导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法

摘要

导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，该方法是在导流洞进水端后的河流库区修建一段有压隧洞与导流洞洞顶相接，该有压隧洞的进口段设置闸室；在有压隧洞与导流洞相接处的前半段的导流洞内设置堵头，后半段的导流洞内设置压坡，使出压坡前的水流为有压流态，出压坡后的水流为明流。本发明改建方案可适应导流洞不同布置形式，适用面广，特别是不受导流洞是否存在转弯的影响；且其新建隧洞体型简单，尺寸较小；还适用于下游水位不是很高，不能满足淹没出流要求，以及导流洞埋深不够或者其它不能承受太大内水压力情况的改建，充分发挥导流洞的后期作用，为水利工程建设节省投资。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程导流洞改建为泄洪洞技术领域，具体涉及一种将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法。

背景技术

受地形地质条件限制，有许多水电站在施工期都必须采用导流洞导流。由于导流洞也是整个水电工程的一部分，其修建也要耗费不少时间和资金，但导流洞在完成工程的导流任务后，往往都会被废弃，因而很不经济。为了使导流洞能够永久地发挥作用，越来越多的工程选择了利用导流洞改建为永久性泄洪洞做法，不仅如此，有的工程还因枢纽布置困难的原因，也必须将导流洞改建为泄洪洞。

目前利用已有的导流洞改建为泄洪洞的基本型式主要有龙抬头式和旋流式。

龙抬头式的改建方案，通常是在原导流洞的顶部的斜上方修建一隧洞，该隧洞采用短有压进口，后接明流斜洞，经反弧段与导流洞连接。由于隧洞渗水对岸坡山体的地下水位影响很小，这种改建方式在许多新建工程的泄洪洞中被广泛采用，如刘家峡、二滩等工程，且单洞泄洪量水平已接近4000m³/s。但龙抬头式泄洪洞落差大且集中在前部，高速水流段比较长，对高速水流段的衬砌保护要求较高，在反弧段及其下游附近容易发生空蚀(杨永森，吴持恭，明流隧洞反弧段水力及空化特性研究[J]，成都科技大学学报，1991年第3期，21-28)。虽然在掺气减蚀措施广泛应用后，100m左右落差的龙抬头式泄洪洞的空蚀问题已基本解决，但更高水头的龙抬头式泄洪洞的空蚀问题仍然存在。

另外，龙抬头式一般都布置为全明流形式，且要求导流洞轴线为直线，不设置洞内消能工，而是在下游采用挑流或底流方式消能，因此，龙抬头式的改建方案对于导流洞后半段存在转弯的情况不适用。

旋流式的改建方案通常为竖井旋流式，即在原导流洞上方修建一隧洞，并通过导流洞顶部设置的竖井造涡装置与其相连，使进入竖井的水流形成贴壁的涡旋流动，借以消除水道中的大部分动能。它的主要特点是：消能率高；贴壁涡旋流动使泄水道边壁压强增大，再加上水流掺气，可减小高水头泄水洞边壁产生空蚀破坏的可能性；水流的大部分动能可在泄洪道内部被消除，不会引起泄洪洞出口后的雾化污染及下游的严重冲刷破坏(董兴林，余闽敏，吴曾谋，陈念水.导流洞改建旋流式泄洪洞研究与应用[J]水力发电，2002，(04))。竖井旋流式泄洪洞一般适用于流量较小而水头较高的工程改建，如从表1列出了泄洪洞采用竖井旋流方式的部分工程实例中可看到，前4项已采用的工程都属于流量较小水头相对较高的小型工程，其流量与水头相比的参数k(k＝Q/H)值均小于3，5～7项虽也是采用螺旋流消能方式的工程，但为水平旋流，其要求水平旋流洞段的断面必须为圆形，因而不适用城门洞形断面的导流洞改建为泄洪洞；其它4项国内大型工程虽研究过利用导流洞改建为泄洪洞时，采用竖井旋流方式，但均未实施。故竖井旋流式方案改建泄洪洞一般适用于流量较小而水头较高的情况。

表1

  序号  工程名称  最高水头  (H，m)  最大流量  (Q，m³/s)  k＝Q/H  备注  1  沙牌  91.30  245.00  2.68  已建成  2  仁宗海  56.88  145.70  2.55  建设中  3  狮子坪  129.09  261.85  2.03  建设中  4  多诺  112.11  137.90  1.23  建设中  5  公伯峡  102.50  1060.00  10.3  竖井进流水平旋  6  印度特里  203.36  1820.40  8.95  竖井进流水平旋  7  前苏联罗贡  200.80  1912.50  9.52  竖井进流水平旋  8  拉西瓦  159.80  1700.00  10.64  未采用  9  洪家渡  143.19  1643.00  10.07  未采用  11  小湾  143.80  1420.00  9.87  未采用  12  溪洛渡  241.49  2768.90  11.46  未采用

由于水利工程建设，都要受制于建造地的水文地质及地形条件，因而对于某些工程，由于地形条件的限制，导流洞存在转弯，就不适用于用龙抬头式的改建方案；有的导流洞由于埋深不够或者出口不满足淹没要求，不能改建有压泄洪洞，也不适用于用龙抬头式的改建方案；而对于在河流库区泄洪流量比较大的情况下，改建为竖井旋流式泄洪洞的方案也不太适用。为了充分利用导流洞，以免形成浪费，还需要研究开发新的导流洞改建型式。

发明内容

本发明的目的是针对在中低水头、大流量泄洪要求的河流库区的导流洞改建泄洪洞存在的困难，提供一种新的改建方案，即将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，以充分发挥导流洞的后期作用，为水利工程建设节省投资。

本发明提供的将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，该方法是在导流洞进水端后的河流库区修建一段有压隧洞与导流洞洞顶相接，该有压隧洞的进口段设置闸室；在有压隧洞与导流洞相接处的前半段的导流洞内设置堵头，后半段的导流洞内设置压坡，使出压坡前的水流为有压流态，出压坡后的水流为明流。

为了使本发明适用面更广，且使调节控制更方便，还可采用以下技术措施：

1、在有压隧洞与导流洞相接处与压坡之间的导流洞内可根据需要设置洞塞，以充分利用导流洞位置低，静压水头高的特点，从而尽可能地降低洞塞孔口与原导流洞的过水面积之比，大大提高消能效率，同时也能保证洞塞内有足够的正压，以防止发生空化。

2、与导流洞相接的有压隧洞出口段的面积可根据需要向出口端面方向逐渐缩小，使有压隧洞出口段的纵截面形状为锥形，以通过控制进入导流洞水的断面积来控制水流进入导流洞的速度，在适当提高进入导流洞的水流速度下提高消能率。

3、在压坡出口端下方的导流洞底板上可根据需要设置掺气坎或/和在压坡出口端的导流洞两侧壁面上设置侧掺气坎，以保护侧墙并且增加掺气量，避免出现空蚀破坏。

本发明与已有技术相比，还具有以下优点：

本发明提供的将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，与龙抬头式改建方案相比，因本发明的新修建段的隧洞为有压流，因而可适应原工程导流洞不同布置形式，适用面广，特别是不受导流洞是否存在转弯的影响。

本发明提供的将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，与竖井旋流式改建方案相比，本发明的新修建段隧洞体型简单，尺寸较小，避免了竖井旋流方案中隧洞体型较庞大，涡室结构较复杂的问题。

本发明提供的将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，还适用于下游水位不是很高，不能满足淹没出流要求，以及导流洞埋深不够或者其它不能承受太大内水压力情况的改建。

本发明提供的将导流洞改建为有压突扩掺气泄洪洞的方法，因为有压突扩形成明流的方案，对水流流态而言，在射流孔口之前(即压坡内)为单一水体有压流，射流孔口(即压坡出口)之后为明渠掺气水流，流态清晰；从消能角度讲，若以出口流速控制在25m/s左右，则其速度水头约为32m，再加上有压段及进口的能量损失，需要消耗的能量较少，根据试验研究表明，即使不加设洞塞，有压段的消能率也可以达到28％～35％，因此一般能满足中低水头情况的要求。

附图说明

图1为应用本发明方法的一种改建方式的平面布置示意图；

图2为应用本发明方法的另一种改建方式的平面布置示意图；

图3为图1的纵剖面布置示意图；

图4为在图3基础上加设了洞塞和掺气坎的纵剖面布置示意图；

图5为图2基础上使导流洞顶部的有压隧洞出口段的纵截面形状为锥形，且同时加设了洞塞、掺气坎的纵剖面布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本实施例方案是在导流洞4进水端后的河流库区修建一段有压隧洞1与导流洞4洞顶相接，其既可以在导流洞4进水端的直线处相接，如图1所示，也可以在导流洞4进水端的弯道处相接，如图2所示。该有压隧洞1的进口段设置闸室2。在有压隧洞1与导流洞4相接处的前半段的导流洞4内设置堵头5，后半段的导流洞4内设置压坡6，使出压坡6前的水流为有压流态，出压坡6后的水流为明流，见图3。如果考虑需增大消能作用和加大掺气，可在有压隧洞1与导流洞4相接处与压坡6之间的导流洞4内增设洞塞7，在压坡6出口端下方的导流洞底板8上设置掺气坎9，见图4，也可以同时在压坡6出口端的导流洞4两侧壁面上设置侧掺气坎10，见图5。另外还可根据导流洞底板8承受压强的能力，调节与导流洞4相接的有压隧洞1出口段3的面积，即可根据需要，使有压隧洞出口段3向出口端面方向逐渐缩小，使其纵截面形状为锥形，见图5，以达到控制水流进入导流洞4的速度，使之能在适当提高进入导流洞4的水流速度下提高消能率。