淹没型漩流竖井泄洪洞.pdf

一种淹没型漩流竖井泄洪洞，包括泄洪洞和在泄洪洞封闭端设置的与泄洪洞相通的双涡室掺气型漩流竖井，泄洪洞内设置有挡坎和中部压坡，泄洪洞顶部开设有排气孔，所述双涡室掺气型漩流竖井位于泄洪洞的顶部，其中心线垂直于泄洪洞的中心线，所述挡坎设置在泄洪洞的底板上，挡坎起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L2＝5H7～10H7，所述排气孔位于挡坎和中部压坡之间，排气孔中心线与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L3＝7H7～15H7，所述中部压坡设置在泄洪洞的顶部，中部压坡起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L4＝8H7～15H7，各式中的H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度。

1.  一种淹没型漩流竖井泄洪洞，包括“城门洞”形泄洪洞和在泄洪洞封闭端设置的与泄洪洞相通的双涡室掺气型漩流竖井，所述双涡室掺气型漩流竖井位于泄洪洞的顶部，其中心线垂直于泄洪洞的中心线，其特征在于泄洪洞内设置有挡坎(8)和中部压坡(10)，泄洪洞顶部开设有排气孔(9)，所述挡坎(8)设置在泄洪洞的底板上，挡坎起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L2＝5H7～10H7，所述排气孔(9)位于挡坎(8)和中部压坡(10)之间，排气孔中心线与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L3＝7H7～15H7，所述中部压坡(10)设置在泄洪洞的顶部，中部压坡起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L4＝8H7～15H7，所述H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度。

2.  根据权利要求1所述的淹没型漩流竖井泄洪洞，其特征在于挡坎(8)的长度L7＝3m～7m，挡坎(8)的高度H9＝0.1H7～0.3H7，所述H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度。

3.  根据权利要求1或2所述的淹没型漩流竖井泄洪洞，其特征在于排气孔(9)的横截面面积A＝Q/V，式中，Q为所排气体的流量，V为所排气体的流速，V＜60m/s。

4.  根据权利要求1或2所述的淹没型漩流竖井泄洪洞，其特征在于中部压坡(10)的长度L8＝0.1H7～0.7H7，中部压坡(10)的高度H10＝0.9H8～1.1H8，所述H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度，所述H8为“城门洞”形泄洪洞的顶拱高度。

5.  根据权利要求3所述的淹没型漩流竖井泄洪洞，其特征在于中部压坡(10)的长度L8＝0.1H7～0.7H7，中部压坡(10)的高度H10＝0.9H8～1.1H8，所述H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度，所述H8为“城门洞”形泄洪洞的顶拱高度。

淹没型漩流竖井泄洪洞
技术领域
本发明属于水利水电工程的泄洪洞领域，特别涉及一种高水头、大流量、从无压流到有压流条件下使用的淹没型旋流竖井泄洪洞。
背景技术
将高水头、大流量的明渠中的无压流通过竖井引入淹没型泄洪洞，实质是水流从无压内流泄水设施(竖井)过渡到有压内流设施(泄洪洞)，因而水流流态转变不稳定，泄洪洞内容易发生水跃等不利水力学现象，影响泄洪洞的安全运行。现有技术通过对竖井的结构改进(例如，将竖井设计为双涡室掺气型漩流竖井)、在竖井出口设置压坡虽然能稳定水流流态，改善泄洪洞的空化空蚀破坏，但仍然难以解决由于泄洪洞出口淹没所形成的洞内水跃对泄洪洞带来的安全威胁。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的淹没型漩流竖井泄洪洞，以改善水流从无压内流泄水设施(竖井)过渡到有压内流设施(泄洪洞)的流态，避免泄洪洞内出现水跃，提高泄洪洞运行的安全性。
本发明的技术方案：突破传统漩流消能的水力设计理念，在泄洪洞底部设置挡坎，在泄洪洞顶部设置排气孔和中部压坡。上述三种结构的结合，可改善水流从无压内流泄水设施(竖井)过渡到有压内流设施(泄洪洞)的流态并形成良好的排气条件。
本发明所述淹没型漩流竖井泄洪洞，包括“城门洞”形泄洪洞和在泄洪洞封闭端设置的与泄洪洞相通的双涡室掺气型漩流竖井，泄洪洞内设置有挡坎和中部压坡、泄洪洞顶部开设有排气孔；所述双涡室掺气型漩流竖井位于泄洪洞的顶部，其中心线垂直于泄洪洞的中心线，所述挡坎设置在泄洪洞的底板上，其宽度与泄洪洞的底板的宽度相同，其起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L2＝5H7～10H7，所述排气孔位于挡坎和中部压坡之间，排气孔中心线与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L3＝7H7～15H7，所述中部压坡设置在泄洪洞的顶部，中部压坡起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L4＝8H7～15H7，上述各式中，H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度。
上述淹没型漩流竖井泄洪洞，其挡坎的长度L7＝3m～7m，挡坎的高度H9＝0.1H7～0.3H7，所述H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度。
上述淹没型漩流竖井泄洪洞，其排气孔的横截面面积＝Q/V，式中，Q为所排气体的流量(一般取泄洪洞泄量的20％～40％)，V为所排气体的流速，V＜60m/s(见水工隧洞设计规范DL/T 5195-2004)。
上述淹没型漩流竖井泄洪洞，其压坡的长度L8＝0.1H7～0.7H7，压坡的高度H10＝0.9H8～1.1H8，所述H7为“城门洞”形泄洪洞的直墙高度，所述H8为“城门洞”形泄洪洞的顶拱高度。
上述淹没型漩流竖井泄洪洞，其双涡室掺气型漩流竖井的结构包括上涡室、上涡室收缩段、下涡室、下涡室收缩段、通气管和涡井段，上涡室收缩段接下涡室，下涡室收缩段接涡井段，通气管的一端与大气相通，通气管的另一端接下涡室顶部，使空气从下涡室顶部进入竖井。
通过实验，本发明所述双涡室掺气型漩流竖井优选以下结构参数：
1、上涡室直径D1根据进入竖井的水流流量确定，下涡室直径D2≥上涡室直径D1。
2、上涡室的长度H2＝2.0D1～4.0D1，上涡室收缩段的长度H3与上涡室的长度H2之比为1∶5～1∶1，上涡室收缩段的坡度i3为1∶3～1∶10，所述D1为上涡室的直径。
3、下涡室的长度H4＝0.4D2～1.0D2，下涡室收缩段的长度H5与下涡室的长度H4之比为2∶1～4∶1，下涡室收缩段的坡度i4为1∶10～1∶15，所述D2为下涡室的直径。
4、引渠进水段I坡度i 1＝1∶10～1∶30，引渠进水段II坡度i2＝1∶5～1∶15，使水流平稳进入漩流竖井，避免产生水跃。
为了提高泄洪洞内的压力，改善洞内空化特性，避免空蚀现象的产生，同时，避免水体中的气泡聚集形成气囊，因此，泄洪洞出口设置有出口压坡。
本发明具有以下有益效果：
原有技术——双涡室掺气型漩流竖井，只适用于泄洪洞出口为自由出流的情况。本发明解决了泄洪洞出口为淹没出口的旋流竖井面临的技术难题。通过在泄洪洞内设置挡坎和中部压坡、在泄洪洞顶部开设排气孔等技术措施，当水流从双涡室掺气型漩流竖井进入泄洪洞后，在挡坎和中部压坡的共同作用下，既增强了水流掺混和消能作用，又促使气泡迅速上浮并经排气孔排出，这样既能消除竖井壁面的空化空蚀破坏，又能避免水跃等不利水力学现象的产生，从而实现水流平稳、安全衔接，以保证泄洪洞的安全运行。
附图说明
图1是本发明所述淹没型漩流竖井泄洪洞的一种结构简图；
图2是图1的俯视图(布置平面图)；
图3是图1的I-I剖面放大图；
图4是图1的II-II剖面放大图；
图5是图1的III-III剖面放大图；
图6是图1的IV-IV剖视放大图；
图7是图1的V-V剖面放大图；
图8是图1的VI-VI剖面放大图；
图9是图1的VII-VII剖面放大图；
图10是图1的VIII-VIII剖面放大图。
图中，1-引渠，2-上涡室，3-通气管，4-上涡室收缩段，5-下涡室，6-下涡室收缩段，7-涡井段，8-挡坎，9-排气孔，10-中部压坡，11-出口压坡；H1-上涡室水头，H2-上涡室长度，H3-上涡室收缩段长度，H4-下涡室长度，H5-下涡室收缩段长度，H6-涡井段长度，H7-泄洪洞直墙高度，H8-泄洪洞顶拱高度，H9-挡坎直角梯形高度，H10-泄洪洞中部压坡高度，H11-泄洪洞出口压坡高度，L1-竖井中心线与泄洪洞封闭端之间的距离，L2-挡坎起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离，L3-排气孔中心线与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离，L4-中部压坡起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离，L5-泄洪洞出口与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离，L6-挡坎直角梯形上底长度，L7-挡坎直角梯形下底长度，L8-泄洪洞中部压坡长度，L9-泄洪洞出口压坡长度，B1-泄洪洞底板宽度，D1-上涡室直径，D2-下涡室直径，D3-涡井段直径，D4-排气孔直径，i1-引渠进水段I坡度，i2-引渠进水段II坡度，i3-上涡室收缩段坡度，i4-下涡室收缩段坡度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述淹没型漩流竖井泄洪洞的结构作进一步说明。
实施例1
某水利枢纽挡水建筑物采用混凝土重力坝，最大坝高204m，其泄洪洞泄量为1258m³/s，具有窄河谷、高水头、大流量、高流速等特点。
本实施例中，所述淹没型漩流竖井泄洪洞的结构如图1、图2所示，包括泄洪洞和在泄洪洞封闭端设置的与泄洪洞相通的双涡室掺气型漩流竖井，所述双涡室掺气型漩流竖井位于泄洪洞的顶部，其中心线垂直于泄洪洞的中心线，所述泄洪洞“城门洞”形，泄洪洞内设置有挡坎8和中部压坡10，泄洪洞顶部开设有排气孔9，泄洪洞出口设置有出口压坡11。
双涡室掺气型漩流竖井的结构如图1所示，包括上涡室2及上涡室收缩段4、通气管3、下涡室5及下涡室收缩段6和涡井段7，上涡室收缩段4接下涡室5，下涡室收缩段6接涡井段7，通气管3为两根，对称安装在上涡室及上涡室收缩段外壁，它们的一端与大气相通，它们的另一端接下涡室顶部。上涡室2与引渠1相接，其相接位置是使引渠中的水流从上涡室切向进入竖井，进入竖井的水流流量为10～20m³/s。
挡坎8的形状构造如图1、图7所示，其宽度与泄洪洞底板的宽度相同，其纵截面为直角梯形，所述直角梯形直角端朝向双涡室掺气型漩流竖井。中部压坡10的形状构造如图1、图9所示，其纵截面为1/4椭圆形，出口压坡11的形状构造如图1、图10所示，其纵截面为1/4椭圆形。
有关尺寸如下：引渠进水段I坡度i1＝1∶16，引渠进水段II坡度i2＝1∶8.5，双涡室掺气型漩流竖井中心线与泄洪洞封闭端之间的距离L1＝51.47m。双涡室掺气型漩流竖井中，上涡室水头H1＝34.5m，上涡室直径D1＝18m，上涡室长度H2＝50m，上涡室收缩段长度H3＝10m，上涡室收缩段坡度i3＝1∶6.67，下涡室直径D2＝22m，下涡室长度H4＝10m，下涡室收缩段长度H5＝35m，下涡室收缩段坡度i4＝1∶10，涡井段直径D3＝15m，涡井段长度H6＝32m。泄洪洞底板宽度B1＝16m、直墙段高度H7＝16m、拱顶高H8＝4m，拱顶的半径R＝10m，拱顶中心角127°。挡坎直角梯形上底长度L6＝3m，挡坎直角梯形下底长度L7＝6m，挡坎直角梯形高度H9＝3.5m，挡坎宽度B1＝16m，挡坎起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L2＝131m。排气孔直径D4＝4m(V＝Q/A＝1258×0.3/3.14×4＝30.05m/s，符合水工隧洞设计规范DL/T 5195-2004)，排气孔中心线与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L3＝178m。中部压坡10的长度L8＝10m，高度H10＝4m，中部压坡起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L4＝190m。出口压坡11的长度L9＝16m，高度H11＝8m，泄洪洞出口与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L5＝458.5m，出口高程为1469m。
实施例2
某水利枢纽挡水建筑物采用混凝土重力坝，最大坝高181m，其泄洪洞泄量为470m³/s，具有窄河谷、高水头、大流量、高流速等特点。
本实施例中，所述淹没型漩流竖井泄洪洞的结构与实施例1相同，如图1、图2所示，与实施例1不同之处是各部分的尺寸，有关尺寸如下：
引渠进水段I坡度i1＝1∶22，引渠进水段II坡度i2＝1∶12，双涡室掺气型漩流竖井中心线与泄洪洞封闭端之间的距离L1＝55m。双涡室掺气型漩流竖井中，上涡室水头H1＝30m，上涡室直径D1＝10m，上涡室长度H2＝40m，上涡室收缩段长度H3＝15m，上涡室收缩段坡度i3＝1∶10，下涡室直径D2＝11m，下涡室长度H4＝8m，下涡室收缩段长度H5＝28m，下涡室收缩段坡度i4＝1∶14，涡井段直径D3＝7m，涡井段长度H6＝50m。泄洪洞底板宽度B1＝13m，直墙段高度H7＝15m，拱顶高H8＝3.5m，拱顶的半径R＝7.8m，拱顶中心角113.2°。挡坎直角梯形上底长度L6＝2.5m，挡坎直角梯形下底长度L7＝5m，挡坎直角梯形高度H9＝2.5m，挡坎宽度B1＝13m，挡坎起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L2＝95m。排气孔直径D4＝1.5m(V＝Q/A＝470×0.2/3.14×0.56＝53.5m/s，符合水工隧洞设计规范DL/T 5195-2004)，排气孔中心线与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L3＝140m。中部压坡10的长度L8＝7m，高度H10＝3.2m，中部压坡起始端与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L4＝156m。出口压坡11的长度L9＝13m，高度H11＝5m，泄洪洞出口与双涡室掺气型漩流竖井中心线之间的距离L5＝671.6m，出口高程为1693m。