專利名稱：一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪方法和泄洪洞的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪方法和泄洪洞，是一種 旋流豎井(或水平旋流洞)聯合水墊塘消能的新型泄洪洞，這種泄洪洞能摻入大量空氣進行強力的水氣紊動摻混，可將高水位擋水壩下泄的洪水能量消掉90 % ，因此能避免高速水流對水工建筑物的破壞和對下游河床沖刷以及引起霧化 導致岸坡的不穩定，本發明實用于高水頭大型水電工程的泄洪洞。
技術背景傳統泄洪洞的缺點有許多。首先這種泄洪洞必須在平面上筆直修建，不能 有轉彎，而為了截流筑壩所建造的臨時導流洞，因受地形條件限制多數是帶有 彎道，這對于利用導流洞改建泄洪洞來說是非常困難的，雖然經過精心設計也 可以克服，但費用要增加很多。另外，由于傳統的泄洪洞是采用斜井通過反弧 段與導流洞連接的。在施工方面，斜井的施工比較困難，同時溢流面的平整度 有嚴格的要求；在水力學方面，洞內消能率較低，特別是在高落差下，靠近反 弧段下游水流流速4艮大，如100~200m水頭的流速可達38~50m/s，是空蝕破 壞的敏感區。全世界有許多泄洪洞的破壞都是因該處發生空蝕引起的(將底板 鋼筋拉斷、沖成巨大的深坑，并將百余米長的混凝土底板掀起)，如美國的胡佛、 黃尾壩，中國的劉家峽和二灘水電站等泄洪洞，都發生了嚴重破壞事故，直接 地威脅擋水大壩的安全。除此之外，由于泄洪洞出口流速較大，易沖刷河床， 同時所產生的霧化現象，直接影響下游高邊坡的穩定。要解決這些問題都會使 水電工程的投資急劇增加，而且難以確保工程絕對安全。 發明內容為克服現有技術的問題，本發明提出 一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄 洪方法和泄洪洞。本發明找到一種新型的旋流和強力水氣摻混的消能泄洪方法， 即建造一種新型的泄洪洞能克服現有技術的缺點。本方法的采用，促使水流旋 轉自然摻氣和在水墊塘中水氣充分摻混攪拌作用，使水流在較大的落差勢能轉 化為動能時，將水中大量的能量消除，使洪水平順的流出泄洪洞。并根據這種 方法設計了兩種泄洪洞，有效地解決了傳統泄洪洞的疑難問題。本發明的目的是這樣實現的 一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪方法 包括進水口、引水道、旋流落差消能設施、水墊塘、阻水墩、出水洞、出水 口，其所述的步驟為水流經過進水口、引水道進入泄洪洞的步驟； 水流經過旋流落差消能設施消除落差和旋流消能的步驟； 經旋流消能的水流進入水墊塘，在阻水墩的作用下進一步消能的步驟； 經三次消能的水流通過出水洞及其出水口進入下游河道的步驟。 一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪洞，包括修建在水電工程擋水大 壩上游岸邊的泄洪洞進水口 ，與所述進水口相連的是帶有豎井的可以使水流下 落并產生旋轉消能的旋流落差消能設施，與所述旋流落差消能設施連接的是與 擋水大壩下游水位接近的可以進一步效能的水墊塘，在所述水墊塘的出口處設 有阻水墩，與所述水墊塘連接的是由建壩施工中建造的導流洞改建的出水洞， 所述出水洞與泄洪洞出水口連接。本發明產生的有益效果是使用的旋流及水墊塘摻混水氣擴散消能的措施， 有效地將高水位落差產生的水流動能消除，據實驗研究，旋流消能只消去水流 中的50~60°/。的能量，再通過水墊塘(含阻水墩)的消能，洞內消能率達到90%， 出口流速可以控制在施工導流時的標準，有效地防止了空蝕、沖刷和霧化現象。 因此本發明的泄洪洞出口不必設置任何消能設施，另外由于使用的是豎井，就 其工程量和施工難度都小于傳統泄洪洞的斜井，特別是，本發明所述的泄洪洞 可以利用建壩工程所廢棄的任何型式導流洞改建而成(不管導流洞是否轉彎，
其斷面是何種型式)，在通常情況下水壩建成之后導流洞都要堵死廢棄。從以上幾項來看節省的工程費用將是相當可觀的。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖l是傳統的泄洪洞示意圖；圖2是本發明實施例一、四中泄洪洞豎井在水壩中的位置示意圖； 圖3是本發明實施例二、五中旋流豎井兼水墊塘的泄洪洞示意圖，是圖5 的B-B剖面圖；圖4是本發明實施例五中所述的出水洞截面圖，是圖3中E向視圖； 圖5是本發明實施例五中所述的泄洪洞平面圖，是圖3中A-A剖面圖； 圖6是本發明實施例六中所述的水平旋流洞兼水墊塘的泄洪洞示意圖，是 圖7的F-F剖面圖;圖7是本發明實施例六中所述的豎井及起旋室剖面示意圖，是圖6的G-G 剖面圖；圖8是本發明實施例六中所述的阻水墩示意圖，是圖6的H-H剖面圖。
具體實施方式
實施例一傳統的泄洪洞如圖1所示，由進水口 1、斜井2、反弧段3、明流出水洞(導 流洞利用段)4和出口挑流坎(或消力池)5組成。傳統的泄洪洞的泄洪過程可 以簡單的描述為在上游水庫洪水通過進水口進入泄洪洞時，由于無任何消能 設施，高水位差勢能所轉化的動能集中到洞底反弧段出口處，該處壓力較低流 速最高，泄流空化數最小，是空蝕敏感區，極易發生空蝕破壞。雖然從反弧段 上游可以設置通氣槽向反弧段摻氣以減免空蝕作用，但對于經常運行的泄洪洞 也難躲過這一難關，如二灘泄洪洞的破壞就證實了這一點。為克服現有泄洪洞的泄洪方法的缺點，本實施例提出了一種采用旋流及強
水氣摻混消能的泄洪方法，所使用的泄洪設施如圖2所示。修建在水電工程擋 水大壩9的岸邊地下(水庫水位與帶有閘門的進水口聯通，豎井和泄洪洞即導 流洞建在地下)，用來宣泄洪水流量，以確保大壩的安全。本實施例所述泄洪洞 能夠最大限度的消掉由于大壩上下游高水位差所產生的動能。利用建壩截流后 廢棄的施工導流洞IO作為本泄洪洞的主體。不管導流洞是直線的或是帶轉彎的 都可以利用，上游進水口通過豎井(而不是斜洞)同下部泄洪洞(即原導流洞 部分)連接。如圖1所示，原導流洞的入口 6廢棄，在擋水大壩的上游適當的 位置打豎井8與原導流洞連接，并在豎井入口設立入水口 7。為了防止空蝕和加 大消能力度，將豎井或部分泄洪洞建成旋流流動方式，并設置水墊塘和阻水墩 進行三次聯合消能，效能率達到90%。本實施例利用在水電工程擋水大壩建造時開鑿的導流洞進行改建，所使用 的設施包括進水口、引水道、旋流落差消能設施、水墊塘、阻水墩、出水洞、 出水口 11 (不需要^^建消能工)，其所述的步驟為 水流經過進水口、引水道進入泄洪洞的步驟； 水流經過旋流落差消能設施消除落差和旋流消能的步驟； 經旋流消能的水流進入水墊塘，在阻水墩的作用下進一步消能的步驟； 經三次消能的水流通過出水洞及其出水口進入下游河道的步驟。 實施例二本實施例提出一種旋流豎井(水流繞豎井軸旋轉)兼水墊塘消能泄洪方法， 是實施例一的改進。關于旋流豎井的渦室結構，意大利早在20世紀60年代就用到城市排水小 型工程上，由于其結構復雜、相對尺寸大，至今仍未應用到大、中型水電工程 上。中國水科院1995年設計的簡易旋流渦室結構首次應用到四川沙牌水電站泄 洪洞，打開了水電工程應用的大門。但沙牌型的泄洪洞在洞底板下還要開挖消 力井，施工較困難，洞內消能率僅達到70%,仍不能滿足高水頭泄洪消能的要 求。本實施例的結構消能機理水流繞渦室軸旋轉，從引水道頂部空間巻入大 量空氣，產生帶有空腔螺旋流，在豎井下部產生環狀水躍，經過泄洪洞收縮孔， 水流突然擴散進入水墊塘進行強力的水氣摻混和攪拌，到了阻水墩出口水流再 一次紊動擴散，消庫毛大量能量，洞內水流開始由滿流過渡到明流，下游洞內流 態平穩。消能率達90%,即對于100m水頭的泄洪洞洞內流速可控制在15m/s 以下；對于200m水頭的泄洪洞洞內流速可控制在20m/s以下，使流速降到施工 導流期洞內流速的指標，能有效的避免洞內發生空蝕破壞，同時減輕出口河床 沖刷和霧化現象。本實施例所使用的主要設施包括進水口 7、引水道12、渦室13和豎井8、 收縮孔口 15、混凝土塞14、水墊塘16、阻水墩17、出水洞10組成，其中收縮 孔口、水墊塘、阻水墩和出水洞是由原擋水大壩施工時開鑿的導流洞改建。其 平面布置見圖2和圖5,水流的流動過程如圖3所示。本實施例是對實施例一 中水流經過旋流落差消能設施消除落差和旋流消能 的過程改進，前后過程如實施例一所述。水流在旋流落差消能設施中的流動過 程是水流進入渴室。水流在渦室導流的作用下形成繞垂直軸線旋轉的螺旋流下落，水流旋轉時 從引水道水面上巻入大量空氣。由于旋流巻入空氣在豎井內形成帶有空腔的螺旋流下落，在豎井下部產生 環狀水躍消能。水流到達豎井底部，經收縮孔口流入水墊塘。豎井旋流和水墊塘的消能步驟，是消能的關鍵步驟。它一方面由于旋流增 加沿途摩阻損失外，更重要的是環狀水躍和水墊塘中水氣強力摻混剪切作用消 耗大量能，高速水流中的大部分能量在這一步驟中消耗掉，這是本實施例中的
最主要的消能設施，并且是解決高水流落差的主要設施。其中水墊塘與旋流落 差消能設施相配合起關鍵性消能作用，因為僅依靠旋流落差消能設施自身的消能率(50-60) %，尚不能滿足防止空蝕的要求，而增加水墊塘水氣紊動摻混消 能和阻水墩的蝸旋消能后，最大消能率可達到90%。水墊塘結構十分簡單，不 用開挖任何基礎，只是利用一段現有的隧洞(原導流洞)，設置阻水墩，由于阻 水墩的阻水作用將水墊塘充滿水體，增加消能效果；阻水墩也僅僅是在隧洞一 處的邊壁和底板上澆注鋼筋混凝土突型體，施工簡單。本實施例所述的消能結 構，取消了難以施工的消力井。在傳統的泄洪洞中解決水流高落差所產生的動 能作用是通過出口消能設施實現的，把高速水流的隱患留在泄洪洞內，結果不 僅洞內易出現空蝕問題，出口河床和邊坡也不安全。 實施例三本實施例所述的是利用一段水平旋流洞(水流繞平洞軸旋轉)連接水墊塘 消能的泄洪方法，是實施例一中水流在旋流落差實施中流動的又一改進。所使 用的設施主要有豎井8、通氣井18、起旋室19、旋流洞20、水墊塘16、出水洞 10組成。其中起旋室、旋流洞、水墊塘和泄洪洞都是建在導流洞內。其平面布 置示意圖仍見圖2，水的流動過程如圖6和圖7所示。泄洪消能的步驟是水流從進水口進入豎井，在起旋室和旋流洞內作旋轉 運動，形成帶有空腔的螺旋流，到水墊塘進口水流作三維旋轉擴散運動，進行 強力水氣摻混和攪拌，流到阻水墩時再一次紊動擴散產生局部漩渦，此時泄洪 洞開始從滿流轉變到接近緩流的明流流態，水面比較平穩。本實施例二同樣是 由于旋流洞、水墊塘和阻水墩的結合起關鍵性消能作用。水墊塘的作用是十分重要和關鍵的，無論是水平旋流消能過程還是豎直旋 流消能過程同水墊塘配合都起到了最佳消能效果。在早期研究沙牌(總水頭90m)旋流豎井泄洪洞未考慮到設水墊塘的好處， 而是在豎井下導流洞底板的下部開挖消力井和在下游洞頂設曲線壓板和通氣
孔，結果泄洪洞的消能率只達到70%,流速尚有23m/s,洞內流態波動較大， 泄洪洞出口處不得不設挑流坎消能設施，消能效果并不理想。本發明在豎井出 口處設置收縮孔口和水墊塘后，最終使泄洪洞最大消能率達到90%，消能效果 十分顯著。無須再在出口處設立任何消能設施，即安全又經濟。
在水平旋流洞的出口設置水墊塘更是最佳的組合，這是因為可以縮短旋流 洞長度，節省工程投資，同時水流保持較強的旋轉動量進入水墊塘內，增加了 旋轉擴散力，使水氣強力摻混攪拌，消耗大量能量。因為我國導流洞的截面形 狀大都是所謂城門洞型，或稱拱門型，即上部為圓拱形與下部的矩形連接在一 起形成類似城門洞的形狀。水平旋流洞的截面形狀必須是圓形，所以要將城門 洞型截面的導流洞改造為圓形。如果不使用水墊塘，僅僅使用水平旋流洞要達 到消能80%以上的效果，就必須使水平旋流洞的長度達到或超過IO倍于旋流洞 直徑的長度，即如果水平旋流洞的直徑是10米，則水平旋流洞的長度必須超過 100米以上。另夕卜，根據旋流壓力的要求，旋流洞的直徑要小于導流洞斷面尺寸， 因此將這樣長距離的城門洞型導流洞改建為圓形的旋流洞要澆灌大量混凝土 ， 十分不經濟。如果在水平旋流洞的出口處設立水墊塘，就可以大大縮短水平旋 流洞的長度。根據模型試驗結果推算，圓形截面洞的長度從豎井軸線算起，只 要等于旋流洞直徑的3倍就夠了，即如果水平旋流洞的直徑為10米，則水平旋 流洞的長度還不到30米，經濟效益十分可觀。由于旋流洞縮短，其末端能保持 很強的旋轉動量，使得水流一進入水墊塘就發生強烈的旋轉擴散運動，使水氣 充分摻混攪拌，極大地消耗能量。水墊塘末端的阻水墩，不僅起阻水作用使水 墊塘保持滿流，本身就是組合消力墩，消耗剩余能量。這種水平旋流洞與水墊 塘等阻合消能系統最終使泄洪洞內消能率達90%,洞內水面平穩，可使傳統泄 洪洞的40m/s流速降至15m/s,泄洪洞出口無需任何消能設施。從獲得最佳效果 和節約費用的方面看，這種短距離水平旋流洞與水墊塘結合型的消能方法不僅 適用于改造城門洞型導流洞，也適用于改造馬蹄形和圓形截面的導流洞，都可
以獲得滿意的效果。
本實施例的消能機理水流繞起旋室水平軸旋轉，從通氣井吸入大量空氣， 在水平旋流洞內產生帶有空腔的螺旋流，水流一進入水墊塘便強力旋轉擴散， 使水氣充分摻混攪拌，當水流到了阻水墩時又進行一次收縮擴散作用，消耗大 量能量，結果洞內消能率也達到90%，同樣可使洞內流速降到施工導流期洞內 流速的標準。
本實施例的水流在旋流落差消能設施中消能的過程是 水流進入豎井。
水流在豎井的底部進入起旋室，在起旋室的導流作用下水流繞水平軸旋轉 流動，從通氣井吸入大量空氣。
吸入大量空氣的旋轉水流進入旋流洞，形成水平空腔螺旋流向下游流動。
水流流出旋流洞，流入水墊塘。
實施例四
本實施例是一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪洞，如圖2所示。所述 采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪洞包括修建在水電工程擋水大壩上游岸邊 的泄洪洞進水口 7，與進水口相連的是帶有豎井8的可以使水流下落并產生旋轉 消能的旋流落差消能設施，與旋流落差消能設施連接的是與擋水大壩下游水位 接近的可以進一步效能的水墊塘，在水墊塘的出口處設有阻水墩，與水墊塘連 接的是由建壩施工中建造的導流洞改建的出水洞，出水洞與泄洪洞的出水口連 接。在泄洪洞的出水口無需修建任何消能設施。
實施例五
本實施例是實施例四圖2中之一，如圖3、圖4、圖5所示。本實施例的主 要改進是旋流落差消能設施。本實施例所述的旋流落差消能設施包括與泄洪洞 進水口連接的引水道12,與引水道連接的是可以使水流產生繞垂直軸旋轉的渦 室13,在渦室底部收縮端設置豎井8,豎井的底部開始轉彎處設有收縮孔口 15,
收縮孔口連"t妻水墊塘16。
本實施例利用原擋水大壩施工時開鑿的導流洞，在原導流洞上方適當的位 置開挖豎井，在豎井的上端建造渦室，設置進水口將水引入渦室。水流引入渦 室的引流道可以有，也可以沒有，水流可以直接進入渦室。渦室的形狀如同平
放的蝸牛殼，將水流從切線方向導入豎井，使水流旋轉，如圖5所示。原導流 洞入水一邊用混凝土塞14堵死，導流洞與豎井連接的部位設置收縮孔口，收縮 率￡= (d/D) 2=0.7 (d-收縮孔口直徑，D-豎井直徑)，在距豎井軸長4D處 澆注鋼筋混凝土阻水墩(阻水墩如圖3、 4和5中17所示)，在洞內構成一水墊 塘，泄洪時水墊塘充滿水體。收縮孔、水墊塘、阻水墩和泄洪洞都設在廢棄的 導流洞內。
實施例六
本實施例是實施例四圖2中之一，如圖6、圖7、圖8所示。本實施例與實 施例五消能設施不同。旋流落差消能設施包括與進水口 7連接豎井8，豎井底部 與可以使水流產生繞水平軸旋轉的起旋室19相連接，起旋室的盲端一側設有通 氣井18，起旋室的另一側連接水平旋流洞20,水平旋流洞與水墊塘16連接。
本實施例是在豎井下的水平旋流洞出口設水墊塘的新型消能結構。本實施 例同樣利用建造擋水大壩時開鑿的導流洞。是在原導流洞的適當位置開挖豎井， 在豎井的底部與原導流洞改建的旋流洞連接的部位設置起旋室。起旋室的形狀 如同豎立著的蝸牛殼，引導水流從切線方向進入旋流洞，使水流形成旋流，如 圖7所示。在豎井下部通過起旋室連接一段長等于3K的水平旋流洞(K-旋流 洞直徑)，在距旋流洞出口長4K處澆注阻水墩，如圖8所示，構成一水墊塘， 在起旋室的上游盲端設有通氣井。起旋室、旋流洞和水墊塘(含阻水墩)都設 在廢棄的導流洞內，旋流洞是圓形斷面，導流洞通常是城門洞形斷面，它的斷 面尺寸要大于旋流洞斷面，自然形成突擴現象。
權利要求
1.一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪方法包括進水口、引水道、旋流落差消能設施、水墊塘、阻水墩、出水洞、出水口，其特征在于所述的步驟水流經過進水口、引水道進入泄洪洞的步驟；水流經過旋流落差消能設施消除落差和旋流消能的步驟；經旋流消能的水流進入水墊塘，在阻水墩的作用下進一步消能的步驟；經三次消能的水流通過出水洞及其出水口進入下游河道的步驟。
2. 根據權利要求1所述的一種旋流及強水氣摻混泄洪方法，所述的旋流落 差消能設施包括渦室、豎井、縮孔口，其特征在于所述的水流經過旋流落差消 能設施消除落差和旋流消能的步驟中的子步驟水流進入渦室的子步驟；水流在渦室導流的作用下形成繞垂直軸線旋轉的螺旋流下落，水流旋轉時 從引水道水面上巻入大量空氣的子步驟；由于旋流巻入空氣在豎井內形成帶有空腔的螺旋流下落，在豎井下部產生 環狀水躍消能的子步驟；水流到達豎井底部，經收縮孔口流入水墊塘的子步驟。
3. 根據權利要求1所述的另一種旋流及強水氣摻混泄洪方法，所述的旋流 落差消能設施包括豎井、起旋室、通氣井、旋流洞，其特征在于所述的水流 經過旋流落差消能設施消除落差和旋流消能的步驟中的子步驟水流進入豎井的子步驟；水流在豎井的底部進入起旋室，在起旋室的導流作用下水流繞水平軸旋轉 流動，從通氣井吸入大量空氣的子步驟；吸入大量空氣的旋轉水流進入旋流洞，形成水平空腔螺旋流向下游流動的 子步驟；水流流出旋流洞，流入水墊塘的子步驟。
4. 一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪洞，包括修建在水電工程擋水大壩上游岸邊的泄洪洞進水口，其特征在于，與所述進水口相連的是帶有豎井 的可以使水流下落并產生旋轉消能的旋流落差消能設施，與所述旋流落差消能 設施連接的是與擋水大壩下游水位接近的可以進一步效能的水墊塘，在所述水 墊塘的出口處設有阻水墩，與所述水墊塘連接的是由建壩施工中建造的導流洞 改建的出水洞，所述出水洞與泄洪洞出水口連接。
5. 根據權利要求4所述的一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪洞，其特征在于所述的旋流落差消能設施包括與泄洪洞進水口連接的？I水道，與所述引 水道連接的是可以使水流產生繞垂直軸旋轉的渦室，在渦室底部收縮端設置豎 井，所述豎井的底部開始轉彎處設有收縮孔口，所述收縮孔口連接水墊塘。
6. 根據權利要求4所述的一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪洞，其特 征在于所述的旋流落差消能設施包括與進水口連接豎井，所述豎井底部與可以 使水流產生繞水平軸旋轉的起旋室相連接，所述起旋室的盲端一側設有通氣井， 所述起旋室的另 一側連接水平旋流洞，所述水平旋流洞與水墊塘連接。
全文摘要
本發明涉及一種采用旋流及強水氣摻混消能的泄洪方法和泄洪洞，是一種用于高水頭大型水電工程的泄洪洞。本發明包括修建在水電工程擋水大壩上游岸邊的泄洪洞進水口，與進水口相連的是帶有豎井的可以使水流下落并產生旋轉消能的旋流落差消能設施，與旋流落差消能設施連接的是與擋水大壩下游水位接近的可以進一步效能的水墊塘，在水墊塘的出口處設有阻水墩，與水墊塘連接的是出水洞和泄洪洞出水口。本發明使用旋流及水墊塘摻混水氣擴散消能的措施，旋流消去水流中的50～60％的能量，再通過水墊塘、阻水墩消能，洞內消能率達到90％，出口流速可以控制在施工導流時的標準，有效地防止了空蝕、沖刷和霧化現象，泄洪洞出口不必設置任何消能設施。
文檔編號E02B8/00GK101148867SQ20071016331
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者楊開林, 濤 王, 董興林 申請人:中國水利水電科學研究院