一種變頂高尾水隧洞的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種變頂高尾水隧洞，包括頂部高度不斷增加的尾水隧洞主體，尾水隧洞主體頂部沿程設有至少一條與外界連通的通氣孔。本發明從根本上解決了洞內明、滿水流交替變化帶來的壓力變化問題，消除了水流對尾水隧洞襯砌的交變壓力，從而有效保證了變頂高尾水隧洞的結構安全。
【專利說明】一種變頂高尾水隧洞
【技術領域】
[0001]本發明屬于水利水電工程領域，具體涉及一種變頂高尾水隧洞。
【背景技術】
[0002]通常情況下，若地下水電站工程的尾水隧洞較長，并且調節保證計算中尾水管的真空度不滿足規范要求的情況下，需設置尾水調壓室。采用變頂高尾水隧洞取代傳統的尾水調壓室，是近幾年才發展起來的一項水電工程新技術。變頂高尾水洞是一種新型的尾水流道體形，其特點是利用洞頂斜面使下游水位與洞頂在任意處銜接，將尾水流道分成有壓滿流段和無壓明流段。其工作原理就是利用下游水位的變化，即水輪機的淹沒水深來確定尾水洞有壓滿流段的極限長度，使之始終滿足過渡過程中尾水管進口斷面真空度的要求，從而達到取代尾水調壓室的作用。
[0003]目前，國內已有三座大型水電站采用了這項技術。由于不需建造規模龐大的尾水調壓室，可以節省工程量、避免大型地下隧洞的開挖、減小施工風險，在我國西部水電開發的過程中，變頂高尾水隧洞這項水電站新技術擁有很大的使用空間。
[0004]然而，在研宄和使用這項新技術的過程中，當電站去掉全負荷時(即關機工況，或者水電站過渡過程中的大波動工況等)，變頂高尾水隧洞內的水流變化復雜，特別是下游水位接近洞口頂部時，尾水隧洞必將產生水流的明流、滿流交替變化，水流夾帶壓縮空氣往復運動，相應的氣流壓力變換也很明顯，回水波在拍擊尾水隧洞起始端洞頂時發出相當大的轟鳴聲。變頂高尾水隧洞內這種復雜的明、滿流交替變化帶來了壓力變化，特別是在洞頂產生快速而頻繁的正、負壓力轉換，對于變頂高尾水隧洞的安全運行是有害的。然而由于變頂高尾水隧洞的工作特性，這種水流變化導致的壓力變化無法避免。
[0005]現有技術的變頂高尾水隧洞的設計方案對此沒有采取專門的處理措施，而是將洞內水位波動產生的水壓力以及氣流壓力看作荷載作用在尾水隧洞襯砌上，通過加強襯砌結構強度予以承擔。上述處理方式存在以下不足:
1)沒有從根本上改善或解決變頂高尾水隧洞內明、滿水流交替變化帶來的壓力變化問題；
2)雖然通過加強變頂高尾水隧洞的襯砌結構可以承擔壓力變化帶來的附加荷載，但由于水電站設計工作壽命長達50年以上，開、關機是電站常規而頻繁的操作，長期而頻繁的荷載變化對襯砌結構壽命的影響很大。
【發明內容】
[0006]針對上述技術問題，本發明旨在提供一種能從根本上解決洞內明、滿水流交替變化帶來的壓力變化問題的變頂高尾水隧洞。
[0007]本發明解決問題的技術方案是:一種變頂高尾水隧洞，包括頂部高度不斷增加的尾水隧洞主體，尾水隧洞主體頂部沿程設有至少一條與外界連通的通氣孔。
[0008]作為上述技術方案的進一步改進，通氣孔頂端設有至少一條與外界連通的通氣洞，所述通氣孔通過通氣洞與外界連通，所述通氣洞設置于尾水隧洞主體頂部上方高于設計尾水位高程的位置，且該通氣洞與尾水隧洞主體同向。通氣洞的設計使得在山體中引出了一條可以與外界相通的通道，將通氣孔中的氣體經過通氣洞排出，而不必將每條通氣孔均開挖至與外界連通，減小了工程量和施工難度。
[0009]上述技術方案中，所述通氣洞斷面為城門洞型，便于開挖。
[0010]上述技術方案中，為使得通氣孔內平滑，便于氣體進出，所述通氣孔內壁嵌套有鋼管。
[0011]上述技術方案中，為保證通氣效果，當隧洞長度小于300m時，靠近尾水隧洞主體的起始端設置有第一條通氣孔，與第一條通氣孔間隔20m設置有第二個通氣孔，其余沿程間隔30m?40m依次設置有一排通氣孔直至尾水隧洞主體出口 ；當隧洞長度大于300m時，靠近尾水隧洞主體的起始端設置有第一條通氣孔，與第一條通氣孔每間隔1m依次布置第二個和第三個通氣孔，其余沿程間距30m?40m依次設置有一排通氣孔直至尾水隧洞主體出口。
[0012]該變頂高尾水隧洞在使用時，當變頂高尾水隧洞在下游水位波動或明、滿流交替時，回水波所夾帶的壓縮空氣能夠通過通氣孔迅速排走；當回水波遇到尾水隧洞起始端退水時，會產生一定的負壓，此時，通氣孔中的空氣回流，及時補氣消除洞頂負壓。
[0013]本發明的有益效果是:
1.通氣孔的設計能夠將回水波所夾帶的壓縮氣體通過通氣孔沿程排除，大大減小了由于壓縮空氣突然釋放而對洞頂產生的沖擊力度；并且通氣孔又能對回水波退水時產生的負壓及時補氣，從根本上解決了變頂高尾水隧洞內明、滿水流交替變化帶來的壓力變化，消除了水流對尾水隧洞襯砌的交變壓力，從而有效保證了變頂高尾水隧洞的結構安全。
[0014]2.設計了通氣洞結構，在山體中引出了一條可以與外界相通的通道，將通氣孔中的氣體經過通氣洞排出，而不必將每條通氣孔均開挖至與外界連通，使得工程量和施工難度均大大減小；并且通氣洞的設置還使得地下水更容易排出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明實施例1的變頂高尾水隧洞布置方案縱剖面圖。
[0016]圖2是本發明實施例2的變頂高尾水隧洞布置方案縱剖面圖。
[0017]圖中，1-尾水隧洞主體，2-通氣洞，3-通氣孔，4-起始端，5-出口。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
如圖1所示，一種變頂高尾水隧洞，包括頂部高度不斷增加的尾水隧洞主體1，尾水隧洞主體I頂部上方高于設計尾水位高程的位置設有一條通氣洞2，該通氣洞2與外界連通，且與尾水隧洞主體I方向相同；在尾水隧洞I與通氣洞2之間設有將二者連通的多條通氣孔3。
[0019]所述通氣洞2斷面為城門洞型，其尺寸需滿足施工開挖的最小斷面要求。
[0020]在靠近尾水隧洞主體I的起始端4首先布置第一條通氣孔3，若隧洞長度小于300m，緊接著第一條通氣孔間隔20m布置第二個通氣孔，其余沿程間距30m?40m布置一排通氣孔直至尾水隧洞主體出口 5 ;若隧洞長度大于300m，緊接著第一條通氣孔每間隔1m依次布置第二個和第三個通氣孔，其余沿程間距30m?40m布置一排通氣孔直至尾水隧洞主體出口 5。
[0021]所述通氣孔3內壁嵌套有鋼管，以保證通氣孔運行可靠。
[0022]經過帶機組的水力模型試驗研宄，本發明的變頂高尾水隧洞在中、高水位關機過程中，回水波所夾帶的壓縮空氣能夠通過通氣孔3被沿程排除，大大減小了由于壓縮空氣突然釋放而對洞頂產生的沖擊力度，與現有技術情況相比，水流的振蕩幅度削減約1.2m，振蕩次數也削減多次；產生負壓時，變頂高尾水隧洞滿流段的洞頂在通氣孔3部位迅速出現若干個孤立的氣囊或氣泡，但氣囊、氣泡隨水流運動均排向下游，不存在滯氣現象，有效削減了尾水隧洞洞頂的負壓，消除了隧洞頂部正負壓力的不斷轉換。
[0023]根據實際監測結果顯示:在機組關閉工況中，變頂高尾水隧洞頂拱各測點壓力從起始端4至出口 5的壓力分布呈逐漸減小的趨勢，靠近尾水位高程的通氣孔3風速較大；靠近出口 5位置的水流為明流狀態，通氣孔3風速基本為零。說明通氣孔及通氣洞結構的設置，對改善變頂高尾水隧洞過渡過程、增加隧洞運行的安全度是十分有效的。
[0024]實施例2
如圖2所示:一種變頂高尾水隧洞，包括頂部高度不斷增加的尾水隧洞主體1，從靠近尾水隧洞主體I的起始端4開始，在尾水隧洞主體I頂部沿程每隔30m?40m依次設置一排直接與外界連通的通氣孔3，直至尾水隧洞主體出口 5。
【權利要求】
1.一種變頂高尾水隧洞，包括頂部高度不斷增加的尾水隧洞主體，其特征在于:尾水隧洞主體頂部沿程設有至少一條與外界連通的通氣孔。
2.根據權利要求1所述的變頂高尾水隧洞，其特征在于:通氣孔頂端設有至少一條與外界連通的通氣洞，所述通氣孔通過通氣洞與外界連通，所述通氣洞設置于尾水隧洞主體頂部上方高于設計尾水位高程的位置，且該通氣洞與尾水隧洞主體同向。
3.根據權利要求2所述的變頂高尾水隧洞，其特征在于:所述通氣洞斷面為城門洞型。
4.根據權利要求1或2所述的變頂高尾水隧洞，其特征在于:當隧洞長度小于300m時，靠近尾水隧洞主體的起始端設置有第一條通氣孔，與第一條通氣孔間隔20m設置有第二個通氣孔，其余沿程間隔30m?40m依次設置有一排通氣孔直至尾水隧洞主體出口。
5.根據權利要求1或2所述的變頂高尾水隧洞，其特征在于:當隧洞長度大于300m時，靠近尾水隧洞主體的起始端設置有第一條通氣孔，與第一條通氣孔每間隔1m依次布置第二個和第三個通氣孔，其余沿程間距30m?40m依次設置有一排通氣孔直至尾水隧洞主體出口。
6.根據權利要求1或2所述的變頂高尾水隧洞，其特征在于:所述通氣孔內壁嵌套有鋼管。
【文檔編號】E02B9/06GK104499466SQ201410831485
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月29日 優先權日:2014年12月29日
【發明者】辜曉原, 覃玉蘭 申請人:中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司