專利名稱：導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法
技術領域：
本發(fā)明公開一種導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，屬于水利水電技術領域。

背景技術：
在現有技術中，把施工導流洞改建成永久泄洪洞是一種較常見的水電站樞紐建設方式，具有很高的經濟價值，一直是水利水電工程設計與研究中一項重要內容。傳統(tǒng)的改建以“龍?zhí)ь^”和“龍落尾”型式居多，這兩種方式的改建沿用了很多年，在眾多水電樞紐建設中發(fā)揮了巨大的經濟效益，如劉家峽、二灘等工程。隨著高壩建設的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的“龍?zhí)ь^”和“龍落尾”型式改建，已經不能滿足壩高要求，反弧段空蝕問題日趨突出(郭軍，張東，劉之平，范靈，大型泄洪洞高速水流的研究進展及風險分析[J]，水利學報，2006年第10期，1193-1198)。表1列出部分以傳統(tǒng)“龍?zhí)ь^”或“龍落尾”方法改建的泄洪洞情況，由表中可見水頭較低、流量較小時傳統(tǒng)改建方法可行，當水頭較高或流量較大時傳統(tǒng)方法改建的泄洪洞會出現空蝕破壞。
表1
目前已有一些將導流洞改建為高水頭泄洪洞的方法。這些改建方法包括改建為環(huán)堰式豎井泄洪洞、旋流式豎井泄洪洞、孔板消能泄洪洞、洞塞消能泄洪洞等。但是在以上改建方法中，存在占地面積大，施工復雜，泄洪流量小的缺點。不能同時滿足高水頭、大流量的泄洪要求(楊永全，鄧軍，許唯臨，廖華勝，高鵬，張建民，導流洞改建為有壓突擴摻氣泄洪洞的方法[P]，200610021512.1)。
我國在西部深山峽谷中修建的高壩都具有大型的施工導流洞，若將其改建成永久泄洪洞，其工作水頭接近200m～250m，在反弧段末端的流速將超過50m/s，高速水流以及衍生水力學問題將造成泄洪洞的嚴重損壞。如果不采取新的改建方法，很多高壩就不得不放棄導流洞的改造，造成巨大的經濟浪費。


發(fā)明內容
本發(fā)明針對在高水頭、大流量泄洪要求下導流洞改建為泄洪洞過程中存在的困難，提供一種新的改建方法，即導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，該方法充分發(fā)揮導流洞在工程建成后的作用，節(jié)約工程投資。
本發(fā)明導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，在導流洞進水端下游修建一段豎井，豎井下部與導流洞頂相接，上部接龍落尾型式有壓隧洞，有壓隧洞出口在豎井內收縮成射流出口，在豎井與導流洞相接處前半段導流洞內設置堵頭形成盲室。
上述有壓隧洞包括短壓力進水口、引水道段、水流調整段、收縮段； 上述豎井包括豎井段、豎井隧洞連接段、導流洞段； 上述的短壓力進水口包括口門和壓板，口門的頂部和側面曲線體型都為橢圓曲線； 上述的引水道段包括拋物線段和圓弧段，拋物線段與圓弧段相切并下彎； 上述的水流調整段末端的截面為圓形； 上述的豎井段頂部有通氣孔； 上述的豎井隧洞連接段包括交接段和底板加固設施，加固設施一般為混凝土平臺； 上述的豎井段與導流洞段通過交接段平順連接，交接段為橢圓曲線； 為了解決上述技術問題，本發(fā)明中所涉及尺寸的公式及計算方法如下 (1)根據設計泄洪流量計算短壓力進水口尺寸； (2)根據水流平均流速計算拋物線段系數； (3)根據泄洪流量計算收縮段的出口直徑； (4)根據單位容積消能率方法確定豎井段的高度； 上述的措施(1)中用來計算短壓力進水口尺寸的公式為 式中，Q為泄洪流量，b為孔口寬度，h為孔口高度，H為水庫水位與進口底板間的高差，g為重力加速度，μ為流量系數。
上述的措施(2)中用來計算拋物線段系數的公式為 a＝g/(2c2V2) 式中，g為重力加速度，c為閘門出口水流流速不均勻修正系數，V為閘門出口水流平均速度。
上述的措施(3)中用來計算收縮段的出口直徑的公式為 D＝α(Q2/g)1/5 式中，D為水流調整段的直徑，Q為泄洪流量，g為重力加速度，α是反映收縮阻水的系數，經發(fā)明人多次試驗，驚奇地發(fā)現，α取值為0.8～1.5本發(fā)明的效果最好。
上述的措施(4)中用來計算收豎井段高度的公式為 式中，H為豎井段的高度，ΔE是豎井段的消能量；D為豎井段直徑與調整段使用相同方程確定，β為單位容積消能率，經發(fā)明人多次試驗，驚奇地發(fā)現，β取值為40kw/m3～50kw/m3本發(fā)明的效果最好。
本發(fā)明與已有技術相比具有如下有益效果 1、與“龍?zhí)ь^”或“龍落尾”泄洪洞相比，本發(fā)明可以減少泄洪洞受到空蝕破壞的風險，增加了工程的安全性； 2、與旋流式改建方法相比，本發(fā)明占地面積小，可以使水利工程樞紐布置更靈活并安全可靠，新建隧洞體型簡單，避免了豎井旋流方案中新建隧洞體型大，渦室結構復雜施工難度高的問題； 3、與環(huán)堰式、旋流式、孔板式、洞塞式等改建方案相比，由于通過本發(fā)明改建的泄洪洞水流直接射入導流洞進行消能，因此本方法具有泄洪流量大的優(yōu)點。



圖1為本發(fā)明方法的一種改建方式的縱向剖面示意圖； 圖2為本發(fā)明方法的一種改建方式的俯視示意圖； 圖3為本發(fā)明方法的一種改建方式的引水道段2截面為圓形型式的示意圖。

具體實施例方式 下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例一 如圖1、2、3所示，本發(fā)明實施例是在導流洞進水端下游修建一段豎井，豎井下部與導流洞頂相接，上部接龍落尾型式有壓隧洞，有壓隧洞出口在豎井內收縮成射流出口，在豎井與導流洞相接處前半段導流洞內設置堵頭形成盲室。
所述的有壓隧洞包括短壓力進水口1、引水道段2、水流調整段3、收縮段4； 所述豎井包括豎井段5、豎井隧洞連接段6、導流洞段7； 其中所述的短壓力進水口1包括口門8和壓板9，口門8的頂部和側面曲線體型都為橢圓曲線，頂部的橢圓曲線長軸取為孔口高度，短軸取為0.35倍的孔口高度，壓板9的坡度為1∶4； 所述的引水道段2包括拋物線段10和圓弧段11，拋物線段10與圓弧段11相切并下彎； 所述的水流調整段3末端的截面為圓形； 所述的豎井段5頂部有通氣孔17； 所述的豎井隧洞連接段6包括交接段12和底板加固設施13，加固設施13一般為混凝土平臺，加固設施13的尺寸根據泄洪水頭設計，厚度可取為1m～50m； 所述的豎井段5與導流洞段7通過交接段12平順連接，交接段12為橢圓曲線； 所述的導流洞段7的封閉端保留一定空間形成盲室段14； 當樞紐進行泄洪運行時，水流首先進入短壓力進水口1，經引水道段2、水流調整段3、收縮段4形成高速射流，射入豎井段5，在豎井段5和盲室14中進行激烈的碰撞消能。流速降低的水流經豎井隧洞連接段6進入導流洞段7，在導流洞段7中受到壓板和加固設施13的調整作用后平順流出。
為了解決上述技術問題，本實施例以溪洛渡工程數據為基礎進行計算 (1)根據設計泄洪流量計算短壓力進水口1尺寸； 設計泄洪流量Q設＝2553m3/s，μ＝0.96-0.12h/b+0.01H/h＝0.913，計算得短壓力進水口1尺寸為h＝10m，b＝14m； (2)根據水流平均流速計算拋物線段10系數； 校核泄洪流量為Q校＝2741m3/s，計算得

根據試驗獲得的流速修正系數為c＝1.18，拋物線段10系數a＝g/(2c2V2)＝0.0092； (3)根據泄洪流量計算收縮段4的出口直徑； 收縮段4的出口直徑為D＝α(Q校2/g)1/5＝0.8×(27412/9.8)1/5＝12m； (4)根據單位容積消能率方法確定豎井段5的高度； 豎井段5的高度為 實施例二 本實施例結構和實施方法與實施例一相同，計算方法如下 (1)根據設計泄洪流量計算短壓力進水口1尺寸； 設計泄洪流量Q設＝2553m3/s，μ＝0.96-0.12h/b+0.01H/h＝0.913，計算得短壓力進水口1尺寸為h＝10m，b＝14m； (2)根據水流平均流速計算拋物線段10系數； 校核泄洪流量為Q校＝2741m3/s，計算得

根據試驗獲得的流速修正系數為c＝1.18，拋物線段10系數a＝g/(2c2V2)＝0.0092； (3)根據泄洪流量計算收縮段4的出口直徑； 收縮段4的出口直徑為D＝α(Q校2/g)1/5＝1.2×(27412/9.8)1/5＝18m； (4)根據單位容積消能率方法確定豎井段5的高度； 豎井段5的高度為 實施例三 本實施例結構和實施方法與實施例一相同，計算方法如下 (1)根據設計泄洪流量計算短壓力進水口1尺寸； 設計泄洪流量Q設＝2553m3/s，μ＝0.96-0.12h/b+0.01H/h＝0.913，計算得短壓力進水口1尺寸為h＝10m，b＝14m； (2)根據水流平均流速計算拋物線段10系數； 校核泄洪流量為Q校＝2741m3/s，計算得

根據試驗獲得的流速修正系數為c＝1.18，拋物線段10系數a＝g/(2c2V2)＝0.0092； (3)根據泄洪流量計算收縮段4的出口直徑； 收縮段4的出口直徑為D＝α(Q校2/g)1/5＝1.5×(27412/9.8)1/5＝22.5m； (4)根據單位容積消能率方法確定豎井段5的高度； 豎井段5的高度為 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的權利要求之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，其特征在于在導流洞進水端下游修建一段豎井，豎井下部與導流洞頂相接，上部接龍落尾型式有壓隧洞，有壓隧洞出口在豎井內收縮成射流出口；在豎井與導流洞相接處前半段導流洞內設置堵頭形成盲室。所述的泄洪洞包括以下結構短壓力進水口(1)、引水道段(2)、水流調整段(3)、收縮段(4)、豎井段(5)、豎井隧洞連接段(6)、導流洞段(7)。
2.根據權利要求1所述的導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，其特征在于所述短壓力進水口(1)包括口門(8)和壓板(9)，其中，所述的口門(8)的頂部和側面曲線體型都為橢圓曲線。
3.根據權利要求1所述的導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，其特征在于所述的引水道段(2)包括拋物線段(10)和圓弧段(11)，其中，所述拋物線段(10)與圓弧段(11)相切并下彎。
4.根據權利要求1所述的導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，其特征在于所述的水流調整段(3)末端的截面為圓形。
5.根據權利要求1所述的導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，其特征在于所述的豎井段(5)頂部設有通氣孔；
所述的豎井隧洞連接段(6)包括交接段(12)和底板加固設施(13)，所述的加固設施(13)為混凝土平臺；
所述的豎井段(5)與水平隧洞(7)通過交接段(12)平順連接，所述的交接段(12)為橢圓曲線。
6.導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，包括以下措施
(1)根據設計泄洪流量計算短壓力進水口(2)尺寸；
(2)根據水流平均流速計算拋物線段(10)系數；
(3)根據泄洪流量計算收縮段(4)的出口直徑；
(4)根據單位容積消能率方法確定豎井段(5)的高度。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(1)中用來計算短壓力進水口(2)尺寸的公式為
式中，Q為泄洪流量，b為孔口寬度，h為孔口高度，H為水庫水位與進口底板間的高差，g為重力加速度，μ為流量系數。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(2)中用來計算拋物線段(10)系數的公式為
a＝g/(2c2V2)
式中，g為重力加速度，c為閘門出口水流流速不均勻修正系數，V為閘門出口水流平均速度。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(3)中用來計算收縮段(4)的出口直徑的公式為
D＝α(Q2/g)1/5
式中，D為水流調整段(3)的直徑，Q為泄洪流量，g為重力加速度，α是反映收縮阻水的系數一般取為0.8～1.5。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的措施(4)中用來計算豎井段(5)的高度的公式為
式中，H為豎井段(5)的高度，ΔE是豎井段(5)的消能量；D為豎井段(5)直徑，β為單位容積消能率，β值范圍為40kw/m3～50kw/m3。
全文摘要
本發(fā)明導流洞改建為射流內消能豎井泄洪洞的方法，屬于水利水電技術領域。該方法是在導流洞進水端下游修建一段豎井；豎井下部與導流洞頂相接，上部接龍落尾型式有壓隧洞，有壓隧洞出口在豎井內收縮成射流出口，在豎井與導流洞相接處前半段導流洞內設置堵頭形成盲室。本發(fā)明方法包括以下改建設施短壓力進水口、引水道段、水流調整段、收縮段、豎井段、豎井隧洞連接段、導流洞段。本發(fā)明尤其適應高水頭、大流量的泄洪洞改建，在下游水位較高情況下仍然可以穩(wěn)定有效泄洪；新建隧洞部分占地面積小，布置靈活，極大地降低了消能設施的成本。
文檔編號E02B9/06GK101280557SQ20081002499
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權日2008年5月23日
發(fā)明者范子武, 姜樹海, 韓昌海, 宇 楊 申請人:水利部交通部電力工業(yè)部南京水利科學研究院