專利名稱：一種深孔旋流豎井泄洪洞的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種深孔旋流豎井泄洪洞，是一種水工設施，是一種用于放空水庫和泄洪的水工設施。
背景技術：
目前水電工程廣泛修建百米以上高的面板堆石擋水壩，與鋼筋混凝土檔水壩不同的是，為了保證大壩安全，在面板堆石擋水壩上不設泄洪用的溢流口，而是在擋水壩兩側山體中設置進水口較高的泄洪洞(或岸邊泄漕)泄洪。同時面板堆石擋水壩與鋼筋混凝土擋水壩一樣還要設置為大壩事故放水和供下游用水的放水洞。但放水洞的進水口比泄洪洞的進水口低得多，然而，泄洪洞和放水洞除了進水口高度不同外，其他部分十分類似，分別修建兩個進水口不同高度的泄洪洞和放水洞，極不經濟。因此，曾提出了用豎井斜井放水洞作 為泄洪洞的設計方案。但采用傳統的斜井式放水洞承擔泄洪，產生的問題是必須建造深孔進水口，即利用同一個進水口既能泄洪又能放水。但是深孔進水口的深孔底板的作用水頭較高，例如貴州洪家渡，四川瓦屋山和新疆喬巴特泄洪洞的深孔水頭分別約為70m、73m和72m，泄洪洞底板上總水頭分別為115m、123m、194m，對于傳統的斜井式泄洪洞，則在斜井下游反弧段上流速達40nT55m/s，洞內易發生空蝕破壞。世界上有許多大壩的斜井式泄洪洞發生了嚴重的空蝕破壞，例如美國的胡佛壩、格林峽壩和黃尾壩等斜井式泄洪洞。還有墨西哥的英菲爾尼羅壩、西班牙的阿爾達阿達比拉壩等泄洪洞，也發生了破壞。另外，為了消能，傳統的斜井式放水洞的出水口采用挑流出水，水流在出水口在挑流坎的作用下向空中射出。射向空中的水流產生的沖刷和霧化，破壞了出水口周圍的生態環境。中國劉家峽斜井式泄洪洞初次放水時，由于出口挑流霧化，以及所攜帶泥沙、粉塵，使高壓變電器短路，導致電力中斷，同時還破壞了岸邊公路。根據對中國二灘水壩的兩條泄洪洞放水挑流霧化的原型觀測結果，發現由于霧化形成的降雨量竟然達到1000mm/h，引起山體滑坡和生態植被破壞。
發明內容為了克服現有技術的問題，本實用新型提出了一種深孔旋流豎井泄洪洞。所述的泄洪洞采用深孔進水口，兼顧泄洪和放水。同時采用旋流豎井，高水頭水流在旋流豎井中消能，在出水口無需設置挑流坎，水流可以平穩流入下游河道。所述的設計方法，優化引水道與渦室的連接結構，使泄流順暢。本實用新型的目的是這樣實現的一種深孔旋流豎井泄洪洞，包括用短壓力進水口，所述的短壓力進水口與明流引水道連接，所述的短壓力進水口與明流引水道連接處設置弧形閘門，所述的明流引水道與渦室連接，所述渦室設置在豎井的頂端，所述的豎井底端與出水洞連接，所述的出水洞中設有組合消力墩，所述的出水洞與出水口連接，所述的短壓力進水口為深孔進水口 ；所述的明流引水道末端以1/4橢圓曲線同渦室偏心相切連接；所述的弧形閘門出口處設置摻氣跌坎，所述摻氣跌坎下游兩側的洞壁上設置通氣管，所述的通氣管的一端設置在摻氣跌坎的背水面或背水面兩側，所述通氣管的另一端設置在接近洞頂的部位。本實用新型產生的有益效果是本實用新型采用短壓力的深孔進水口，兼顧放水和泄洪的水位高度，用一條泄洪洞代替了傳統的泄洪洞和放水洞，降低了工程費用。為解決高水頭大流速在進水口底部容易產生空蝕問題，設置了帶有通氣管的摻氣跌坎。同時優化了明流引水道與渦室之間的連接結構，研究出能降低渦室進口前水躍高度的連接結構，以防止明流引水道與渦室連接段水躍封頂和向上游移動，降低泄流能力。同時通過豎井旋流、環狀水躍和出水洞內設置的組合消力墩的聯合消能，使總消能率達到80%以上，大大降低水流在出水口處的流速，有效避免出水口外發生空蝕，減輕出口水流產生的沖刷和霧化現象。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。圖I是本實用新型的實施例一所述泄洪洞的結構示意圖；圖2是本實用新型的實施例一所述泄洪洞的結構示意圖，是圖I中A-A方面剖視圖；圖3是本實用新型的實施例五所述組合消力墩的結構示意圖；圖4是本實用新型的實施例五所述組合消力墩的結構示意圖，是圖I中L-L向視圖；圖5是使用傳統計算方式計算得到的引水道末端橢圓曲線與渦室圓連接結構示意圖。
具體實施方式
實施例一本實施例是一種深孔旋流豎井泄洪洞，如
圖1、2所示。本實施例包括用短壓力進水口 1，所述的短壓力進水口與明流引水道3連接，所述的短壓力進水口與明流引水道連接處設置弧形閘門2，所述的明流引水道與渦室6連接，所述渦室設置在豎井7的頂端，所述的豎井底端與出水洞9連接，所述的出水洞中設有組合消力墩8，所述的出水洞與出水口連接，所述的短壓力進水口為深孔進水口 ；所述的明流引水道末端以1/4橢圓曲線301同渦室偏心相切連接；所述的弧形閘門出口處設置摻氣跌坎4，所述摻氣跌坎下游兩側的洞壁上設置通氣管5，所述的通氣管的一端501設置在摻氣跌坎的背水面或背水面兩側，所述通氣管的另一端502設置在接近洞頂的部位。本實施例采用豎井旋流的消能方式，即使高水頭的水流在一個豎直的井中產生旋流，消除水流的勢能。產生旋流設施是設置在豎井頂部的渦室，渦室的直徑略大于豎井，水流以渦室外沿的切線方向進入渦室，產生旋流。旋流進入豎井，在豎井中產生環形水躍消能。部分消能的水流流出豎井進入接近水平的出水洞，在出水洞中設置的組合消能墩對水流中的能量進一步消能。通過豎井旋流、環狀水躍和洞內壓力消能工的聯合消能，使總消能率達到80%以上，大大降低洞內流速，可避免出水口發生空蝕，減輕出口沖刷和霧化現象。本實施例所示的泄洪洞可以兼做放水洞，即可以泄洪也可以放水。本實施例為了兼顧放水和泄洪，所述的進水口采用深孔進水口，當總水頭不大于150m時設置一層進水口，當水頭再高時可以設置上下兩層進水口。本實施例所述的深孔進水口是一種短壓力進水口。在水工領域，短壓力進水口指的是從進口曲線、閘門槽和頂壓板這一短的有壓流段，下接明流引水道；若進口下接壓力引水道時，則稱長壓力進水口。本實施例所述的進水口與渦室之間有一段明流引水道。在明流引水道中設置有弧形閘門，所述的弧形閘門根據泄洪或放水的需要開閉。所述的圓弧閘門的門口的寬度沒和高度A是一個重要的數據，通常作為計算明流引水道的寬度和高度。因為在通常情況下圓弧閘門口的寬度或高度即為明流引水道的寬度，或者閘門口的寬度或高度略小于明流引水道的寬度或高度。所謂明流是指水流在引水道(洞)中流動時，不是充滿整個水道(洞)的截面，而只是在洞的下半部分流動，洞的上半部分充滿空氣。由于是深孔進水，水頭高流速大，在明流引水道中的水流帶有大量的能量，這些能量十分容易對明流引水道的底板產生空蝕破壞。為了防止空蝕，本實施例在明流引水道中采用了一個關鍵性的措施跌坎。水流在經過跌坎的時候，在跌坎背水面產生渦旋，渦旋水流與主水流相互沖擊、攪動，可以起到的消能作用。但如果不采取措施，這個渦旋產生的負壓對跌坎下游的底板會產生空蝕破壞。為此本實施例在跌坎背水面設置通氣管，將引水道(洞)頂部的空氣引導到跌坎的背水面進行摻氣，減輕渦旋對底板的負壓，防止空蝕破壞。所述的通氣管豎直的埋設在引水道的側壁上，通氣管的上口敞開在引水道的上部，可以吸收引水道上部的空氣。通氣管的下口，設置在跌坎的背水面或跌坎背水面兩側的洞壁上，用于消減跌坎背水面的負壓。通氣管可以是兩側洞壁上各埋設一根的粗大金屬管，或其他材質的管子，也可以是多根管子。管子的截面可以是圓形或矩形，或者其他形狀。本實施例的另一個關鍵點在于優化明流引水道與渦室連接部位。明流引水道與渦室連接部位采用(渦室)圓與(引水道)橢圓內切的方式。水流進入渦室沿橢圓曲線進入，可以減小水流對渦室壁的沖擊。過去的設計方式使引水道進入渦室的實際寬度小，引發了渦室進口收縮率大，過流面積小，渦室進口段很容易被水躍封堵，產生明滿流過渡流態，降低泄流能力，嚴重時會使水躍向上游移動，危機結構物安全。為此，本實施例縮短了渦室圓弧與橢圓曲線的中心間距C值，同時增加了渦室圓弧中心線同引水道軸線的間距的Λ值，見圖2。這樣優化設計的引水道與渦室連接結構，渦室進口增寬，旋流角動量增大，旋轉力度加強。在相同的進水口底板上的作用水頭仏弧形門尺寸從A和引水道的寬度的條件下，可以降低渦室上游水躍的高度，避免水躍封頂形成有害的明滿流過渡流態和水躍向上游移動減小泄流能力，同時能完全消除渦室同豎井連接跌坎處的負壓。為增加渦室水流旋轉的力度，消除跌坎處的負壓，同時增加引水道與渦室連接部位的強度，在引水道與渦室連接部位的引水道底板上澆筑折流坎。所述的折流坎為立體三角形。豎井底部連接的出水洞可以是水壩施工過程中開鑿的導流洞，以往的水壩施工結束后即廢棄，本實施例將其改造利用作為泄洪洞的出水洞。改造施工十分簡單，除設置豎井夕卜，僅在出水洞適當位置澆筑組合消力墩即可。所述的組合消力墩包括澆筑在出水洞底板上的消力墩和洞壁上的側墩。消力墩和側墩是三角墩形，其組合的方式可以是消力墩和側墩的背水面同在一個洞的截面上，形成連體，也可以分開，將側墩設置在消力墩的下游等多種選擇，具體設置視具體情況而定。[0024]實施例二 本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于明流引水道與渦室連接部位橢圓曲線的細化。本實施例所述的明流引水道末端的1/4橢圓曲線301位于垂直于渦室回轉中心線601并切割明流引水道的平面中，在所述平面中與引水道水流方向垂直的橢圓中心線302 (坐標的Y軸)到與之平行的渦室圓602中心線10之間的距離C為零點五倍的渦室直徑，如圖2所示。引水道與渦室的連接部位十分重要,水流進入渦室要有一個正確的角度,使水流不會對渦室形成過大的沖擊，還能有效的產生旋轉。本實施例所述引水道末端為1/4的橢圓曲線，該橢圓曲線與渦室圓內切。所述的橢圓曲線和渦室圓在垂直于渦室回轉中心軸線的平面中，該平面同時切割引水道。所述橢圓曲線的_7軸與引水道水流的方向(圖2中箭頭G所表示的方向)垂直^軸與引水道水流方向平行且過渦室圓的中心，z、_f軸交與ο點。該橢圓曲線與軸重合的中心軸線與渦室圓的中心軸線(與上述橢圓曲線的中心軸線平行)之 間的距離為渦室的半徑巧，或者說是渦室直徑的一半O. 5久，見圖2。實施例三本實施例是實施例二的改進，是實施例二明流引水道與渦室交界處的細化。本實施例所述的明流引水道末端與渦室交界處設置折流坎11，如圖2所示。本實施例所述的折流坎不僅能完全消除負壓，還能增加連接段結構強度。如圖2所示，所述折流坎為傾斜面，其中》點墊厚O. IW (B一豎井直徑,半徑為R)，n、p點同底板齊平，形成《高，點、P點低的立體三角形。引水道的水流向點方向偏移，增加渦室水流旋轉的力度，可以完全消除跌坎處負壓。實施例四本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例的細化。本實施例所述的短壓力進水口，當總水頭小于150米時設置一層水口，當總水頭大于150米時設置兩層水口。實施例五本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關于組合消力墩的細化，如圖3、4所示。本實施例所述的組合消力墩包括設置在出水洞底板上的消力墩802和設置在洞壁上的側墩801，所述底板上的消力墩與側墩可以組合在同一洞的截面上，也可以前后分開設置。所述的消力墩和側墩可以連接在一起，如圖3、4所示，也可以將側墩設置在消力墩下游適當的位置。實施例六本實施例是一種設計上述實施例所述泄洪洞的明流引水道末端與渦室偏心相切橢圓曲線的方法。本實施例所述的泄洪洞，主要采用短壓力進水口，明流引水道同渦室連接，下接豎井和出水洞。其特點是進口作用水頭//較高，引水道的弗汝德數大，在渦室前易產生明滿流過渡現象，且水躍封頂并且可能向上游移動，降低泄流能力，這是絕對不允許的。圖I是深孔旋流豎井泄洪洞基本結構和流態示意圖。為了優化弓丨水道與渦室的連接結構，在引水道末端的一側(指水流方向，本實施例為左側，也可以在右側)邊壁采用1/4橢圓曲線同渦室圓偏心相切連接(見圖2)，并且弧形門孔口尺寸的高、寬比Λ/方彡I. 3。[0038]I、豎井尺寸確定
O2D = k(—f2(I)
g
k = (1+ Frfms式中為最大流量A深孔弧形門寬度i 和高度A計算的引水道弗汝德數 2、渦室直徑確定D7 = 1.3D(2)3、引水道與渦室的優化連接結構引水道末端采用1/4橢圓曲線同渦室偏心相切連接。首先選擇渦室圓中心線同引水道軸線的間距(即偏心距)Λ值，及渦室圓與橢圓曲線的中心間距C值
A=Q.SDv 當 /5>1.5Β 'IA=0.6￡)r 當塒(3)
A= 0.65Df ^hfB<i.M JC=O. Wv(4)式中外一渦室直徑。根據式(3)和式(4)計算橢圓曲線P/a2 +/Zi2 = I的長、短半軸分別為
長半軸ct = C + 0.51 * =短半軸j=A+0,5BJ(5)式中沒一弧門孔口寬度，即引水道寬度。引水道末端橢圓曲線同渦室圓的切點座標在X軸上，即z=a，_F=0若在個別的情況下按上述式計算結果兩曲線不相切，則按式(6)計算長半軸
「 lh2(C2+h2-R^)/、 I、—每⑷短半軸的計算保持不變，橢圓曲線與渦室圓弧的切點座標χ = α /(α -ia) y =(7)渦室的進口寬度w =- S(8)
Ka式中4=0. 5 Dv為渦室的半徑；S =Α- \.5Β為引水道右側直線壁同χ軸的間距。按照式(3)和式(4)計算Λ和C值至關重要，由此所得出的長、短半軸繪出的橢圓曲線與渦室連接結構，使渦室進口的寬度r增大，在相同的渦室進口高度下，過流面積增大，同時渦室進口入流與渦室內的旋轉流交匯接觸面減小，即阻力減小，因此水躍高度降低。下面舉例說明某深孔旋流豎井泄洪洞總水頭約120m，進水口底板上水頭Η= 2· 42m,流量^860mVs，弧門孔口尺寸劭=4. 6 mX6 m,h/B > I. 30弧門末端至豎井軸長約35m，由于引水道很短，且流速較大(約30m/s)，為了防止引水道底板發生空蝕，在弧門末端采用跌坎和通氣孔連接下游陡坡引水道。弧門孔口處汝=4· 06，按式(I)和(2)計算豎井直徑D=IOm,渦室直徑外=13m，按式(3)和式(4)Λ=0. 6^=0. 6X13=7. 8m 和 C=O. Wv=Q. 5X13=6. 5m，按式(5)計算的橢圓曲線長短半軸分別為 b =Δ+0.55 =7. 8+2. 3=10. Im引水道直線壁與χ軸之間距'E= Δ- O. 5^=7. 8 — O. 5X4. 6=5. 5m按式(8)渦室的進口寬度
權利要求1.一種深孔旋流豎井泄洪洞，包括用短壓力進水口，所述的短壓力進水口與明流引水道連接，所述的短壓力進水口與明流引水道連接處設置弧形閘門，所述的明流引水道與渦室連接，所述渦室設置在豎井的頂端，所述的豎井底端與出水洞連接，所述的出水洞中設有組合消力墩，所述的出水洞與出水口連接，其特征在于，所述的短壓力進水口為深孔進水口 ；所述的明流引水道末端以1/4橢圓曲線同渦室偏心相切連接；所述的弧形閘門出口處設置摻氣跌坎，所述摻氣跌坎下游兩側的洞壁上設置通氣管，所述的通氣管的一端設置在摻氣跌坎的背水面或背水面兩側，所述通氣管的另一端設置在接近洞頂的部位。
2.根據權利要求I所述的泄洪洞，其特征在于，所述的明流引水道末端的1/4橢圓曲線位于垂直于渦室回轉中心線并切割明流引水道的平面中，在所述平面中與引水道水流方向垂直的橢圓中心線到與之平行的渦室圓中心線之間的距離為零點五倍的渦室直徑。
3.根據權利要求2所述的泄洪洞，其特征在于，所述的明流引水道末端與渦室交界處設置折流坎。
4.根據權利要求1、2、3之一所述的泄洪洞，其特征在于，所述的短壓力進水口，當總水頭小于150米時設置一層水口，當總水頭大于150米時設置上下兩層水口。
5.根據權利要求I所述的泄洪洞，其特征在于，所述的組合消力墩包括設置在出水洞底板上的消力墩和設置在洞壁上的側墩，所述底板上的消力墩與側墩可以組合在同一洞的截面上，也可以前后分開設置。
專利摘要本實用新型涉及一種深孔旋流豎井泄洪洞，包括用短壓力進水口，短壓力進水口與明流引水道連接處設置弧形閘門，明流引水道與渦室連接，渦室設置在豎井的頂端，豎井底端與出水洞連接，所述的短壓力進水口為深孔進水口；所述的明流引水道末端以1/4橢圓曲線同渦室偏心相切連接；所述的弧形閘門出口處設置摻氣跌坎，所述摻氣跌坎下游兩側的洞壁上設置通氣管。本實用新型采用短壓力的深孔進水口，兼顧放水和泄洪，用一條洞代替了泄洪洞和放水洞，降低了工程費用。解決高水頭大流速在進水口底部容易產生空蝕問題，設置了帶有通氣管的摻氣跌坎。優化了明流引水道與渦室之間的連接結構，防止明流引水道與渦室連接段水躍封頂和向上游移動，降低泄流能力。
文檔編號E02B8/06GK202610774SQ20122028589
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者董興林, 楊開林, 付輝, 郭新蕾, 王濤, 郭永鑫, 李福田, 余閩敏 申請人:中國水利水電科學研究院