环型溢洪道的设计与试验研究.doc

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1、环型溢洪道的设计与试验研究摘要：利用旋流场理论分析，大胆、巧妙地将环型堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙的环型溢洪道泄流消能方式。成功地解决了进口流速较大且流速分布极不均匀，水力条件较为复杂的泄流和消能问题。再经两个水文年的溢洪实践，表明该设计与研究在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果。并比常规的设计可节约工程投资的1/4∽1/3；而且更为安全可靠。对在城市防洪排涝；中小型水利水电工程的泄流及一洞多用中；山区狭长水库行近流速比较大或切向流速比较大的水库中，均具有良好的推广价值。关键词：环型溢洪道旋流消能防涡设施设计与试验研究一、工程概况贵阳市贯城河是一条

2、由北向南纵贯贵阳市城区的河流，流域面积为21Km2，为山区雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，涨峰历时短的特点。城市的发展导致地面硬化，水流下渗量减少，加大短时地表径流。由于历史的原因，贯城河河道过水断面减小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地势低洼，致使上游地区及市区暴雨强度较大时，极易形成内涝，尤以喷水池附近地区最为严重，给人民生命财产带来巨大的损失。为解决贯城河的水环境问题，拟在化龙桥附近修建一条排污分洪隧洞。工程的主要任务是分泄化龙桥以上河道汛期大部分洪水，提高喷水池附近繁华商业区的防洪能力。枢纽工程由环型溢洪道、隧洞等两大部分组成，其最大排

3、洪量为100m3/s。二、进口方案比较由于贯城河贯穿贵阳市，为减少洪水对市中心的影响，该工程进口位置只能选择在人口较密、商业较繁华的化龙桥至沙河桥一带。这一带受地形及规划用地的限制；并结合隧洞的选线，进口只能选择化龙桥上游距联云桥约60m的上游河段上。分洪隧洞的进口引渠与贯城河河道呈83°的交角；该河道河槽底部高程1062m，设计水位时的流速为V0=4.97m/s，这有别于水库近似V0=0m/s行进流速。加之出口处南明河河道河床高程1041m左右，进出口高差近21m。泄洪流量较大，这给进口的设计带来了一定的难度。在布置设计时研究过三种可能的布置形式：1、竖井式溢洪道传统的

4、竖井式溢洪道由环型堰、渐变段、竖井、弯管及泄水隧洞进口四部分组成。其消能机理是，当环型堰进口曲线下端的高速水流脱离井壁时，挟带空气射入消力井中，与井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根据其消能机理在布置设计其需要一段较长的渐变段、竖井、弯管来控制水流，使水流在其中充分消能。2、环型溢洪道环型溢洪道由环型堰、消力井和消力井三部分组成。与竖井式溢洪道相比其少了渐变段、竖井、弯管，增加了消力井。其消能机理是，经过引渠引入的水流，进入环型堰进口时，在环型堰曲线下端形成高速射流，脱离环型堰壁后，挟带空气射入消力井中，与消力井的水垫相互碰撞消能。163、龙抬头式溢洪道+消力池消能采用龙抬

5、头式实用堰引流，使水流进入消力池消能。竖井式溢洪道与环型溢洪道相比虽然工程投资相当，但其水垫较浅，消能效果没有环型溢洪道的好；再加上受渐变段、竖井，尤其弯管的曲率半径R不能满足2-5倍控制段直径要求，使得输水隧洞内会出现不稳定的流态，甚至在弯管部位会出现很大的负压。而环型溢洪道正好克服了这些缺点被确定为实施方案。环型溢洪道与龙抬头式溢洪道+消力池消能相比减少占地约40%。综上所述，从经济和社会效益上分析，采用较安全可靠的环型溢洪道比采用竖井式溢洪道、龙抬头式溢洪道+消力池消能均节约投资1/4∽1/3，并减少占地约40%。而且更为安全可靠，大大降低泄洪的声响及水雾，尤其处于

6、城市的繁华中心区，其本工程的建成不仅大大提高贯城河一带的防洪能力，工程的建成并不对周边的环境带来不利的影响。三、环型溢洪道的设计该工程按200年一遇洪水标准设计，按《防洪标准》（GB50201-94）的规定，本工程等别为II等，环型溢洪道等永久建筑的级别为2级。环型溢洪道由引渠、环型堰、消力井三部分组成。见附图。1、环型溢洪道的理论分析由于本工程地处市区内，受其用地的限制，进口引渠位于距河道转弯上游凸岸一侧的约25m的河道上，该处河道水流流速约4m/s，使得进口引渠的水流有偏流现象，水面高差0.5∽0.8m。由于偏流的存在，环型溢洪道水力学参数的求解必须借助于旋流理论根据

7、质量守恒及动量守恒导出的连续性方程与动量方程（又称N-S方程）：(1)在水力旋流场中，流体运动通常可以认为是稳定的轴流对称流动，其质量力可以忽略不计。一般采用柱坐标系统或球坐标系统，但为了方便计，均采用涡-流函数的形式。在柱坐标下，涡-流函数为：(2)式中涡函数为涡矢量水流旋流场的边界相当复杂，完全准确地给出这些条件至少目前是不可能的，它的求解问题相当复杂。因此，在实际求解时可以作出假设，对方程⑵用中心差分法，将流函数的各阶导数离散为：（3）（4）（5）这样可求出溢流进出口端的涡-流函数。但求解涡-流函数时需要事先给定的型式，