CN116377974A - 一种导流洞出口竖井消能结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导流洞出口竖井消能结构，包括竖井、进流段、导流洞，所述竖井的底部设置有底板，竖井的底部为封闭结构，所述竖井的井壁上设置有进流口和溢流口，所述进流段的一端与进流口连通，进流段的另一端与导流洞连通，进流口宽度方向的中心线与竖井的竖向轴心线有偏心距，所述溢流口的底部高程介于进流段底板高程与进流段顶板高程之间。本发明结构简单，施工方便，能够充分消除导流洞下泄水流的动能，且可以降低下泄水流的单宽流量，分散余能，将水流导向下游河道的中部，减小岸坡的荷载和岸边流速。

Description

一种导流洞出口竖井消能结构

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄洪消能技术领域，尤其涉及一种导流洞出口竖井消能结构。

背景技术

竖井旋流消能工作为一种新型消能工，近年来在水利水电工程泄洪洞的泄洪消能设计中被广泛采用，具有布置灵活、出流方向不受上游洞段制约、消能率高等优点，可以适应窄河谷、高落差等复杂地形地质条件，一般与导流洞结合布置，大大节约了工程投资。竖井旋流泄洪洞的竖井布置在进口一侧山体内，如图1所示，主要包括：上平段13、排气管8、涡室9、收缩段10、竖井段11、下平段12。来流通过上平段进入竖井，水流沿竖井壁旋转下泄，竖井中心的空气腔为进气通道，可供水流充分掺气，而后进入底部消力井消能，最后通过压坡出口进入下平段。其根本特征有三：一是竖井进流为明流；二是水流贴壁流动，竖井中心为贯通的空气腔，属于水气二相流流动范畴；三是利用底部消力井消能，水流通过有压出口进入下平段。

水利水电工程中的大型导流洞，一般洞线较长、流量较大，受工程地形地质条件及工程投资限制，导流洞出流方向往往与河道交角很大，给下游河道的消能防冲带来很大的压力，特别是窄河谷中布置大型导流洞时问题尤为突出。一般导流洞出口不设置消能设施，主要依靠下游河道水体消能，当出流方向与河道的夹角较大时，下游河道的有效消能水体长度将显著减小，消能不充分，导流洞出流横穿河道到达对岸，导致对岸侧的流速较大，岸坡承受的动水荷载也较大，按常规设计，一般采用混凝土灌注防冲桩加混凝土面板进行防护，由于桩基较深，甚至需要围堰施工，且防护的范围较大，因此花费的工程投资也较大。而现有技术中的旋流竖井并不适用于对导流洞出口水流的消能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种导流洞出口竖井消能结构，解决导流洞出口水体消能的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种导流洞出口竖井消能结构，包括竖井、进流段、导流洞，所述竖井的底部设置有底板，竖井的底部为封闭结构，所述竖井的井壁上设置有进流口和溢流口，所述进流段的一端与进流口连通，进流段的另一端与导流洞连通，进流口宽度方向的中心线与竖井的竖向轴心线有偏心距，所述溢流口底部高程介于进流段底板高程与进流段顶板高程之间。

导流洞来流通过进流段进入竖井，水流沿竖井壁斜向下旋转流动，在到达竖井底部后继续旋转向上流动。所述溢流口底部高程介于进流段底板高程与进流段顶板高程之间，所述竖井的底部为封闭结构，使竖井中心存留一定量水体，竖井中心水体受贴壁主流的拖曳作用，形成明显的旋流流态。此过程中，由于水流的流程显著增大，摩阻作用增强，加之贴壁主流与竖井中心水体形成强烈的剪切及旋转流动促使水流的紊动强度显著增大，使下泄水流在竖井内可以充分消能。经过消能的水体通过溢流口漫溢至下游河道，避免对河道的冲刷。

进一步地，所述竖井的水平截面为圆形，所述进流段与竖井相切。

可选地，所述进流段的断面与导流洞的断面相同或者不同。

进一步地，所述进流段为导流洞靠近竖井的一段。

可选地，所述进流段长度不小于导流洞高度的5倍。如此，能够发挥缓冲作用，便于调整水流、控制流态，避免水流从导流洞到进流口时水流变化剧烈。进流段底坡与导流洞底坡之间形成折坡，如果进流段长度过短，会使导流洞内的局部荷载显著增大，且断面流速分布差异较大，水流进入竖井前未调整到相对均匀的状态。

可选地，所述进流段的长度为导流洞宽度的10倍以上。

进一步地，所述进流段的底板具有坡度，所述坡度的范围为5％-15％，所述进流段底板高程沿出流方向逐渐降低。优选所述坡度为10％。如此，确保水流进入竖井起旋后，水流不冲击竖井的顶部。

进一步地，所述溢流口为竖井壁上朝向河道设置的环形开口。

可选地，根据下游河道的地形条件确定溢流口的开口圆心角及开口方向。如此，调整导流洞出流的方向，减少出流对河岸的冲刷。应保证竖井内在导流洞宣泄最大流量时仍保持自由水面，不形成有压流，以免影响泄流能力。

优选地，所述环形开口圆心角的范围为90°-180°。

进一步地，溢流口的顶部高程高于导流洞宣泄最大流量时竖井内的自由水面高程。

选择好溢流口的开口圆心角之后，根据实用堰流的计算公式估算需要的堰顶水头，同时考虑下游水位衔接条件后综合确定；溢流口的顶部高程应高于导流洞宣泄最大流量时竖井内的自由水面高程；当导流洞下泄流量较小时，溢流口处为自由堰流或跌流，当下泄流量较大时，溢流口处可以为淹没堰流流态。溢流口越宽，水流能量越分散，下游防护压力越小。

进一步地，所述竖井水平截面的半径为进流段宽度的1.5-2倍。所述竖井内部空间为一规则的圆柱体，导流洞设计流量越大竖井水平截面的半径取值越大。当竖井半径小于上述值时，竖井壁面的曲率较大，不利于来流在竖井内起旋流动，而且会对竖井壁造成较大的冲击作用；竖井半径大于上述值时，可以增加消能效果，改善旋流流态，但相应工程量会增大，此外，受地形地质条件的影响，布置也会受限。

进一步地，所述竖井的高度大于进流段的高度，竖井的底板低于进流段底板，竖井的顶部高于进流段顶板。如此，保证水流从竖井中部进入竖井内，使水流有向下、向上旋流消能的空间，增大消能效率。

进一步地，从进流段顶部起算，竖井的高度大于进流段高度的1倍。

进一步地，竖井的深度为进流段高度的1-2倍。如此，保证竖井内充足的起旋空间。

可选地，竖井的顶部为开敞式结构或地下洞室结构。

进一步地，所述竖井的底部设置有底板。竖井底部留存一定量水体，如此，竖井底部的水体能够对进流消能，竖井中心无贯通的空气腔，是完整的立轴旋滚水流，水流通过竖井上方的溢流口溢流，能够保持较好的流态和较低的流速。

进一步地，竖井内应始终保持自由水面。一旦形成淹没，将减小导流洞的泄流能力。

可选地，所述溢流口与河道之间设置泄水渠。所述泄水渠为与溢流口宽度相当的泄水渠道。

进一步地，进流段设置有顶板。当导流洞下泄流量小时，进流段内存在自由水面，进流段为明流；当导流洞宣泄大量洪水时，进流段内不存在自由水面，此时进流段内为有压流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的竖井结构进流可以为明流或有压流，水流贴壁旋转流动既通过摩阻作用消能，又通过剪切带动竖井中心的水体而消能，且竖井中心无贯通的空气腔，是完整的立轴旋滚水流，水流通过竖井上方的溢流口溢流，而不是有压出流，对水流进行充分消能。

(2)本发明结构简单，可以充分消除导流洞下泄水流的动能，且可以降低下泄水流的单宽流量，分散余能，将水流导向下游河道的中部，减小岸坡的荷载和岸边流速。

(3)本发明适用性强，特别适用于窄河谷中布置长距离、大流量、出流方向与河道交角大的导流洞设计，可以从根本上解决导流洞出口附近河道的消能防冲问题。

(4)本发明施工方便，可与导流洞一起施工，省去了专门对导流洞出口附近下游河道进行防护的施工，节省工程投资。

附图说明

图1是现有技术中竖井结构示意图；

图2是本发明的平面结构示意图；

图3是本发明的断面结构示意图；

图4是本发明对比例的水平剖面流速等值线图；

图5是本发明对比例的水平剖面流速矢量图；

图6是本发明实施例的水平剖面流速等值线图；

图7是本发明实施例的水平剖面流速矢量图。

附图标记说明：1、导流洞；2、进流段；3、竖井；4、溢流口；5、泄水渠；6、河道；7、进流口；8、排气管；9、涡室；10、收缩段；11、竖井段；12、下平段；13、上平段；箭头方向表示水流方向；θ为溢流口圆心角。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

实施例

参阅图2和图3，一种导流洞出口竖井消能结构，包括竖井3、进流段2，所述竖井3的底部设置有底板，竖井3的底部为封闭结构，所述竖井3的井壁上设置有进流口7和溢流口4，所述进流段2的一端与进流口7连通，进流段2的另一端与导流洞1连通，进流口7宽度方向的中心线与竖井3的竖向轴心线有偏心距，所述溢流口4的底部高程介于进流段2底板高程与进流段2顶板高程之间。

进流段2贯通竖井3，进流段2的一侧边壁与竖井3壁相切。如图2所示，沿水流方向，进流段右侧壁与竖井右侧壁相切，竖井内产生沿逆时针方向的旋流。当进流段左侧壁与竖井左侧壁相切时，竖井内将产生沿顺时针方向的旋流。

某大型水电站工程导流洞1进口底板高程2015m，出口底板高程为2013m，总长度约1550m，底坡为0.13％。导流洞1为城门洞断面，断面尺寸为17m×19m，顶拱圆心角120°，断面面积298.74㎡。导流洞1最大设计流量约6700m³/s，相应断面平均流速为22.4m/s，出口段轴线与河道6交角约为53°，出口段河宽约为90m-130m，河床覆盖层厚度约为30m(强风化基岩下限高程约为1983m)。

所述导流洞1的为城门洞型断面，断面尺寸为17m×19m(宽度×高度)，顶拱圆心角120°，断面面积298.74㎡，导流洞底坡为0.13％，与河道交角为53°。所述的进流段2断面与导流洞1断面相同，长度为200m，底坡为10％，进流段2与竖井3相交，且进流段2右侧壁与竖井3右侧壁相切，在竖井3井壁上形成空间曲面形态的进流口7，该曲面的顶部高程为2018m，底部高程为1999m。

所述竖井3横截面半径为34m，为导流洞1宽度的2倍，竖井3底板高程为1983m，竖井3顶部高程为2050m(位于山体之中)，竖井3底板与进流段2末端底板的高程差为15m，约为1倍导流洞1的高度，竖井3顶部与进流段2顶部的高程差为32m。

所述溢流口4的开口圆心角θ为180°，开口宽度为106.8m(溢流前沿长度)，在下游河道6地形条件允许的情况下，优选开口圆心角为180°，如此，能够尽量分散水流。溢流口4底高程为2016m，按堰流公式近似估算，流量系数近似取0.385，预计下泄流量6700m³/s时，堰顶水头约为11m，因此预计竖井内水位约为2027m，低于竖井3顶部高程，可以保证竖井3维持自由水面。

所述泄水渠5为平底，泄水渠5底板高程与下游河道6底高程相同，均为1983m，宽度与溢流口4开口宽度一致，为68m；所述河道6的平均宽度为125m，河道6在导流洞1下泄流量6700m³/s时的相应水位为2030m，河底高程约为1983m，河道6长度约为900m。

导流洞1来流进入进流段2，进流段2处在竖井3的偏心位置且有一定的底坡，当水流进入竖井3后贴井壁向下旋转流动，当水流到达竖井3底板后，又开始向上起旋流动，在此过程中，竖井3内将形成中心流速低，四周流速高的旋流流态，竖井3井壁的摩阻作用、漩涡的剪切脉动将大量消除水流的动能；而后经溢流口4漫溢至泄水渠5，最后进入下游河道6，由于溢流口4的圆心角为180°，过流前沿的长度约为导流洞1宽度的6倍，因此，经过竖井3的消能和溢流口4的分散和导向作用，水流的余能很小，流入河道6的流速显著降低。

对比例

某大型水电站工程导流洞1进口底板高程2015m，出口底板高程为2013m，总长度约1550m，底坡为0.13％。导流洞1为城门洞断面，断面尺寸为17m×19m，顶拱圆心角120°，断面面积298.74㎡。导流洞1最大设计流量约6700m³/s，相应断面平均流速为22.4m/s，出口段轴线与河道6交角约为53°，出口段河宽约为90m-130m，河床覆盖层厚度约为30m(强风化基岩下限高程约为1983m)。导流洞1出口不设置所述竖井结构，导流洞1直接与下游河道6连通。

对导流洞及下游河道开展水动力学数值计算研究，其中对比例的导流洞出口段未设置所述竖井结构的下游河道平面流场如图4、图5所示；实施例的导流洞出口段设置所述竖井结构后下游河道平面流场如图6、图7所示。图4和图6中等值线上数字代表流速值大小。从图4、图5中可以看到，对比例中导流洞直接出流对下游河道的影响很大，对岸侧均处于高流速区，在导流洞出口下游600m处，岸坡流速还可以达到10m/s，防护的压力和范围均较大。从图6、图7可以看出，实施例中在导流洞出口段设置所述竖井结构后，出流流速显著降低，对岸侧流速仅有2m/s，下游河道内不存在高流速区，基本不必对下游河道进行防护。本发明有效解决导流洞出口河道消能及防冲问题。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种导流洞出口竖井消能结构，包括竖井(3)、进流段(2)、导流洞(1)，其特征在于，所述竖井(3)的底部设置有底板，竖井(3)的底部为封闭结构，所述竖井(3)的井壁上设置有进流口(7)和溢流口(4)，所述进流段(2)的一端与进流口(7)连通，进流段(2)的另一端与导流洞(1)连通，进流口(7)宽度方向的中心线与竖井(3)的竖向轴心线有偏心距，所述溢流口(4)底部高程介于进流段(2)底板高程与进流段(2)顶板高程之间。

2.根据权利要求1所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述竖井(3)的水平截面为圆形，所述进流段(2)的侧壁与竖井(3)壁相切。

3.根据权利要求2所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述竖井(3)水平截面的半径为进流段(2)宽度的1.5-2倍。

4.根据权利要求1所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述进流段(2)的长度为导流洞(1)宽度的10倍以上。

5.根据权利要求4所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述进流段(2)的底板具有坡度，所述坡度的范围为5％-15％。

6.根据权利要求1所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述溢流口(4)为竖井(3)壁上朝向河道(6)设置的环形开口。

7.根据权利要求6所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述环形开口的圆心角范围为90°-180°。

8.根据权利要求1所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，所述竖井(3)的深度为进流段(2)高度的1-2倍。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种导流洞出口竖井消能结构，其特征在于，包括泄水渠(5)，所述泄水渠(5)与溢流口(4)连通。

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