專利名稱：一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置，是一種水利防洪泄水的
裝置，是一種用于水庫泄洪洞防蝕和消能的裝置。
背景技術：
修建大壩主要是為了防洪、發電、城市供水和農業灌溉等目的，而泄洪結構設施是 汛期保證大壩安全的重要樞紐組成部分。對于一個好的泄水結構設施它必需滿足運行安全 可靠、工程投資少和不破壞下游生態環境的要求。我國的大、中型水庫有數萬座，其中大部 分是土石壩，達不到防洪標準的工程為數不少，特大洪水到來時，往往因泄洪能力不足，或 因閘門打不開，發生洪水漫溢潰壩現象，給人民生命財產造成滅頂之災，如1975年8月河南 的板橋和石漫灘水庫垮壩事件對我國政治、經濟和社會帶來極大的負面影響，廣西石大開 水庫在洪水來臨時，閘門打不開，洪水位猛漲，正在水流要漫壩的瞬間，閘門被洪水沖垮，避 免了一場大災難。國內外垮壩事件很多，特別是中小型水庫不計其數。為防止垮壩事件的 發生，除在水壩附近建造溢流設施外。有時需增建一條非常溢洪道，這種溢流設施通常利用 建造水壩時的導流洞(水壩完成后即廢棄)增加一條豎井，在豎井上設環形堰的進水口形 成泄洪洞。堰頂高程即水庫正常水位，當水位高于正常水位時泄洪洞開始泄洪。種種傳統 的環形溢流堰豎井式泄洪洞(美國稱Morning-glory spillway)，在20世紀40 50年代 美國修建很多，其主要缺點是 (1)為了適應設計流量，在環形堰頂設分流墩，而為了防止由于開挖地形引起的漩 渦對泄流能力的影響，還需要專門設置防漩墩。 (2)環形堰下的豎井普遍存在較大的負壓，除此之外，豎井與出水洞連接的頂部負 壓更大易發生空蝕破壞，還有洞內流速高(總水頭100 200m，流速38 50m/s)，也易發 生空蝕破壞，而在洞的出口采用挑流坎射流產生霧化現象，破壞生態環境。 (3)已往為了解決豎井的空蝕問題，將整體豎井從上到下改成逐漸收縮斷面，以增 加壓力(美國)，或在豎井上部設置環形通氣坎，在出水洞的進口頂部和底板設置摻氣坎和 通氣槽(前蘇聯)。 (4)雖然多處設置了摻氣設施，在與出水洞連接段的底板上也有發生空蝕破壞的 可能性(如我國二灘"泄洪洞)。
(5)通氣管道系統復雜，增加施工困難，不經濟。 在導流洞中也要設置消能設施，傳統的消能設施是在豎井的洞底部位開挖消力 井，在豎井與導流洞連接的部位的導流洞頂設置反向收縮坎(或稱壓板)，同時設通氣井， 目的是增加消能效果和保持下游形成穩定的明流流態。通過許多試驗證明這種設施對消能 率的增加甚小(不到2% )，洞內水面波動也較大。
發明內容為解決現有技術的問題，本實用新型提出一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置，或者稱為旋流環形堰防蝕、消能的泄洪設施。所述的設施的目的是為水電站水庫提供一種 可靠的高效率防蝕、消能的新型泄洪建筑物。本實用新型所述裝置是利用環形堰易發生漩 渦的機理，巧妙地利用幾個導流墩使環形堰進水口和豎井形成穩定的螺旋流流態，增加壁 面壓力并摻入大量空氣，在豎井下部產生環狀水躍，與洞內水墊聯合消能，達到防蝕和提高 消能率的目的。 本實用新型的目的是這樣實現的一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置，所述的 裝置包括一個豎井，所述豎井底部與水平的消能洞相貫連接，所述消能洞與導流洞貫通 連接，所述的豎井的進口處設置環形堰，所述環形堰的內環與豎井形成光滑的收縮型曲面 連接；所述環形堰外設置幾個導流墩，所述導流墩的中心線與環形堰的切線成大于或等于 0°小于45°的夾角；所述的豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；所 述的消能洞設置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。 本實用新型產生的有益效果是使環形堰產生穩定的帶有空腔的螺旋流運動是本 實用新型的基礎，它不同于現有的渦室或起旋室需要修建一專門的起旋結構物，而是利用 幾個導流墩與環形堰周邊相切或成一小角度連接，使水流旋轉，在豎井內形成螺旋流運動。 其結構簡單，施工方便，投資少，不用維修，防蝕和消能效果好，泄洪洞出口不產生霧化現 象，保護生態環境。 本實用新型所述的旋流環形堰豎井式泄洪道是最靈活的防洪泄水設施，它很適用 于緊急泄洪，防止洪水漫壩，其主要特點是 (1)環形堰頂高程為正常高水位(堰上水頭一般小于5m)，不設置閘門，洪水到達 堰頂時自動下泄流量。
(2)利用幾道導流墩使環形堰產生旋轉流進入豎井，形成帶有空腔的螺旋流運動， 吸入大量空氣，消能效果好，并可防止結構物發生空蝕破壞。(3)豎井底部不用開挖消力井，可節省開支。
(4)在消能洞中有集水墩、水墊塘、收縮墩組成的消能設施十分有效。 采用環形堰和豎井的旋流加消能洞內水墊旋滾流聯合消能的結果，消能率高，總
消能率可達90% ，泄洪洞出口無霧化現象，可防止河床沖刷和生態植被破壞，出口不用澆筑
挑流坎，整個設施更加簡化。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型實施例一所述的旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置示意圖； 圖2是本實用新型實施例五所述的集水墩示意圖，是
圖1的C-C剖面圖； 圖3是本實用新型實施例七所述的收縮墩示意圖，是
圖1的D-D剖面圖； 圖4是
圖1的A-A剖面示意圖； 圖5是本實用新型實施例二所述的五個導流墩的示意圖； 圖6是本實用新型實施例二所述的八個導流墩的示意圖； 圖7是本實用新型實施例九所述的旋流環形堰防蝕、消能的泄洪方法的水流示意 圖； 圖8是圖7的E-E剖面圖。
具體實施方式
實施例一 本實施例是一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置，如
圖1、4所示。本實施例所 述的裝置包括一個豎井10，豎井底部與水平的消能洞相貫連接，消能洞與導流洞9貫通連 接，豎井的進口處設置環形堰1 ，環形堰的內環與豎井形成光滑的收縮型曲面連接，形成縮 口2。環形堰外設置若干導流墩3，導流墩的中心線與環形堰的切線成大于或等于0。，小 于45°的夾角。豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間5，見
圖1、4所示。 消能洞設置有集水墩6和收縮墩8，集水墩和收縮墩之間是水墊塘7。 本實施例由旋流環形堰、豎井、消能洞和導流洞組成。其中的導流洞是原水壩施工 時建造的，用于將上游的水流引到下游，以便水壩施工，水壩建造完工即廢棄。這種導流洞 的截面通常是城門洞型，即頂部為半圓形，下部為矩形。導流洞改造為水平旋流泄洪洞時通 常要對城門洞型的截面進行改造，例如改造為圓形截面，但本實施例無需對導流洞的截面 進行任何改造。本實施例在大壩上游開挖豎井，與原導流洞相貫連接，在連接部位將上游的 一段導流洞用混凝土塞4堵死，并在下游的導流洞中簡單的改造，形成消能洞和出水引導 水道，為方便起見將出水引導水道還稱為導流洞。混凝土塞并不是緊挨在豎井的井壁設置， 而是留有一定的空間，以便下落的水流在這個空間中產生旋滾流，有一定的消能作用。 本實施例的進水口采用環形堰，而不需要采用專門的渦室或起旋室。傳統的環形 堰總是擔心產生影響泄洪的漩渦水流，因此，往往設置防旋墩阻止水流在進入豎井時產生 漩渦。而本實施例反其道而行之，利用導流墩產生漩渦水流，利用漩渦水流進行摻氣和形成 環形水躍，產生消能作用。只要豎井的直徑設計合理，不會影響泄洪能力。本實施例采用數 道導流墩與環形堰周邊相切或成一角度布置，導流墩結構和平面布置遵守流體力學的原理 和規律。環形堰導流墩的數量越多旋流效果越好，但流量系數相應會減小，即流量會減少， 一般墩的數量取4 8個，導流墩與環形堰周邊切線的夾角對流量系數影響也較大，角度越 大流量系數越大，反之就越小，通常夾角取0 30。，(圖4中采用10。角)如墩子數量多 時，為了增加流量系數可將角度放大一些。環形堰上水頭H與堰半徑Rh之比對流量系數也 影響較大，當H/Rh > 0. 5時開始變成淹沒流，而當H/Rh < 0. 4時開始形成自由流，前者的流 量系數小于0. 3，后者要大于0. 35，視導流墩的數量和夾角而變化。 傳統的設計在環形堰和豎井的聯系部位使用復雜的曲面形狀，建造比較復雜，而
本實施例采用環形堰斷面為1/4橢圓曲線同豎井連接。由于旋流離心力的作用使壁面壓力
升高，可防止發生空蝕，同時在豎井下部產生環狀水躍加大了消能力度。 豎井下部直接與原導流洞相貫連接，在原導流洞與豎井相貫處附近澆注集水墩形
成水墊，而在集水墩下游澆注收縮墩形成水墊塘，總稱為消能洞，消能洞下游直接連接原導
流洞。集水墩是設在消能洞進口的底板上，自然形成一水墊，高速水流從集水墩頂部射流到
由收縮墩構成的水墊塘內，而收縮墩的兩側墩產生立軸漩渦，中墩產生橫向漩滾流，致使壓
力消能洞的消能率達40%左右，再加上豎井旋流和環狀水躍的消能作用，泄洪洞總消能率
可達90%。 為說明下面舉一個實現的設計例假設某水利樞紐的擋水壩為堆石面板壩，除修 建泄洪和放空洞外，按MPF (最大可能洪水量)洪水標準需要利用導流洞改建一條環形堰豎 井式非常泄洪洞。該工程基本資料最大泄量9= 1300mVs，堰上水頭H二4.8m，總水頭Z=120m，導流洞尺是寬13m、高15m城門洞形斷面。 根據旋流環形堰防蝕、消能泄洪結構的設計原理，首先按四個導流墩設計旋流環 形堰，墩子與環形堰圓周切線夾角取10° ，當H/Rh = 0. 22時，流量系數m " 0. 4，計算環形
堰半徑Rh:
16. 5m， 環形堰直徑Dh = 33m， 豎井直徑， = (^)固=(l^_)(u = 11.15m取d = llm， g 9,81 ， 環形堰斷面尺寸采用1/4橢圓曲線(x7a2+y7b2 = 1)，首先確定橢圓曲線短半軸
b《D(D-豎井直徑)，長半軸a " 2b。 消能洞的集水墩和收縮墩的特點是 1)墩的體型為三角形，其背水坡為垂直面，使負壓渦脫離結構物，再加上自然摻 氣，確保結構物不發生空蝕； 2)保持各墩的過流面積約等于豎井截面積的一半，若過流面積太小，由于雍水在 豎井和消能洞進口段將會產生不穩定渦線流態，可能引起結構物振動，同時降低泄流能力， 若收縮面積太大，則進口洞段不能形成壓力消能工，使消能率大為降低。
實施例二 本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于導流墩的改進。本實施例所述的導 流墩數為4 8個。 圖4所示的是4個導流墩的情況。圖5是五個導流墩的情況。圖6是八個導流墩 的情況。
實施例三 本實施例是實施例二的改進，是實施例二關于導流墩的改進。本實施例所述的截 面形狀是矩形303連接楔形302，導流墩離環形堰近端的楔形頭部301呈鈍圓型，導流墩的 矩形尾部304呈圓形，如圖4所示。 導流墩更準確的說應該是導流墻，類似一堵短墻。短墻的截面形狀是矩形的。為 使導流效果更好，本實施例采用的一種頭部為楔形，楔形的角度比較尖銳，楔形的尖端以一 段圓弧過渡。為使水流順暢，導流墩的所有棱角均使用圓弧過渡。 實施例四 本實施例是實施例三的改進，是實施例三關于環形堰的改進。本實施例所述的環 形堰外緣102的斷面呈圓形曲線形，環形堰內緣101與豎井連接的斷面曲線呈橢圓曲線形， 見圖l所示。 環形堰的外緣使用簡單的圓弧曲線，建造方便。環形堰的內緣與豎井的連接面使 用四分之一橢圓曲線回轉獲得的曲面，形成收縮口。環形堰內緣的斷面的橢圓曲線(x7 a2+y2/b2 = 1)十分簡單，施工方便。
實施例五
')_ = W.66m 取 r[0053] 本實施例是實施例四的改進，是實施例四關于集水墩的改進，如圖2所示。本實施 例所述的集水墩設置在消能洞的底板上。集水墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡601。 集水墩的迎水面與水平線呈30 45°角，背水面與水平線垂直。 實施例六 本實施例是實施例五的改進，是實施例五關于集水墩的改進。本實施例所述的集
水墩的截流面積等于豎井截面積的一半。 實施例七 本實施例是實施例六的改進，是實施例六關于收縮墩的改進，如圖3所示。本實施 例所述的收縮墩設置在消能洞的底板上803和兩側洞壁上801 。收縮墩截面呈三角形，頂部 截去，形成小斜坡802。收縮墩迎水面與水平線呈30 45。角，背水面與水平線垂直。 實施例八 本實施例是實施例七的改進，是實施例七關于導流墩的改進。本實施例所述的收
縮墩的截流面積等于豎井截面積的一半。
實施例九 本實施例是一種使用上述實施例所述裝置的旋流環形堰防蝕、消能的泄洪方法如 圖7、8所示。本實施例所述方法的步驟如下 水流漫過環形堰1101 ; 水流在導流墩的作用下與環形堰切線成一定角度的方向進入環形堰1108 ; 在多個導流墩的作用下，水流在環形堰內緣與豎井連接的光滑的收縮型曲面上形 成繞垂直軸的旋流1102 ; 旋流中部帶有空腔，帶有空腔的水流帶入大量空氣進入豎井； 帶有大量空氣的旋流沿豎井下落，在豎井下部位形成環形水躍和氣水混合墊層 1103，消耗大量能量； 在豎井與消能洞結合的部位，水流在消能洞進口與消能洞相對的空間中形成旋滾 流，與原繞垂直軸的旋流形成復雜的摻氣流動1104，進行消能； 水流進入消能洞，在集水墩的作用下，高速摻氣水流從集水墩的頂部敞口射入水 墊塘，在水墊塘內水流產生旋滾流進行強力的氣水剪切作用繼續消耗大量能量1105，再次 消能； 當水流流出收縮墩時，兩側墩誘發出立軸漩渦再次摻氣1109，和底板上的中墩產 生的橫向漩滾水流1106互相碰撞剪切作用又消耗掉大量能量，再次消能； 消能后水流經導流洞排出1107。 本實施例所述泄洪洞運行過程水流經導流墩起旋進入環形堰和豎井，形成帶有 空腔的螺旋流，在豎井下部產生環狀水躍和氣水混合墊層，消耗大量能量，接著高速摻氣水 流從集水墩頂部敞口射入水墊塘內，產生旋滾流進行強力的氣水剪切作用繼續消耗大量能 量，當水流流出收縮墩時，兩側墩誘發出立軸漩渦再次摻氣，和中墩產生的橫向漩滾水流互 相碰撞剪切作用又消耗掉大量能量，致使殘留的動能所剩無幾，洞內流速急劇降低(總水 頭100 200m的泄洪洞流速降至14 18m/s)，導流洞內水面平穩，出口無沖刷，亦無霧化 現象，完好地保護下游生態。 最后應說明的是，以上僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實 用新型的技術方案(比如導流墩和環形堰的外形、大小，集水墩和收縮墩的外形、安排等) 進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍。
權利要求一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置，所述的裝置包括一個豎井，所述豎井底部與水平的消能洞相貫連接，所述消能洞與導流洞貫通連接，其特征在于，所述的豎井的進口處設置環形堰，所述環形堰的內環與豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環形堰外設置幾個導流墩，所述導流墩的中心線與環形堰的切線成大于或等于0°，小于45°的夾角；所述的豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；所述的消能洞設置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。
2. 根據權利要求1所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的導流墩數為4 8個。
3. 根據權利要求2所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的截面形狀是矩形連接楔形，導 流墩離環形堰近端的楔形頭部呈鈍圓型，導流墩的矩形尾部呈圓形。
4. 根據權利要求3所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的環形堰外緣的斷面呈圓形曲 線形，環形堰內緣與豎井連接的斷面曲線呈橢圓曲線形。
5. 根據權利要求4所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的集水墩設置在消能洞的底板 上；所述的集水墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡；所述集水墩的迎水面與水平線呈 30 45°角，背水面與水平線垂直。
6. 根據權利要求5所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的集水墩的截流面積等于豎井 截面積的一半。
7. 根據權利要求6所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的收縮墩設置在消能洞的底板 和兩側洞壁上；所述收縮墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡；所述收縮墩的迎水面與 水平線呈30 45°角，背水面與水平線垂直。
8. 根據權利要求7所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的收縮墩的截流面積等于豎井 截面積的一半。
專利摘要本實用新型涉及一種旋流環形堰防蝕、消能的泄洪裝置。所述的裝置包括一個豎井，豎井底部與水平的消能洞相貫連接，消能洞與導流洞貫通連接，豎井的進口處設置環形堰，環形堰的內環與豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環形堰外設置幾個導流墩，所述導流墩的中心線與環形堰的切線成0°≤θ＜45°的夾角；豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；消能洞設置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。本實用新型利用幾個導流墩與環形堰周邊相切或成一小角度連接，使水流旋轉，在豎井內形成螺旋流運動。其結構簡單，施工方便，投資少，不用維修，防蝕和消能效果好，泄洪洞出口不產生霧化現象，保護生態環境。
文檔編號E02B8/06GK201437586SQ20092011019
公開日2010年4月14日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者付輝, 楊開林, 王濤, 董興林, 郭新蕾, 郭永鑫 申請人:中國水利水電科學研究院