一种竖井旋流泄洪洞

技术领域

本发明属于水利水电工程的泄洪消能技术领域，具体涉及一种竖井旋流泄洪洞。

背景技术

现有水利水电工程中，大多地质条件复杂，泄洪消能建筑物布置比较困难，特别是对一些当地材料坝的枢纽而言，导流洞工程量比较大，如何有效利用导流洞后期改建为泄洪洞是工程设计中一个技术难点。现有的竖井旋流泄洪洞虽然能够实现这一作用，但随着水头与流量的增加，竖井旋流泄洪洞水流流态复杂，出现涡室通气不畅、涡室水流上升高度较大、下游消能不充分等问题。

发明内容

为了克服现有竖井旋流泄洪洞水流流态复杂，出现涡室通气不畅、涡室水流上升高度较大、下游消能不充分的问题，本发明提供一种竖井旋流泄洪洞，本发明能够实现竖井旋流泄洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量竖井旋流泄洪洞安全运行。

本发明采用的技术方案为：

一种竖井旋流泄洪洞，包括依次连接的进口闸室段、上平洞段、涡室连接段、涡室、竖井和下平洞段，所述的涡室的底端通过渐变段与竖井连接，竖井的底端设置有消力井，竖井的侧壁下部通过衔接段与下平洞段连接；所述的涡室连接段的底板上设置有分流墩，所述的涡室的内侧设置有导流坎。

所述的渐变段上大下小，其宽高比为1:n1,n1取5～15。

所述导流坎由挡水面、背水面和连接面围成；所述的挡水面是一竖直设置的平面，背水面是一竖直设置的弧面，弧面半径R为涡室内径0.1～0.5倍，弧面对应的角θ60-90°，连接面与涡室内侧壁贴合。

所述得涡室的顶部为拱顶。

所述涡室连接段由涡室连接段底板、涡室连接段顶板和涡室连接段侧板组成的空心的框体；所述的涡室连接段底板由抛物线段底板与陡坡段底板连接组成，抛物线段底板与上平洞段的底坡连接，陡坡段底板与涡室连接；抛物线段底板的形状符合抛物线方程Y＝kX+cX

所述的衔接段包括依次连接的圆弧段和压坡段，所述的圆弧段上端与竖井连接，所述的压坡段末端与下平洞段连接；所述的圆弧段的底面为平面，圆弧段的顶面首端由竖井的半圆形侧壁渐变过渡到外侧为圆拱、内侧为直墙的体型，随后再以该体型按圆弧转弯形式过渡至压坡段起点，压坡段的坡顶采用顶部圆变方的形式过渡至直线压坡顶，压坡段采用1：n2的顶压坡布置形式，n2取5～10。

所述的上平洞段1底坡坡比为1～5％，下平洞段9底坡坡比为1～5‰。

所述涡室的顶面上设置有排气管。

本发明的有益效果是：

本发明一种竖井旋流泄洪洞，上平洞水流经抛物线过渡进入陡坡段，涡室内壁末端设置的竖向导流坎作用，则是加速水流旋转、减弱水跃的壅水现象。水流经过导流坎作用，涡室内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室内旋转水流的水面高差也被减小；水流在下部渐变段又形成内外不同旋转流层，涡室连接段的过渡消能作用得到提高，既避免了泄洪洞内由于水流冲撞而引起的通气不畅现象发生，又可降低涡室高度，简化涡室结构。本发明竖井旋流泄洪洞，能够实现竖井旋流泄洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量竖井旋流泄洪洞安全运行。

以下将结合附图进行进一步的说明。

附图说明

图1是本发明一种竖井旋流泄洪洞的结构示意图。

图2是图1A-A截面的结构示意图。

图3是图1B-B截面的结构示意图。

图4是本发明一种竖井旋流泄洪洞中涡室连接段及涡室处的俯视图。

图5是实施例中洪水涡室连接段及竖井内流态图。

图6是实施例中竖井旋流泄洪洞壁面压强云图(图中颜色深浅表示压强大小，图中压强单位为Pa)。

图7是实施例中分流墩左右壁面压强云图(图中颜色深浅表示压强大小，图中压强单位为Pa)。

图中，附图标记为：1、上平洞段；2、涡室连接段；3、涡室；4、竖井；5、消力井；6、圆弧段；7、压坡段；8、导流坎；8-1、挡水面；8-2、背水面；8-3、连接面；9、下平洞段；10、渐变段；11、分流墩；12、进口闸室段；13、排气管。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有竖井旋流泄洪洞水流流态复杂，出现涡室通气不畅、涡室水流上升高度较大、下游消能不充分的问题，本发明提供如图1-7所示的一种竖井旋流泄洪洞，本发明能够实现竖井旋流泄洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量竖井旋流泄洪洞安全运行。

一种竖井旋流泄洪洞，包括依次连接的进口闸室段12、上平洞段1、涡室连接段2、涡室3、竖井4和下平洞段9，所述的涡室3的底端通过渐变段10与竖井4连接，竖井4的底端设置有消力井5，竖井4的侧壁下部通过衔接段与下平洞段9连接；所述的涡室连接段2的底板上设置有分流墩11，所述的涡室3的内侧设置有导流坎8。

实施例2：

基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的渐变段10上大下小，其宽高比为1:n1.n1取5-15。

优选的，所述导流坎8由挡水面8-1、背水面8-2和连接面8-3围成；所述的挡水面8-1是一竖直设置的平面，背水面8-2是一竖直设置的弧面，弧面半径R为涡室内径0.1～0.5倍，弧面对应的角θ60-90°，连接面8-3与涡室3内侧壁贴合。

本实施例中，优选的，弧面半径R为4.5m，弧面对应的角θ为70°。

优选的，所述得涡室3的顶部为拱顶。

优选的，所述涡室连接段2由涡室连接段底板、涡室连接段顶板和涡室连接段侧板组成的空心的框体；所述的涡室连接段底板由抛物线段底板与陡坡段底板连接组成，抛物线段底板与上平洞段1的底坡连接，陡坡段底板与涡室3连接；抛物线段底板的形状符合抛物线方程Y＝kX+cX

优选的，所述的衔接段包括依次连接的圆弧段6和压坡段7，所述的圆弧段6上端与竖井4连接，所述的压坡段7末端与下平洞段9连接；所述的圆弧段6的底面为平面，圆弧段6的顶面首端由竖井4的半圆形侧壁渐变过渡到外侧为圆拱、内侧为直墙的体型，随后再以该体型按圆弧转弯形式过渡至压坡段7起点，压坡段7的坡顶采用顶部圆变方的形式过渡至直线压坡顶，压坡段7采用1：n2的顶压坡布置形式，n2取5～10。

优选的，上平洞段1底坡坡比为1～5％，下平洞段9底坡坡比为1～5‰。

本实施例中，优选的，所述的上平洞段1底坡坡比为3％，下平洞段9底坡坡比为1.9‰。压坡段7优选采用1：8的顶压坡布置形式。

优选的，所述涡室3的顶面上设置有排气管13。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供一种竖井旋流泄洪洞，包括依次连接的进口闸室段12、上平洞段1、涡室连接段2及涡室3，涡室连接段2将上平洞段1中的水流从涡室3侧壁切向引入涡室3；涡室3的底端依次连接有渐变段10及竖井4，竖井4的底端设置有消力井5，竖井4的侧壁下部依次连接有竖井与下平洞衔接段及下平洞段9；涡室连接段2的底板上设置有分流墩11；涡室3的内侧设置有导流坎8。

本发明中上平洞段1底坡坡比为3％，其断面为城门洞型如图2所示；下平洞段9底坡坡比为1.9‰，其断面为城门洞型如图3所示。

上平洞段1水流经抛物线过渡进入陡坡段，上平洞段1底坡坡度为3％，水流相对平缓，流态稳定。涡室连接段2的底板采用抛物线与1:n(n值根据抛物线末端点确定，n取值为3～6)的陡坡过渡到涡室3底板，涡室连接段2内设置分流墩11，分流墩11将水流分为左、右两侧。水流经过分流墩11和导流坎8的综合作用，涡室3内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室3内旋转水流的水面高差也被减小，下部渐变段10又形成内外不同旋转流层，涡室连接段2的过渡消能作用均得到提升。竖井4与涡室3采用1:10的渐变段10过渡，竖井内仍表现为明显的贴壁旋转水流，整个涡室3及竖井4内涡腔保持畅通，通气充分。随着水流不断向下流动，在重力的作用下，垂向流速不断增大，切向流速则受沿程损失作用不断较小。水流以较高流速进入竖井4下部的水垫层时，大量空气被卷吸进入水垫内，水气充分混掺；而此时竖井4下部水流仍存在一定切向流速，水垫内水体也存在旋转现象，形成环状水跃。

在竖井4下部衔接段出口压坡的作用下，竖井4水垫壅水高度增加，水、气剧烈掺混紊动，消刹大量能量，余能减小，下部消力井5内水体的旋转力度明显减弱，而且相对均衡。压坡出口流速方向与进流方向流线变化剧烈，水流经压坡段调整后进入下平洞，虽有部分掺气水体侧扩出现一定水翅，但受两侧边墙顺延体型作用，水翅明显减弱，对洞顶净空影响比较小。下平洞段9内水体的掺气在出口被大量释放，水面存在波动现象。随着上游水库水位的降低、流量减小，竖井4内水流挟气能力不断下降，进入竖井4涡心空腔的空气量也相应减少，压坡段7出口水流所掺气体在压坡段7出口后均被快速释放。进入下平洞段9的掺气水流，随着气泡的不断溢出，沿程掺气浓度减小，水面沿程也渐趋平顺。

实施例3：

基于实施例1或2的基础上，本实施例中，以某水电站为例，某水电站校核库水位2994.52m，竖井4与下平洞衔接段底板高程2761.8m，消力井5底板(2946m)以上泄洪总水头233.7m，最大下泄流量1495m

基于VOF法选取Realizable k-ε紊流模型，对该竖井旋流泄洪洞体型在设计洪水工况下的水流特性进行了模拟计算，计算结果表明：①水流流态：空腔贯通涡室及整个竖井，直到环状水跃处。空腔存在偏心现象，且随水流旋转发生摆动。在旋转过程中，空腔直径逐渐增大，水流的切向流速减小，轴向流速增大，在靠近环状水跃处，由于切向流速较小，水流几乎垂直撞击环状水跃，因此在环状水跃处，水流紊动较为剧烈。整个涡室段水流呈乳白色,掺气明显，流态比较稳定，掺气水流从涡室进入竖井及水垫区，随后以有压流的形式经压坡流出。如图5所示，竖井空腔贯通涡室、收缩段、直到竖井下部的环状水跃处，空腔直径在喉口处最小，但始终没有呛水现象发生，因此不会影响正常泄洪。②壁面压强：由模拟计算所得，如图6所示，涡室到过渡段压强均为正压，过渡段末端也为正压，从颜色上也可以看出，该断面压强大小基本在100kPa附近，随着水流的进一步减低，进入竖井中后井壁压强逐渐减小，到环状水跃壅水断面处压强又逐渐增加，壅水断面前的压强最小，从颜色上可以看出，该断面压强基本在零压附近；从图7可以看出，分流墩右侧壁面压强相对大一些，左侧小一些，该分布规律与体型变化基本一致，即左侧收缩口小，压强大一些，右侧则反之小一些；所以，随竖井高程的降低，水流切向速度减小，竖井壁面的压强也逐渐减小。受水流直接冲击的作用，正对引渠来流方向的竖井左壁面压强相对较大。压坡顶板的压强基本符合“两头小中间大”的分布规律，最大压强发生在圆变方的过渡段处。压坡底板压强初始段较大，随后沿水流方向呈降低趋势。整个竖井段中计算所得的最大压强出现在消力井底板周边处，中间压强相对较小。③旋转水流的流速：随着竖井高度的降低，水层厚度变薄，水流流速逐渐增大，但在竖井前半段(140m以上)，水流流速增加较快，随后增加不再明显。涡室与竖井、消力井与衔接段、下平洞段的总消能率可达90％。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及系统方法是均为现有技术，本发明中不再进行进一步的说明。