取1~10；所述的压坡段（16）顶拱坡比为1：n4,n4取1~20。

3.根据权利要求1所述的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：所述的分流墩（18）布置在下部扩体连接段的压坡段（16）处，分流墩（18）的迎水面和背水面两端形状均是半圆弧，迎水面半径R1≤背水面半径R2，R2取值为(0.1～0.4)A，其中，A为导流洞宽度，分流墩（18）的侧面起点是迎水面圆弧的两个末端，分流墩（18）的侧面终点是背水面圆弧的两个末端。

4.根据权利要求3所述的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：所述的分流墩（18）顶部与扩体连接段中的压坡段（16）顶部接触连接，分流墩（18）长度与压坡段（16）长度相同。

5.根据权利要求1所述的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：所述的竖井连接段（11）为上大下小的空心柱体结构，上端内径与涡室（2）直径相同，下端内径与竖井（10）直径相同。

6.根据权利要求1所述的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：所述的涡室（2）上设有通气孔（9）。

7.根据权利要求1所述的一种减小旋流洞出口流速的旋流泄洪洞，其特征在于：所述的消力池（12）深度为2～10m。

Images