浅谈国内旋流式内消能泄洪洞工程方案的研究

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1、浅谈国内旋流式内消能泄洪洞工程方案的研究

2、第1　牛争鸣，曹双利：西安理工大学；洪镝，谢小平：黄河上游水电有限责任公司摘要：论述了竖井旋流型与水平旋流型内消能工在体型优化中的重点与方向，结合黄河公伯峡水电站右岸旋流内消能泄洪洞的方案的论证、试验研究与体型优化，进行了连接部位泄流能力的协调与匹配、通气孔的设计、消能率的构成、起旋器出口与旋流洞连接部位后的空化空蚀、洞子的衬砌标准与范围、下游水深的影响等问题的讨论。关键词：导流洞改建；旋流内消能泄洪洞；体型优化；问题讨论1国内旋流式内消能泄洪洞的研究在高山峡谷地区的大江大河上修建电站，由于

3、受到地形等条件的限制，往往需要修建数条大尺寸的导流隧洞。导流洞的使用时间只有数年，属临时性建筑物，却投资巨大。因此如何在完成导流任务后将导流洞改建为永久式泄洪洞一直为世人所关注。从国内外目前的研究进展来看，在导流洞改建为永久泄洪建筑物过程中，旋流式内消能工具有结构简单，布置灵活，消能率高的特点，它能适应复杂的地形、地质条件、利用反转井转机施工也较简单。因此旋流式内消能工是一种适于深山峡谷中高水头、大流量的新型消能措施，是高坝施工导流洞改建为泄洪洞的可行方案。国内旋流消能工最早在工程中的应用是在四川沙牌水电站。水科院、南科院、西安理工

4、大学、河海大学、四川大学等研究单位也结合具体工程进行了类似的导流洞改建为竖井旋流泄洪洞的研究工作。已进行过或正在进行导流洞改建为旋流消能泄洪洞的研究与论证工作的还有溪洛渡、洪家渡、公伯峡、大梁、吉灵台等水电站工程。这些工作为利用导流洞改建为永久泄洪洞的设计与方案论证积累了较丰富的经验。2公伯峡旋流消能泄洪洞的研究由于公伯峡水电站右岸地质条件复杂，导流洞掘进过程中先后发生了7次较大规模的塌方。为了减小施工风险、充分利用导流洞及其塌方段，同时考虑在公伯峡水电站工程中充分采用新技术，从2001年8月开始进行将原设计“龙抬头”泄洪洞改为旋流

5、消能泄洪洞的专题研究工作。有关研究单位首先进行了设计院最初提供的设计方案比较研究工作，2002年5月，在国家电力公司水利水电规划设计总院审查会后，又进行了水平旋流淹没流与自由流的两个方案的进一步试验研究。2．1竖井旋流与水平旋流消能方案的优化竖井旋流泄洪洞原方案由堰流进水口、竖井、水垫塘和退水洞组成。进行一系列修改后，形成竖井旋流消能的推荐方案。水平旋流原方案泄洪洞由堰流进水口、竖井、旋流洞（含起旋洞）、水垫塘和退水洞组成。由初步试验，存在的主要问题是局部地方可能会发生的空化。为了保证运行安全可靠，避免发生空蚀，在竖井进口曲面增设通

6、气挑坎与通气槽，在旋流洞下游设三角墩，缩小旋流洞末端面积，构成水垫塘消能工。以上修改较好地解决了存在的问题，故作为水平旋流消能的推荐方案。2．2淹没流与自由流水平旋流消能方案的优化淹没流水平旋流原设计方案经初步试验，存在的水力学问题为溢流堰水舌与竖井水面出现水跃衔接，竖井内水位壅浪较大，模型井壁振动明显，对结构稳定不利；旋流洞和消力塘长度偏短，消能不充分，致使退水洞水面不平稳，波动较大。起旋器与旋流洞连接处局部低压区。针对这些问题，先后采用降低溢流堰顶高程、加设门楣和调整闸门尺寸措施，加大上部过堰流量，由底部起旋器喉口控制泄量，使竖

7、井内水位充分壅高至接近库水位，以便形成满井有压流流态，达到减小水面波动的目的。进一步优化起旋器及其升坎，优化消力塘体型，增大通气孔直径等对减小局部的低压起一定作用。试验中反复改变通气孔直径、位置，力图降低通气孔风速，提高旋流洞旋转水流的掺气量。自由流水平旋流消能泄洪洞原方案为了避免堰上出现大波动和旋流洞进口发生空蚀现象，按自由堰流方案设计模型，并在溢流面上设通气槽。由于该方案进口溢流堰和退水洞内波动较大，在设计工况竖井后壁出现负压空腔，在校核工况通气槽进水，以及旋流洞通气量较大，进行了一系列修改：在溢流堰两边墩上设竖向掺气坎，代替通

8、气槽；减小水垫塘收缩断面，设消旋墩；减小旋流洞通气孔直径；取消水垫塘内消漩与优化收缩墩结构；采用通气管掺气减蚀措施；采用增压折流坎消除起旋洞连接段的负压；为了使溢流竖井掺气，保证向旋流洞输气，防止发生空蚀，还进行了一些其它修改。在原方案的基础上，按上面所述进行体型修改与优化后的方案称为淹没流与自由流推荐方案。2．3方案技术与经济的比较公伯峡水电站旋流消能泄洪洞两种形式泄洪洞结构体型比较：淹没出流形式由起旋器出口处的收缩断面控制泄流能力，为此加大了竖井进水口尺寸。竖井内水流稳定，从而加大了竖井井壁的压力，减小了水流脉动，起旋器体型较简

9、单，这都有利于简化结构和运行安全。但由于竖井进水口尺寸加大，堰闸段工程量和金属结构量较大。自由出流形式泄流能力由竖井进水口控制，堰后边墩设掺气坎，加大起旋器断面形成双向渐变，并在水平旋流段前设折流坎，体型较复杂。虽然竖井内大量掺气，有