CN201746824U - 一种高尾水位旋流泄洪洞 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高尾水位旋流泄洪洞，本实用新型包括进水口，进水口与引水道连接，引水道与可以产生竖直涡旋水流的竖直圆筒形涡室连接，竖直圆筒形涡室的顶端设置有通气井，竖直圆筒形涡室的底部与竖井的顶端采用收缩段连接，竖井底部与由导流洞改建的出水洞连接，出水洞前段设置形成水垫塘的阻水墩，出水洞的末段设置排气井装置。本实用新型利用出水洞前段设置阻水墩形成水垫塘，使水流逐渐形成有压气、水分层缓流态势，之后在出水洞顶部形成气囊。在出水洞的末段设置通气井装置，使大量空气通过排气井装置排入大气中，出口气爆完全消失。

Description

一种高尾水位旋流泄洪洞

技术领域

本实用新型涉及一种高尾水位旋流泄洪洞，是一种水工设施，是一种用于大型水利工程的泄洪并在洞内补气消能的设施，是一种用水坝施工中的导流洞改建为泄洪洞的补气消能设施。

背景技术

将大坝建成后废弃的导流洞改建为旋流泄洪洞的方式已经有公开发表，如中国专利《一种采用旋流及强水气掺混消能的泄洪方法和泄洪洞》（专利号：zl200710163314.3公开日：2008年3月26日）便提出了一种利用废弃的导流洞改建旋流泄洪洞的方法。所述的方法没有提到在高尾水位下旋流在出水洞中水气分离后如何解决空气排出的问题。

尾水位高于出水洞洞顶时，定义为高水位泄洪洞。在通常情形，当洞内明流流速大于30m/s以上时，尾水位比洞顶高2m以下都能将水跃冲出洞外。但是，由于旋流竖井泄洪洞水流经过竖井旋流和环状水跃消能后，在总水头100m下运行时，洞内流速小于25m/s，因此，尾水深略高于洞顶，就不能将水跃冲出洞外，此时洞内出现明满流过渡现象。虽然产生的水跃强度已经削弱，但洞内携带的大量气体形成气囊，水流一离开洞口，气泡迅速上升，在接触水面的瞬间发生气爆现象。

气爆是一种特殊的水击现象。对于有压洞内的气水混合体，在流动过程气泡不断上升飘浮到洞顶，逐渐集聚成大气囊，当气囊出洞口时迅速上升，在接触水面的瞬间破灭，填充原气囊空间的水体产生水击现象，引起水面巨大的波动。这种气爆现象威胁到出口建筑物的安全，是不允许的，必须采取防爆措施。因此，高尾水位泄洪洞必须排除洞内气泡，消除气爆现象。现有的排气设施大致有两种：

一是在泄洪洞进口段设排气室，将空气收集到气室内再集中排除，由于空气室的容积太大对大中型工程不实用。

二是沿出水洞全洞长分布设置排气井，如印度特里泄洪洞，在洞内布置六道以上的排气井，与出水洞顶部总排气洞连通。采用此种排气井布置的缺点是，（1）沿出水洞长间断地出现小气囊游荡现象，出口气爆还没有彻底消除；（2）若排气井通到山顶，则气井很高，并且破坏山上植被，若开挖总排气洞连通气井则工程量较大，施工费用过高，不够经济。因此需要提出一种更加低廉的方法，降低施工费用。

发明内容

为解决现有技术的问题，本实用新型提出了一种高尾水位旋流泄洪洞。所述的泄洪洞利用出水洞出口附近设置两道排气井装置，排出出水洞中气囊中的空气，使出水洞出口气爆现象完全消失。

本实用新型的目的是这样实现的：一种高尾水位旋流泄洪洞，所述的泄洪洞包括进水口，所述的进水口与引水道连接，所述的引水道与可以产生竖直涡旋水流的竖直圆筒形涡室连接，所述的竖直圆筒形涡室的顶端设置有通气井（如果引水道按有压流设计），所述的竖直圆筒形涡室的底部与竖井的顶端采用收缩段连接，所述的竖井底部与由导流洞改建的出水洞连接，所述的出水洞前段设置形成水垫塘的阻水墩，所述的出水洞的末段设置排气井装置。

本实用新型产生的有益效果是：利用水坝施工后废弃的导流洞作为泄洪洞施工量最大的出水洞，在出水洞前段设置阻水墩形成水垫塘，使水流在出水洞的流动过程中逐渐形成有压气、水分层缓流态势，之后在出水洞顶部形成气囊。在出水洞的末段设置通气井装置，使大量空气通过排气井装置排入大气中，出口气爆完全消失。由于设置阻水墩只是在废弃的导流洞改建的出水洞中增加简单水泥墩，而排气井装置设置在导流洞改建的出水洞末段，而导流洞的末段通常与山体表明十分接近，所以开挖通气井的工程量不大，工程费用大大降低。另外，排气井装置一般只需要开挖两个排气井，附加的排气孔建造和施工也很简单，因此，排气井装置的工程费用也很低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型实施例一所述的泄洪洞结构示意图；

图2是本实用新型实施例一所述的泄洪洞阻水墩示意图，是图1中的E向视图；

图3是本实用新型实施例二、三所述的泄洪洞在出水洞顶设置的排气井和集气坎的剖面示意图，是图1中B点的放大图；

图4是本实用新型实施例二、三所述的泄洪洞在出水洞顶设置的排气井和集气坎的示意图，是图1中B点的A向放大图；

图5是本实用新型实施例九所述的泄洪洞的破气坎示意图，是图 1中F点的放大图；

图6是本实用新型实施例九所述的泄洪洞的破气坎示意图，是图5中G向视图；

图7是本实用新型实施例九所述的泄洪洞的破气坎示意图，是图5中H向视图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种高尾水位旋流泄洪洞，如图1所示。本实施例所述的泄洪洞包括进水口1，所述的进水口与有压引水道（在设计洪水位以上为有压流）2连接，所述的有压引水道与可以产生竖直涡旋水流的竖直圆筒形涡室4连接，所述的竖直圆筒形涡室的顶端设置有通气井3，所述的竖直圆筒形涡室的底部与竖井5的顶端采用收缩渐变段连接，所述的竖井底部与由导流洞改建的出水洞9连接，所述的出水洞与竖井连接的进口附近，也就是出水洞前段，设置构成水垫塘7的阻水墩8，所述的出水洞在出口15附近设置，也就是出水洞的末段，设置排气井装置11、12。

本实施例利用了在施工后废弃的导流洞。原导流洞是穿越山体10的隧洞，将上游的水引导至下游，以便水坝施工，水坝完成后即废弃。为便于施工原导流洞的断面形状为城门洞形，即上半部为圆弧形，下半部为矩形，如图2所示。本实施例在上游的高水位处设置进水口，并设置进水口与涡室连接的引水道。引水道的出口设置在竖直圆筒形涡室的一侧，使水流可以沿圆筒的切线方向进入圆筒，以此产生非对称形涡流。因水库在高水位时引水道中的水流是有压流动，因此，竖直圆筒的涡室顶部设置通气井，以便水流在涡室中旋流时可以吸入大量空气。以保持竖井形成稳定的带有空腔的旋转流运动和避免竖井出现负压。涡室的底部与竖井采用收缩段相连。竖井与导流洞连接，并使用混凝土塞6将导流洞上游多余的部分隔开并废弃，留下游部分作为泄洪洞的出水洞。为了增加消能作用，在竖井底部连接的出水洞前段设置水垫塘。水垫塘由设置在出水洞前段的阻水墩形成的。阻水墩是由两侧壁的边墩和中间洞底的中墩组合而成，横截面均为三角形钢筋混凝土墩，如图2所示，使竖井底部至阻水墩之间的一段出水洞保持一定的压力，构成水垫塘。

出水洞末段设置排气井装置。排气井装置包括按照水流的方向顺序排列的两个一前一后的排气井。排气井的进口设置在出水洞的顶部，空气最容易聚集的位置。 为使空气顺畅的流入排气井，可以在排气井进口处水流方向的上游设置类似于压板的集气坎14。排气井的进口可以设置为喇叭形，在喇叭口上设置具有均匀进气孔的盖，更好的实现水和空气的分离。在出水洞的出口设置破气坎13。破气坎为设置在出口洞顶的三角形压板（中间埋设有顺水流方向的垂直金属板）。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于排气井装置的细化，如图2、3所示。本实施例所述的两个排气井按水流方向排列为第一排气井和第二排气井，所述的第二排气井的中心距到出水洞出水口的距离为1.4倍的竖井直径，所述的第二排气井的中心距到第一排气井的中心距的距离为1.6倍的竖井直径，所述的第一排气井和第二排气井的直径为0.15倍的竖井直径。

本实施例在出水洞末段洞顶设两道排气井，排气井距出水洞的出口1.4D（D－竖井直径）, 两道排气井的间距1.6D。研究指出，当出口尾水深度/洞高≥1.5（或洞顶淹没水深/洞高≥1.5）时，由于尾水位在洞顶埋深很高，出水洞的洞内水压力很大，这时洞内流态完全发生变化，除出水洞的进、出口一小段为满流外，全洞为稳定的有压气水分层缓流流态（洞内清水层平均流速小于10m/s），出水洞沿程压力分布均匀，通过排气装置完全消除了出口的气爆现象。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于排气井装置的细化，如图2、3所示。本实施例所述的第一排气井与出水洞的顶部连接处的进气口的上游设有集气坎，所述的集气坎在洞顶的纵向剖面为直角三角形，所述直角三角形的长直角边紧贴水洞顶部，所述直角三角形的斜边为迎水面，所述直角三角形的短直角边为背水面，所述集气坎的水平投影为顶角为圆弧的等腰三角形，所述等腰三角形的底边为背水面，所述等腰三角形的圆弧顶角为迎水面。

本实施例在紧靠第一道排气井的孔口上游端设集气坎，利用气泡上升速度快的原理，将大量气泡收集到排气井里；第二道排气井继续排除剩余的气体。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三所述集气坎的细化如图3所示。本实施例所述的集气坎的纵向中心剖面的直角三角形的长直角边为0.4倍的竖井直径，所述直角三角形的短直角边为0.3倍的竖井直径，三角形的短直角边到排气井井口的距离为0.06倍的竖井直径。

由于，集气坎是设置在出水洞的顶端，出水洞的顶端为圆弧形，因此设置出水洞顶端的集气坎的水平投影的等腰三角形的顶尖成为曲线形如图4所示。

实施例五：

本实施例是实施二的改进，是实施例二关于第一排气井的细化，如图3、4所示。本实施例所述的第一排气井与出水洞顶端的连接处的进口为喇叭形111，喇叭口的大端设有端盖112，所述的端盖上均匀分布多个排气孔113。

众所周知，通气孔若输送单一空气介质，孔口越大输气量越多。而此处的排气孔要排除有压泄洪洞中浮在水上的气泡和气囊，因此只有排气井底部采用小孔才能达到排气的目的，避免携带大量的水喷出井外。本实施例就是按照这一种原理设计的，若采用和排气井同样大直径的排气孔，则会将大量的水排除，降低排气效果，并且井内水面产生不稳定振荡和出现井喷现象。

实施例六：

本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于第一排气井的细化，如图3、4所示。本实施例所述的第一排气井的喇叭口的大端直径为0.4倍的竖井直径，所述端盖的厚度为0.1倍的竖井直径，端盖上设置五个纵切面为腰型的排气孔，排气孔的最细部直径为0.04倍竖井直径。

实施例七：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于第二排气井的细化，如图2、3所示。本实施例所述的第二排气井与出水洞顶端的连接处的进口为喇叭形，喇叭口的大端设有端盖121，所述的端盖设置至少一个直径小于第二排气井直径的排气孔122。

实施例八：

本实施例是实施例七的改进，是实施例关于第二排气井的细化，如图3、4所示。本实施例所述的第二排气井的喇叭口的端盖厚度为0.05倍的竖井直径，端盖上设置一个纵切面为腰型的排气孔，所述排气孔的大端直径为0.12倍的竖井直径，腰型最细部位的直径为0.05倍的竖井直径。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于出水口的改进，如图1、5所示。本实施例所述的出水洞的出水口处的顶端设置破气坎，所述的破气坎的纵向中心剖面为直角三角形，所述直角三角形的长直角边紧贴水洞顶部，所述直角三角形的斜边为迎水面，所述直角三角形的短直角边为背水面，所述破气坎的水平投影为顶角为等腰三角形，所述等腰三角形的底边为背水面，所述等腰三角形的顶角为迎水面。直角三角形的长直角边为0.5倍的竖井直径，直角三角形的短直角边为0.4倍的竖井直径。破气坎的水平投影的等腰三角形的底边为0.5倍的竖井直径。

本实施例在出水洞的出口顶部设置破气坎，将残余的气囊破坏。因为采用两道或多道排气井并不能完全排出洞内的空气，尚有残余的气泡集聚在出口段形成气囊，瞬间移出洞外产生气爆现象，虽然此时气爆的强度已经减弱，但也不希望发生，因此利用破气坎可将残余的气囊撕开，破坏发生气爆的条件，就能完全消除气爆现象。

为使破气效果更好，可以在三角墩121中心增加一块三角形金属板122，如图5、6、7所示，金属板的厚度为0.015米。

实施例十：

本实施例一种使用上述实施例所述泄洪洞的排气方法，所述方法的步骤如下：

水流进入泄洪洞进水口的步骤：用于水流平稳流入泄洪洞的进水口，水流中仅带有小量空气。在有压流的引水道基本上不带有空气而在无压流的引水道水流中带有空气。本实施例主要指的是在高库水位时引水道在有压的工况下。

水流在泄洪洞引水道中流动的步骤：用于水流在引水道中以有压状态流动。如果在低库水位的工况下则引水道中的水流为无压流动。

水流进入涡室并产生旋流水流的步骤：用于水流从涡室的竖直圆筒的切线方向进入竖直圆筒中，并在竖直圆筒中形成绕竖井轴的竖直旋流，竖直旋流在旋转过程中从有压流引水道涡室顶上的通气井吸入大量空气。如果在低库水位的工况下，由于引水道为无压流，则从无压流引水道的洞顶空间供气。

竖直旋流沿竖井下落的步骤：用于水流在涡室中形成竖直旋流后从涡室底部流入竖井中，所述的竖直旋流在竖井上部形成紧贴竖井井壁的旋流，在竖井中轴线处形成旋流空气腔，在竖井的中、下部产生环形水跃和气、水混合体垫层阻止了下落的水流冲击竖井的底板，同时进行强力的紊动消能，大量空气以气泡形式保持在水流中，水流在竖井底部为高压和脉动压力水流。

在水垫塘的作用下水流进入出水洞的步骤：用于水流在重力作用下下落至竖井底部，由于在出水洞的进口附近设置了阻水墩，使出水洞的进口段形成水垫塘，即压力消能工，水垫塘再次产生强烈的消能作用，并使转弯段出水洞的水流平稳的进入直段的出水洞内。使竖井底部至阻水墩这段洞内构成压力水垫塘，掺气水流在水垫塘内又进行一次强烈紊动的消能作用，并使水流从弯洞段平稳的过渡到直洞段，使下游出水洞形成有压气、水分层缓流态势。

气泡逐渐析出的步骤：水流在出水洞出口段流动的过程中，水中的气泡逐渐从水中析出，在水面上形成气囊。

集气的步骤：用于在出水洞末段设置集气坎收集气囊中的空气；

排出空气的步骤：用于在集气坎后设置的排气井将气囊中的空气排入大气中，使出水洞中的压力降低，产生消能作用。

残余的气囊从出水洞出口排出的步骤：用于在出水口洞顶的破气坎作用下撕开残留的气囊，破坏产生气爆的根源，水流携带分散的气泡离开洞口，在没有气爆的情况下平稳流入下游河道。

本实施例在出水洞下游出口段设置两道排气井。其作用是：使出水洞全长形成有压气、水分层缓流态势，洞内流速降到10m/s以下，而出水洞末段为有压气水混合流，气泡聚集在洞顶变成移动的气囊，气泡被排气井专门的装置搜集逐渐排出。水气分离的过程是：水流在出水洞的前段形成有压气水分层缓流态势，水流在出水洞出口段流动的过程中，水中的气泡逐渐从水中析出，在水面上形成气囊，成为带有气泡和气囊的满流流态（洞内压力降低），气泡和气囊漂浮在洞顶，从排气井逐渐排出。

最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案（比如排气井的外形、大小、安排等）进行修改者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高尾水位旋流泄洪洞，所述的泄洪洞包括进水口，所述的进水口与引水道连接，所述的引水道与可以产生竖直涡旋水流的竖直圆筒形涡室连接，所述的竖直圆筒形涡室的顶端设置有通气井，所述的竖直圆筒形涡室的底部与竖井的顶端采用收缩段连接，所述的竖井底部与由导流洞改建的出水洞连接，其特征在于，所述的出水洞前段设置形成水垫塘的阻水墩，所述的出水洞的末段设置排气井装置。

2.根据权利要求1所述的泄洪洞，其特征在于，所述的排气井装置包括两个按水流方向排列的第一排气井和第二排气井，所述的第二排气井的中心距到出水洞出水口的距离为1.4倍的竖井直径，所述的第二排气井的中心距到第一排气井的中心距的距离为1.6倍的竖井直径，所述的第一排气井和第二排气井的直径为0.15倍的竖井直径。

3.根据权利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第一排气井与出水洞的顶部连接处的进气口的上游设有集气坎，所述的集气坎的纵向中心剖面为直角三角形，所述直角三角形的长直角边紧贴水洞顶部，所述直角三角形的斜边为迎水面，所述直角三角形的短直角边为背水面，所述集气坎的水平投影为顶角为圆弧的等腰三角形，所述等腰三角形的底边为背水面，所述等腰三角形的圆弧顶角为迎水面。

4.根据权利要求3所述的泄洪洞，其特征在于，所述的集气坎的纵向中心剖面的直角三角形的长直角边为0.4倍的竖井直径，所述直角三角形的短直角边为0.3倍的竖井直径，三角形的短直角边到排气井井口的距离为0.06倍的竖井直径。

5.根据权利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第一排气井与出水洞顶端的连接处的进口为喇叭形，喇叭口的大端设有端盖，所述的端盖上均匀分布多个排气孔。

6.根据权利要求5所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第一排气井的喇叭口的大端直径为0.4倍的竖井直径，所述端盖的厚度为0.1倍的竖井直径，端盖上设置五个纵切面为腰型的排气孔，排气孔的腰型最细部直径为0.04倍竖井直径。

7.根据权利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第二排气井与出水洞顶端的连接处的进口为喇叭形，喇叭口的大端设有端盖，所述的端盖设置至少一个直径小于第二排气井直径的排气孔。

8.根据权利要求7所述的泄洪洞，其特征在于，所述的第二排气井的喇叭口的端盖厚度为0.05倍的竖井直径，端盖上设置一个纵切面为腰型的排气孔，所述排气孔的大端直径为0.12倍的竖井直径，腰型最细部位的直径为0.05倍的竖井直径。

9.根据权利要求1-8之一所述的泄洪洞，其特征在于，所述的出水洞的出水口处的顶端设置破气坎，所述的破气坎的纵向中心剖面为直角三角形，所述直角三角形的长直角边紧贴水洞顶部，所述直角三角形的斜边为迎水面，所述直角三角形的短直角边为背水面，所述集气坎的水平投影为顶角为等腰三角形，所述等腰三角形的底边为背水面，所述等腰三角形的顶角为迎水面。

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