專利名稱：明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法
技術領域：
本發明涉及水利工程技術領域，特別涉及一種采用壓頂技術用于明流泄洪洞平面 彎道的壓頂方法。
背景技術：
利用導流隧洞改建成“龍抬頭”型式的明流泄洪洞，能節省工程投資，是目前水利 工程中采用較多的布置型式。其主要特點是第一工作閘門布置于明流泄洪洞的進水口，便 于集中管理；其次明流泄洪洞的水流流態明確；再就是工程量相對較小。由于明流泄洪洞 的進水口的設置高程較高，作用在進水口工作閘門上的水頭較小，從而降低了工作閘門制 作上的技術難度，而提高了工作閘門運行的安全度和靈活性。按《水工隧洞設計規范》(DL/T 5195-2004)要求高流速明流泄洪洞平面上應布 置為直線。原因是明流泄洪洞平面彎道的水流流態差，并影響下游平直段泄流。但受實際 布置的限制，通常利用導流隧洞改建的明流泄洪洞的前部存在平面彎道，因此有必要尋求 改善平面彎道水流流態的方法。目前解決此問題的途徑主要有兩種第一、明流泄洪洞平面 彎道前設計為有壓流，平面彎道后設計工作間門。該方法除了需要增加平面彎道前的工程 量外，還將增加工作閘門井的工程量。第二、利用導流隧洞改建明流泄洪洞時，目前大型工 程中常采用進水口后增設豎井旋流消能工，再接工作閘門，工作閘門下游平直段按明流泄 洪洞設計。該方法需要增加設置豎井旋流消能工的工程量，增加投資較大，特別對于中小型 水利水電工程來說很不經濟。能否找到一種其它更為簡便、經濟實用的方法，并能保證下游平直段水流平穩，實 現安全泄洪，這正是本發明的任務所在。
發明內容
本發明的目的正是為了克服上述現有技術中所存在的不足，本課題組結合實際工 程，通過水工模型試驗，提出一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法來完成所提出的發明任 務。該方法采用的壓頂技術解決了明流泄洪洞平面彎道水流流態差，并影響下游平直段泄 流的問題。本發明的目的是由以下措施構成的技術方案來實現的。本發明明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，包括以下工藝步驟(1)對明流泄洪洞平面彎道段采取壓頂技術降低頂高，當明流泄洪洞在最大泄流 量時平面彎道前有一水深、洞頂余幅；計算明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前的佛汝 德數Fr ；(2)定義明流泄洪洞平面彎道段的壓頂系數K等于壓頂余幅與洞頂余幅之比，根 據明流泄洪洞洞寬與平面彎道轉彎半徑之比，佛汝德數&及平面彎道轉角參數，確定壓頂 系數K的數值，再根據定義的壓頂系數，反算出壓頂余幅；(3)根據設計要求，所述明流泄洪洞壓頂余幅小于明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前的洞頂余幅；(4)為保證壓頂出口后平直段的水流流態平穩，設計明流泄洪洞壓頂段沿伸至平 直段的壓頂沿伸長度為2-4倍明流泄洪洞洞寬。上述技術方案中，所述明流泄洪洞的壓頂余幅小于洞頂余幅，且應滿足壓頂系數K < 1。本發明與現有技術相比具有以下優點及有益的技術效果1、本發明采用的壓頂技術，通過降低明流泄洪洞平面彎道的頂高，凹岸水體被控 制在壓頂以下，可避免水流直沖弧形洞頂、出現旋滾的不利流態，保證了明流泄洪洞下游平 直段水流流態滿足平穩的要求，從而實現安全泄洪。2、本發明采用的壓頂技術，不僅為解決明流泄洪洞平面彎道過流，提供了一種經 濟實用、設計合理的方法，而且為研究并掌握平面彎道水流提供幫助，進而為保證泄洪安全 提供依據。3、本發明采用的壓頂技術，施工簡便、工程量小，節省投資顯著，特別適合于中小 型水利水電工程，可以提高導流隧洞改建明流泄洪洞所帶來的顯著經濟效益。
圖1為實現本發明明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法的結構示意圖；其中，(A)為明 流泄洪洞平面彎道的平面示意圖；(B)為明流泄洪洞平面彎道前、平面彎道段、平直段各剖 面水面的示意圖。圖中B為明流泄洪洞洞寬，H_為最大泄流量時平面彎道起點水深，AH為洞頂余 幅，AHy為壓頂余幅，a為平面彎道壓頂起點，b為平面彎道終點，c為壓頂終點，L為壓頂 沿伸長度，1為平面彎道前，2為平面彎道段，其中R、6分別為平面彎道段的半徑、轉角，3 為平直段，4為壓頂段。
具體實施例方式下面結合附圖及工程實例給出實施例以對本發明作進一步詳細的說明，但所給出 的實施例不能理解為對本發明保護范圍的限制，因而本專業的技術人員根據上述本發明的 內容和設計思想所作出的非本質的改進和調整也應屬于本發明的保護范圍。圖1中，㈧圖順水流走向，所述明流泄洪洞的平面彎道前1，明流泄洪洞平面彎 道壓頂的起點a，明流泄洪洞平面彎道段2，明流泄洪洞的壓頂段4，平面彎道的終點b，壓頂 段的終點c，平面彎道后明流泄洪洞的平直段3 ； (B)圖順水流走向，所述1-1剖面為平面彎 道前水面示意，2-2剖面為壓頂起點水面示意，3-3、4-4和5-5剖面分別為平面彎道段水面 示意，6-6剖面為壓頂沿長段水面示意，7-7剖面為壓頂終點水面示意，8-8剖面為壓頂出口 后、平直段3水面示意。實施例本發明的明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法用于太極水庫工程中，實際所用技術參 數如下1、所述明流泄洪洞洞寬B = 5. 00m,平面彎道轉彎半徑R = 50. 00m,平面彎道轉角 e = 51. 16°，最大泄流量時平面彎道前1水深為Hmax = 3. 00m,洞頂余幅A H = 2. 50m,如圖1(B)圖中1-1所示；2、所述明流泄洪洞的最大泄流量Q_為410. 00m3/S，計算平面彎道前1的斷面 平均流速V = Q_/(H_B) = 410/(3X5) = 27.33m/s，根據所述佛汝德數&的定義，即
Fr = ^v2/(gHmJ = V27.332/(9.81x3.00) = 5.04，明流？世洪洞洞寬B與平ffi彎道轉彎半徑R之
比 B/R = 5. 00/50. 00 = 0. 10 ；3、所述明流泄洪洞洞寬B與平面彎道轉彎半徑R之比0. 10、佛汝德數5. 04及平 面彎道轉角51. 16°，經實驗研究確定相應的壓頂系數K = 0. 40 0. 50，綜合分析取K = 0.44，根據定義的壓頂系數K =八辦/八扎反算出壓頂余幅八辦=1(* AH = 0.44X2. 50 =1. 10m，即壓頂的高度為:Hmax+AHy = 3.00+1. 10 = 4. 10m，如圖 1(B)圖中 2-2 所示；4、所述明流泄洪洞平面彎道水體受離心力的影響，水體逐漸被逼向凹岸，表現為 凹岸水深大于凸岸，隨著凹岸、凸岸水位差的增大，凹岸水體至壓頂，凸岸水深則進一步減 小，受壓頂制約，凹岸水體被控制在壓頂4. 10m以下，如圖1 (B)圖中3-3、4-4和5_5所示；5、水體流出平面彎道段2、進入平直段3后，離心力的作用消失，兩岸水深差減小， 為保證壓頂出口后平直段3的水流流態平穩，壓頂沿伸至平直段3的距離L = 2B = 10. 00m, 在壓頂沿伸長度內，凹岸水體受壓頂制約的程度逐漸減弱，如圖1(B)圖中6-6所示；6、水體流出壓頂段4后，壓頂制約消失，凹岸水深保持在壓頂4. 10m以下，如圖 1(B)圖中7-7所示。7、水體從壓頂段4流出后，凹岸水深高于凸岸，如圖1 (B)圖中7-7所示，該水深差 異在平直段3摩擦損失的作用下，會自動調整、很快平順，從而保證下游平直段3水流平穩， 如圖1(B)圖中8-8所示。如果在實際工程中不采用本發明的壓頂技術，即平面彎道段2剖面保持與其上、 下游相同的剖面，如圖1(B)圖中1-1和7-7剖面，水體受平面彎道離心力的作用，凹岸水體 將爬高、沖至弧形洞頂，將導致平面彎道段2出現旋滾流現象，平直段3將表現為水面波動 劇烈的不利流態。本發明實施例所述工程中明流泄洪洞平面彎道采用壓頂技術后，正是由于對壓頂 段4的控制，使凹岸水體被控制在壓頂以下，避免了水流直沖弧形洞頂、出現旋滾的不利流 態，從而使得平直段3內水流流態平穩，達到安全泄洪的目的。
權利要求
一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，其特征在于包括以下工藝步驟(1)對明流泄洪洞平面彎道段(2)采取壓頂技術降低頂高，當明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前(1)水深為(Hmax)，洞頂余幅為(ΔH)，計算明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前(1)的佛汝德數(Fr)；(2)定義明流泄洪洞平面彎道段(2)的壓頂系數K＝ΔHy/ΔH，其中(ΔHy)為壓頂余幅，(ΔH)為洞頂余幅，根據明流泄洪洞洞寬(B)與平面彎道轉彎半徑(R)之比(B/R)，佛汝德數(Fr)及平面彎道轉角(θ)參數，確定壓頂系數(K)的數值，再根據定義的壓頂系數，反算出壓頂余幅ΔHy＝K·ΔH；(3)根據設計要求，所述明流泄洪洞壓頂余幅(ΔHy)小于明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前(1)的洞頂余幅(ΔH)，即ΔHy＜ΔH；(4)設計明流泄洪洞壓頂段(4)沿伸至平直段(3)的壓頂沿伸長度(L)為2-4倍明流泄洪洞洞寬(B)，即L＝(2-4)B。
2.根據權利要求1所述的明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，其特征在于所述的壓頂余 幅(AHy)小于洞頂余幅(AH)，應滿足壓頂系數1( < 1。
全文摘要
本發明涉及一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，屬于水利工程技術領域。該方法對明流泄洪洞平面彎道段采取壓頂技術降低頂高。先計算明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前的佛汝德數；再根據明流泄洪洞洞寬與平面彎道轉彎半徑之比、佛汝德數及平面彎道轉角參數，確定壓頂系數；最后根據定義的壓頂系數，反算出壓頂余幅。要求壓頂余幅小于明流泄洪洞在最大泄流量時平面彎道前的洞頂余幅。為保證壓頂出口后平直段水流流態平穩，設計壓頂段沿伸至平直段的沿伸長度為2-4倍明流泄洪洞洞寬。明流泄洪洞平面彎道壓頂后，受壓頂制約凹岸水體被控制在壓頂以下，可避免水流直沖弧形洞頂出現旋滾的不利流態，從而保證下游平直段水流平穩，實現安全泄洪。
文檔編號E02B8/06GK101871204SQ20101021025
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月28日 優先權日2010年6月28日
發明者伍超, 王波, 陳云良 申請人:四川大學