CN113265991B - 一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法 - Google Patents

一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，属于水利水电设施改建技术领域。该方法包括以下主要步骤：A、在多条导流洞内分别修建堵头封堵住各导流洞的进口；B、在其中一条导流洞的堵头末端沿铅直方向修建旋流竖井；C、在库区建设新建闸室，新建闸室通过无压隧洞与旋流竖井的涡室衔接；D、将各导流洞中位于堵头下游的部分作为下游明流泄洪洞，下游明流泄洪洞通过有压隧洞与旋流竖井的下部直段衔接。采用一条旋流竖井将多条导流洞进行衔接，使所有导流洞都得到了有效利用，大幅提高了临时泄水建筑物的利用率，也大大提高了整个旋流竖井泄洪系统的泄流能力。

Description

一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法
技术领域
本发明涉及一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，属于水利水电设施改建技术领域。
背景技术
在水利水电工程的修建过程中，尤其是一些巨型水利水电枢纽，其施工期往往长达数年甚至数十年，故而这类巨型水利水电工程需要在施工期根据主体工程施工进度以及坝址区降雨量，在不同高程、不同位置修建多条导流洞，而导流洞作为一种临时导流建筑物，一般都会在工程修建完成后弃之不用，泄洪任务全部由新建的永久性泄水建筑物承担。由于施工期导流的需要，导流洞进口高程往往较低，不适宜作为后期永久性泄水建筑物，但是弃之不用无疑是一种巨大的浪费。
公开号为CN105155484A的中国专利文献，公开了一种将临时导流洞改建为永久泄洪设施的方法，首先是将原导流洞进口封堵，然后将其进口转弯段和进口转弯段后至少5倍洞高长的直段改建成消能压力前池，消能压力前池末端壁面上设置一射流出口，使出口后的导流洞段成为永久泄洪洞的明流段，在封堵的导流洞进口以上位置新建至少一条泄洪洞。该新建泄洪洞进口底高程需依据库区泥沙的淤积情况和运动需求来定，具体来说，在建筑物使用的年限范围，以泥沙在进口处淤积可能达到的最高位置为准，新建的泄洪洞进口底高程至少要高于这一淤积位置2m，以避免泄洪时将泥沙带走。每条新建的泄洪洞通过至少一条连接管道与消能压力前池连接并轴线相交。
但是，该方法存在以下不足：
第一，该方法仅适用于改建存在平面转弯段的导流洞；
第二，每条导流洞均需要修建至少一条新建泄洪洞与之连接，而对于具有多条导流洞的巨型水利水电枢纽而言，为每条导流洞修建至少一条新建泄洪洞会大幅度增加工程投资；
第三，每条导流洞虽然对应修建有至少一条新建泄洪洞，但受射流出口尺寸限制，该永久泄洪设施的泄流能力极为有限。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，包括以下主要步骤：
A、在多条导流洞内分别修建堵头封堵住各导流洞的进口；
B、在其中一条导流洞的堵头末端沿铅直方向修建旋流竖井；
C、在库区建设新建闸室，新建闸室通过无压隧洞与旋流竖井的涡室衔接；
D、将各导流洞中位于堵头下游的部分作为下游明流泄洪洞，下游明流泄洪洞通过有压隧洞与旋流竖井的下部直段衔接。
所述步骤B中如果导流洞的数量为奇数，则旋流竖井的轴线与中间位置的那条导流洞的轴线相交，如果导流洞的数量为偶数，则旋流竖井的轴线与中间两条导流洞中原有进口闸室底板高程较低的那条导流洞的轴线相交。
所述步骤D中导流洞的轴线与旋流竖井的轴线相交时，有压隧洞为一有压衔接直段，导流洞的轴线与旋流竖井的轴线不相交时，有压隧洞包括有压衔接弯段和有压渐变直段，有压渐变直段的一端与下游明流泄洪洞连接，另一端通过有压衔接弯段与旋流竖井的下部直段衔接。
所述有压衔接直段的内孔断面为矩形，且内孔高度从旋流竖井端至下游明流泄洪洞端逐渐减小，有压衔接弯段的内孔断面为圆形或椭圆形，内孔尺寸从旋流竖井端至有压渐变直段端保持不变，有压渐变直段一端内孔的断面形状和尺寸与有压衔接弯段相同，内孔另一端的断面形状为矩形，且内孔断面面积从有压衔接弯段端至下游明流泄洪洞端逐渐减小，下游明流泄洪洞为城门洞型，并保持原导流洞结构形式不变。
所述有压衔接直段的内孔宽度与同其连接的下游明流泄洪洞的内孔宽度一致，有压衔接直段和下游明流泄洪洞两者衔接处的内孔底板高程一致，有压衔接弯段上靠近有压渐变直段的一端与堵头末端连接，有压渐变直段和下游明流泄洪洞两者衔接处的内孔底板高程一致，且内孔宽度一致。
所述旋流竖井包括涡室、收缩段和竖井直段，涡室的下端通过形状和尺寸从上至下渐缩的收缩段与竖井直段的上端连接，有压隧洞与旋流竖井的衔接口位于竖井直段中自由水面的下方。
所述竖井直段在同一高程上与多个有压隧洞衔接时，衔接口之间在竖井直段周向的距离不小于2m。
所述旋流竖井的底板高程，比位置最低的堵头高程低3m～10m。
所述有压隧洞出水口的高度按照以下公式进行计算：
Q0＝Q1+Q2+···+Qn (1)
Q1＝μ1b1e1(2g(Z-Z1-e1))0.5 (2)
Q2＝μ2b2e2(2g(Z-Z2-e2))0.5 (3)
··· ···
Qn＝μnbnen(2g(Z-Zn-en))0.5 (n+1)
Z-Z1-e1≥3 (n+2)
其中，Q0为旋流竖井，即旋流竖井泄洪系统的总泄流量，Q1、Q2···Qn分别为导流洞1、2···n的泄流量，μ1、μ2···μn分别为有压隧洞出水口1、2···n的流量系数；b1、b2···bn分别为有压隧洞出水口1、2···n的宽度；e1、e2···en分别为有压隧洞出水口1、2···n的高度；g为重力加速度，取9.81m/s2；Z为竖井直段内自由水面(8)的高程；Z1、Z2···Zn分别为有压隧洞出水口1、2···n的底板高程，并且Z1≥Z2≥···≥Zn。
所述旋流竖井的竖井直段内径为D，D的值采用董兴林公式D＝(Q0 2/g)0.2进行计算。
本发明的有益效果在于：
1、采用一条旋流竖井与多条导流洞进行衔接，使所有导流洞都得到了有效利用，大幅提高了临时泄水建筑物的利用率，也大大提高了整个旋流竖井泄洪系统的泄流能力；同时，也减小了单条导流洞的泄洪压力，降低了各条洞室内的水流流速，减小了各下游明流泄洪洞空化空蚀风险。
2、所提供的方法能够用于改建各种类型的导流洞，适用范围广。
3、由于仅仅通过一条旋流竖井就将所有导流洞衔接一个泄水系统，因而解决了分开处理多条导流洞导致的工程量及工程投资大幅增加的问题。
4、各有压隧洞与竖井段的衔接口沿旋流竖井轴线方向布置，并且所有衔接口都淹没于竖井直段内的自由水面以下，高程较低的衔接口(即有压孔口)位于竖井内水深较深位置，压强较大，消除了空化空蚀风险；高程较高的衔接口位于竖井段上部，此位置的水流刚刚经过涡室的起旋并通过收缩段，其流速还没有完全提升起来，故而也没有空化空蚀风险。
5、本发明提供的改建方法将旋流竖井下部可能存在的高流速区全部变成压强较大的实体水流，有效降低了空化空蚀风险，故而旋流竖井泄洪系统可以作为一种正常的泄洪建筑物。
附图说明
图1为本发明将两条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的主视结构示意图；
图2为图1的俯视结构示意图；
图3为图2沿A-A的剖视图；
图4为图2沿B-B的剖视图；
图5为图2沿C-C的剖视图；
图6为图2沿D-D的剖视图；
图7为图2沿E-E的剖视图；
图8为本发明将三条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的结构示意图。
图中：1-导流洞，3-新建闸室，4-有压衔接弯段，5-堵头，6-旋流竖井，7-下游明流泄洪洞，8-自由水面，10-有压衔接直段，11-有压渐变直段。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图8所示，本发明所述的如图1所示，一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，包括以下主要步骤：
A、在多条导流洞1内分别修建堵头5封堵住各导流洞1的进口；
B、在其中一条导流洞1的堵头5末端沿铅直方向修建旋流竖井6；
C、在库区建设新建闸室3，新建闸室3通过无压隧洞与旋流竖井6的涡室衔接；
D、将各导流洞1中位于堵头5下游的部分作为下游明流泄洪洞7，下游明流泄洪洞7通过有压隧洞与旋流竖井6的下部直段衔接。
所述步骤B中如果导流洞1的数量为奇数，则旋流竖井6的轴线与中间位置的那条导流洞1的轴线相交，如果导流洞1的数量为偶数，则旋流竖井6的轴线与中间两条导流洞1中原有进口闸室底板高程较低的那条导流洞1的轴线相交。在使用时，将旋流竖井6建设在位于中间位置的导流洞1处，能够减小有压衔接弯段4的总长度，有助于减小有压衔接弯段4施工工程量，节省工程投资。
所述步骤D中导流洞1的轴线与旋流竖井6的轴线相交时，有压隧洞为一有压衔接直段10，导流洞1的轴线与旋流竖井6的轴线不相交时，有压隧洞包括有压衔接弯段4和有压渐变直段11，有压渐变直段11的一端与下游明流泄洪洞7连接，另一端通过有压衔接弯段4与旋流竖井6的下部直段衔接。在使用时，旋流竖井6中的水经有压隧洞后，以射流的形式进入下游明流泄洪洞7，一是控制旋流竖井6水流与下游明流泄洪洞7平顺衔接，避免出现水流上窜的不利现象；二是能够减小流量，使旋流竖井6中的水位下降不致过快，确保旋流竖井6中水量充足，进一步使各有压隧洞与旋流竖井6的衔接口均处于被淹没状态，避免出现空化空蚀；三是射流水体在射入下游明流泄洪洞7的过程中，能够与空气形成高速掺气明流，保护下游明流泄洪洞7的高速过水壁面不致发生空蚀破坏。
所述有压衔接直段10的内孔断面为矩形，且内孔高度从旋流竖井6端至下游明流泄洪洞7端逐渐减小，有压衔接弯段4的内孔断面为圆形或椭圆形，内孔尺寸从旋流竖井6端至有压渐变直段11端保持不变，有压渐变直段11一端的内孔断面形状和尺寸与有压衔接弯段4相同，内孔另一端的断面形状为矩形，且内孔断面面积从有压衔接弯段4端至下游明流泄洪洞7端逐渐减小，下游明流泄洪洞7为城门洞型，并保持原导流洞1结构形式不变。
所述有压衔接直段10的内孔宽度与同其连接的下游明流泄洪洞7的内孔宽度一致，有压衔接直段10和下游明流泄洪洞7两者衔接处的内孔底板高程一致，有压衔接弯段4上靠近有压渐变直段11的一端与堵头5末端连接，有压渐变直段11和下游明流泄洪洞7两者衔接处的内孔底板高程一致，且内孔宽度一致。
所述旋流竖井6包括涡室、收缩段和竖井直段，涡室的下端通过形状和尺寸从上至下渐缩的收缩段与竖井直段的上端连接，有压隧洞与旋流竖井6的衔接口位于竖井直段中自由水面8的下方。在使用时，水流经新建闸室3和无压隧洞后进入旋流竖井6，利用旋流竖井6上部的涡室对水流进行引导，使水流以旋流的方式平顺地导入到竖井直段中，并形成贴壁的涡旋流动，水流在贴壁流动过程中与空气发生剪切和卷吸作用，挟带大量的气体射入竖井直段内的水体中，引发激烈的碰撞、剪切和掺混，消刹大量的能量，消能效果好。
所述竖井直段在同一高程上与多个有压隧洞衔接时，衔接口之间在竖井直段周向的距离不小于2m。
所述旋流竖井6的底板高程，比位置最低的堵头5高程低3m～10m。
所述有压隧洞出水口的高度按照以下公式进行计算：
Q0＝Q1+Q2+···+Qn (1)
Q1＝μ1b1e1(2g(Z-Z1-e1))0.5 (2)
Q2＝μ2b2e2(2g(Z-Z2-e2))0.5 (3)
··· ···
Qn＝μnbnen(2g(Z-Zn-en))0.5 (n+1)
Z-Z1-e1≥3 (n+2)
其中，Q0为旋流竖井6的总泄流量，Q1、Q2···Qn分别为导流洞1、2···n的泄流量，μ1、μ2···μn分别为有压隧洞出水口1、2···n的流量系数，流量系数μ的值根据实验结果进行确定，一般根据经验取μ＝0.75～0.9；b1、b2···bn分别为有压隧洞出水口1、2···n的宽度；e1、e2···en分别为有压隧洞出水口1、2···n的高度；g为重力加速度，取9.81m/s2；Z为竖井直段内自由水面8的高程；Z1、Z2···Zn分别为有压隧洞出水口1、2···n的底板高程，并且Z1≥Z2≥···≥Zn。
所述旋流竖井6的竖井直段内径为D，D的值采用董兴林公式D＝(Q0 2/g)0.2进行计算。
本发明提供的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用一条旋流竖井6与多条导流洞1进行衔接，使所有导流洞1都得到了有效利用，大幅提高了临时泄水建筑物的利用率，也大大提高了整个旋流竖井泄洪系统的泄流能力；同时，也减小了单条导流洞1的泄洪压力，降低了各条洞室内的水流流速，减小了各下游明流泄洪洞7空化空蚀风险。
2、所提供的方法能够用于改建各种类型的导流洞1，适用范围广。
3、由于仅仅通过一条旋流竖井6就将所有导流洞1衔接一个泄水系统，因而解决了分开处理多条导流洞1导致的工程量及工程投资大幅增加的问题。
4、各有压隧洞与竖井段的衔接口沿旋流竖井6轴线方向布置，并且所有衔接口都淹没于竖井直段内的自由水面8以下，高程较低的衔接口(即有压孔口)位于竖井内水深较深位置，压强较大，消除了空化空蚀风险；高程较高的衔接口位于竖井段上部，此位置的水流刚刚经过涡室的起旋并通过收缩段，其流速还没有完全提升起来，故而也没有空化空蚀风险。
5、一般地，对于大型水利水电枢纽工程，旋流竖井6是作为一种非常泄洪洞而存在，这主要是由于现有的旋流竖井6下部流速很高，从而存在较大的空化空蚀风险。而本发明提供的改建方法将旋流竖井6下部可能存在的高流速区全部变成压强较大的实体水流，有效降低了空化空蚀风险，故而旋流竖井泄洪系统可以作为一种正常的泄洪建筑物。

Claims (9)

1.一种将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：包括以下主要步骤：
A、在多条导流洞(1)内分别修建堵头(5)封堵住各导流洞(1)的进口；
B、在其中一条导流洞(1)的堵头(5)末端沿铅直方向修建旋流竖井(6)；
C、在库区建设新建闸室(3)，新建闸室(3)通过无压隧洞与旋流竖井(6)的涡室衔接；
D、将各导流洞(1)中位于堵头(5)下游的部分作为下游明流泄洪洞(7)，下游明流泄洪洞(7)通过有压隧洞与旋流竖井(6)的下部直段衔接；
所述有压隧洞出水口的高度按照以下公式进行计算：
Q0＝Q1+Q2+…+Qn (1)
Q1＝μ1b1e1(2g(Z-Z1-e1))0.5 (2)
Q2＝μ2b2e2(2g(Z-Z2-e2))0.5 (3)
… …
Qn＝μnbnen(2g(Z-Zn-en))0.5 (n+1)
Z-Z1-e1≥3 (n+2)
其中，Q0为旋流竖井(6)的总泄流量，Q1、Q2…Qn分别为导流洞1、2…n的泄流量，μ1、μ2…μn分别为有压隧洞出水口1、2…n的流量系数；b1、b2…bn分别为有压隧洞出水口1、2…n的宽度；e1、e2…en分别为有压隧洞出水口1、2…n的高度；g为重力加速度，取9.81m/s2；Z为竖井直段内自由水面(8)的高程；Z1、Z2…Zn分别为有压隧洞出水口1、2…n的底板高程，并且Z1≥Z2≥…≥Zn。
2.如权利要求1所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述步骤B中如果导流洞(1)的数量为奇数，则旋流竖井(6)的轴线与中间位置的那条导流洞(1)的轴线相交；如果导流洞(1)的数量为偶数，则旋流竖井(6)的轴线与中间两条导流洞(1)中原有进口闸室底板高程较低的那条导流洞(1)的轴线相交。
3.如权利要求2所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述步骤D中导流洞(1)的轴线与旋流竖井(6)的轴线相交时，有压隧洞为一有压衔接直段(10)；导流洞(1)的轴线与旋流竖井(6)的轴线不相交时，有压隧洞包括有压衔接弯段(4)和有压渐变直段(11)，有压渐变直段(11)的一端与下游明流泄洪洞(7)连接，另一端通过有压衔接弯段(4)与旋流竖井(6)的下部直段衔接。
4.如权利要求3所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述有压衔接直段(10)的内孔断面为矩形，且内孔高度从旋流竖井(6)端至下游明流泄洪洞(7)端逐渐减小；有压衔接弯段(4)的内孔断面为圆形或椭圆形，内孔尺寸从旋流竖井(6)端至有压渐变直段(11)端保持不变；有压渐变直段(11)一端内孔的断面形状和尺寸与有压衔接弯段(4)相同，内孔另一端的断面形状为矩形，且内孔断面面积从有压衔接弯段(4)端至下游明流泄洪洞(7)端逐渐减小；下游明流泄洪洞(7)为城门洞型，并保持原导流洞(1)结构形式不变。
5.如权利要求4所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述有压衔接直段(10)的内孔宽度与同其连接的下游明流泄洪洞(7)的内孔宽度一致，有压衔接直段(10)和下游明流泄洪洞(7)两者衔接处的内孔底板高程一致；有压衔接弯段(4)上靠近有压渐变直段(11)的一端与堵头(5)末端连接；有压渐变直段(11)和下游明流泄洪洞(7)两者衔接处的内孔底板高程一致，且内孔宽度一致。
6.如权利要求1所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述旋流竖井(6)包括涡室、收缩段和竖井直段，涡室的下端通过形状和尺寸从上至下渐缩的收缩段与竖井直段的上端连接；有压隧洞与旋流竖井(6)的衔接口位于竖井直段中自由水面(8)的下方。
7.如权利要求6所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述竖井直段在同一高程上与多个有压隧洞衔接时，衔接口之间在竖井直段周向的距离不小于2m。
8.如权利要求6所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述旋流竖井(6)的底板高程，比位置最低的堵头(5)高程低3m～10m。
9.如权利要求1所述的将多条导流洞改建为旋流竖井泄洪系统的方法，其特征在于：所述旋流竖井(6)的竖井直段内径为D，D的值采用董兴林公式D＝(Q0 2/g)0.2进行计算。
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