竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞垂交布置的水工建筑物的组合转让专利
申请号 : CN200710051028.8
文献号 : CN101215830B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 刘新春 , 刘善均 , 陈清波 , 邓军 , 詹国强 , 王韦 , 张建民 , 孙成祥 , 许唯临
申请人 : 四川大学 , 四川省清源工程咨询有限公司
摘要 :
本发明公开的竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞垂交布置的水工形式，其特征在于该水工形式是在放空洞或导流洞的中闸室后的无压段顶部通过竖井旋流涡室将泄洪洞与放空洞或导流洞进行垂直相交布置，使在竖井后泄洪洞与放空洞或导流洞就结合为一体。本发明既勿需修建竖井出口到两洞结合处的一段排水设施，又能够避免出现现有斜交方案中两洞结合处流态差的现象，并且还因对放空洞或导流洞的轴线走向没有具体的要求和限制，可根据地形地质条件，选择较优、较短的路径进行修建，因而可大大降低成本、缩短工程工期，达到快速投入运行的目的。
权利要求 :
1.一种竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞垂交布置的水工建筑物的组合，其特征在于该水工建筑物的组合是在放空洞或导流洞(1)的中闸室(2)后的无压段顶部通过垂直的旋流竖井(5)将泄洪洞(3)与放空洞或导流洞(1)进行相交布置，使在竖井(5)后的泄洪洞(3)与放空洞或导流洞(1)结合为一体，并使其中放空洞或导流洞(1)的宽度小于竖井旋流泄洪洞(3)的竖井(5)直径，且与竖井旋流的竖井(5)结合处的底板(6)高程高于竖井旋流泄洪洞的消力井(7)的底板(8)高程，同时竖井旋流泄洪洞(3)下部的消力井底板(8)高程要低于竖井后放空洞或导流洞(1)的底板(9)高程。
2.根据权利要求1所述的竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞垂交布置的水工建筑物的组合，其特征在于该水工建筑物的组合中竖井(5)后的泄洪洞(3)与放空洞或导流洞(1)结合处洞顶高于竖井(5)前放空洞或导流洞(1)与竖井(5)结合处的洞顶。
说明书 :
技术领域
本发明属于水利工程中泄洪洞与放空洞或导流洞布置形式的技术领域，具体涉及一种竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞进行垂直相交布置的水工建筑物的组合。
背景技术
在水电站设计中，由于工程进程先后的需要和受当地地形地质条件限制，往往不能同时布置开导流洞或/和放空洞与泄洪洞，因此就会在一个水利工程中同时布置出现导流洞或/和放空洞与泄洪洞，而在工程后期为了节省造价，又会考虑将这些导流洞或/和放空洞与泄洪洞等多条隧洞在某一位置合并，这就出现了通常所说的“两洞合一”、“三洞合一”的水工建筑物布置形式。
目前，在实际水电工程中较多采用竖井旋流泄洪洞下平段无压洞与放空洞或导流洞斜交，竖井旋流泄洪洞的后半段与放空洞或导流洞的无压段结合的布置形式。因为放空洞或导流洞的进口高程一般都比较低，而库区水位又比较高，造成放空洞或导流洞内的流速较大，在这种情况下流速对水工构筑物的形态很敏感，所以，要求放空洞或导流洞的洞轴线必须是直线，这样竖井旋流泄洪洞的无压段就只有以一定的角度与放空洞或导流洞斜交，而要能与之顺利斜交，就必须在泄洪洞旋流竖井后修建一段涵洞，才能与放空洞或导流洞相交连接，见图1，这势必要增加工程成本和延长工期。
如果在两洞结合处采用锐缘设计，那么对锐缘的处理要求非常高，如冶勒水电站要求该处必须用钢板衬护。另有一些工程中采取的措施是在两洞结合之前的一定距离将结合一侧的边墙分别内收δm，使得结合处的墙体要有2δm厚度(δ一般取0.5m)，这样就不需要采取特别的工程措施。
在实际运行中，由于泄洪洞与放空洞不会同时运行，当其中一个洞中的水流流至两洞结合处时，因一侧墙体突然消失，水体因失去墙体的约束作用，水流横向扩散以一定的夹角冲向放空洞的另一侧边墙，导致水体出现爬高现象。处理方法是在结合处两边墙的直墙顶部各设置一定长度的折流坎，折流坎的长度根据实际情况而定，且折流坎的迎水面须为圆面，才能够有效改善结合处水流流态。
目前，在实际水电工程中较多采用竖井旋流泄洪洞下平段无压洞与放空洞或导流洞斜交，竖井旋流泄洪洞的后半段与放空洞或导流洞的无压段结合的布置形式。因为放空洞或导流洞的进口高程一般都比较低，而库区水位又比较高，造成放空洞或导流洞内的流速较大，在这种情况下流速对水工构筑物的形态很敏感，所以，要求放空洞或导流洞的洞轴线必须是直线，这样竖井旋流泄洪洞的无压段就只有以一定的角度与放空洞或导流洞斜交，而要能与之顺利斜交，就必须在泄洪洞旋流竖井后修建一段涵洞，才能与放空洞或导流洞相交连接，见图1，这势必要增加工程成本和延长工期。
如果在两洞结合处采用锐缘设计，那么对锐缘的处理要求非常高，如冶勒水电站要求该处必须用钢板衬护。另有一些工程中采取的措施是在两洞结合之前的一定距离将结合一侧的边墙分别内收δm，使得结合处的墙体要有2δm厚度(δ一般取0.5m)，这样就不需要采取特别的工程措施。
在实际运行中，由于泄洪洞与放空洞不会同时运行，当其中一个洞中的水流流至两洞结合处时，因一侧墙体突然消失，水体因失去墙体的约束作用，水流横向扩散以一定的夹角冲向放空洞的另一侧边墙，导致水体出现爬高现象。处理方法是在结合处两边墙的直墙顶部各设置一定长度的折流坎，折流坎的长度根据实际情况而定，且折流坎的迎水面须为圆面，才能够有效改善结合处水流流态。
发明内容
本发明的目的是针对现有的带旋流竖井的泄洪洞与放空洞或导流洞的“两洞合一”的斜交水工布置形式存在的问题，提供一种全新的竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞进行垂直相交布置的水工形式。
本发明提供的竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞垂交布置的水工形式，其特征在于该水工形式是在放空洞或导流洞的中闸室后的无压段顶部通过旋流竖井将泄洪洞与放空洞或导流洞进行垂直相交布置，使在竖井后的泄洪洞和放空洞或导流洞结合为一体。
考虑到泄洪洞与放空洞或导流洞的结合处上游放空洞底板高程和出竖井处的底板高程如果相同，那么放空洞内的水体在挑过竖井直径的这段距离时，由于受到重力的作用，就会与竖井边壁发生碰撞，加之放空洞内水流流速又较大，很容易造成此处的空蚀破坏。为了保证洞内水体能保持良好的流态，避免水流撞击坚井井壁的现象，本发明还采取了以下技术措施：
(1)将该水工形式中放空洞或导流洞的宽度设计为小于竖井旋流泄洪洞的竖井段直径，且与竖井旋流的竖井结合处的底板高程高于竖井旋流泄洪洞消力井后的底板高程，同时竖井旋流泄洪洞下部的消力井底板高程要低于竖井后放空洞或导流洞的底板高程。
(2)将该水工形式中竖井后的泄洪洞和放空洞或导流洞结合处洞顶设计为高于竖井前放空洞或导流洞与竖井结合处的洞顶。
本发明与已有技术相比，具有以下优点：
1、由于本发明利用了竖井旋流泄洪洞中的竖井，将泄洪洞与放空洞或导流洞的连接设计为了垂交布置的水工形式，因而可以取代现有的“两洞合一”、“三洞合一”中的斜交方案，勿需修建竖井出口到两洞结合处这段排水设施，既能节省工程造价、加快工程进度、又能缩短工程工期，是一个有推广价值的方案，可以为其它类似的水利工程建设提供一种新的思路和新的方法。
2、由于本发明利用了竖井旋流泄洪洞中的竖井，将泄洪洞与放空洞或导流洞的连接设计为了垂交布置的水工形式，因而不会出现泄洪洞与放空洞或导流洞呈一定夹角交汇的情况，也不用特别去处理交汇处的水流流态，避免了现有的“两洞合一”、“三洞合一”斜交方案中所必须采取的一些工程措施，即钢板衬护或增厚结合处的墙体和设置一定长度的折流坎，这可进一步节省工程造价、加快工程进度和缩短工程工期。
3、由于本发明将水工形式中放空洞或导流洞的宽度设计为小于泄洪洞竖井旋流涡室的竖井段直径，且与竖井旋流涡室结合处的底板高程高于竖井旋流涡室消力井后的底板高程，同时竖井旋流泄洪洞下部的消力井底板高程要低于放空洞的底板高程，因而使得放空洞或导流洞在垂直穿过竖井时，因与竖井结合处底板是断开的，放空洞内的水体需要挑过竖井直径那么长的一段距离后才与竖井泄洪洞下平段底板接触，使其碰撞后产生的水翅既不会冲击到洞顶，更不可能与竖井边壁发生碰撞，避免了空蚀破坏。
4、由于本发明将泄洪洞与放空洞或导流洞的相交连接位置设计在放空洞或导流洞的中闸室后，因而还可利用中闸室调节进入竖井处水体的流量，以避免产生的水翅威胁到洞顶的问题。
5、由于本发明采用了垂交布置的水工形式，因而对于放空洞或导流洞的轴线走向没有具体的要求和限制，在设计时可以避开不利的地形地质条件，选择较优的路径，还可以在满足施工要求和相应规范的基础上，选择较短的路径建造，从而可以降低成本、缩短工程工期，使之尽快地投入运行，为国民生产创造出更大的经济效益。
本发明提供的竖井旋流泄洪洞与放空洞或导流洞垂交布置的水工形式，其特征在于该水工形式是在放空洞或导流洞的中闸室后的无压段顶部通过旋流竖井将泄洪洞与放空洞或导流洞进行垂直相交布置，使在竖井后的泄洪洞和放空洞或导流洞结合为一体。
考虑到泄洪洞与放空洞或导流洞的结合处上游放空洞底板高程和出竖井处的底板高程如果相同，那么放空洞内的水体在挑过竖井直径的这段距离时，由于受到重力的作用，就会与竖井边壁发生碰撞，加之放空洞内水流流速又较大，很容易造成此处的空蚀破坏。为了保证洞内水体能保持良好的流态，避免水流撞击坚井井壁的现象，本发明还采取了以下技术措施：
(1)将该水工形式中放空洞或导流洞的宽度设计为小于竖井旋流泄洪洞的竖井段直径，且与竖井旋流的竖井结合处的底板高程高于竖井旋流泄洪洞消力井后的底板高程，同时竖井旋流泄洪洞下部的消力井底板高程要低于竖井后放空洞或导流洞的底板高程。
(2)将该水工形式中竖井后的泄洪洞和放空洞或导流洞结合处洞顶设计为高于竖井前放空洞或导流洞与竖井结合处的洞顶。
本发明与已有技术相比，具有以下优点：
1、由于本发明利用了竖井旋流泄洪洞中的竖井，将泄洪洞与放空洞或导流洞的连接设计为了垂交布置的水工形式，因而可以取代现有的“两洞合一”、“三洞合一”中的斜交方案，勿需修建竖井出口到两洞结合处这段排水设施，既能节省工程造价、加快工程进度、又能缩短工程工期，是一个有推广价值的方案，可以为其它类似的水利工程建设提供一种新的思路和新的方法。
2、由于本发明利用了竖井旋流泄洪洞中的竖井，将泄洪洞与放空洞或导流洞的连接设计为了垂交布置的水工形式，因而不会出现泄洪洞与放空洞或导流洞呈一定夹角交汇的情况，也不用特别去处理交汇处的水流流态，避免了现有的“两洞合一”、“三洞合一”斜交方案中所必须采取的一些工程措施，即钢板衬护或增厚结合处的墙体和设置一定长度的折流坎，这可进一步节省工程造价、加快工程进度和缩短工程工期。
3、由于本发明将水工形式中放空洞或导流洞的宽度设计为小于泄洪洞竖井旋流涡室的竖井段直径，且与竖井旋流涡室结合处的底板高程高于竖井旋流涡室消力井后的底板高程，同时竖井旋流泄洪洞下部的消力井底板高程要低于放空洞的底板高程，因而使得放空洞或导流洞在垂直穿过竖井时，因与竖井结合处底板是断开的，放空洞内的水体需要挑过竖井直径那么长的一段距离后才与竖井泄洪洞下平段底板接触，使其碰撞后产生的水翅既不会冲击到洞顶，更不可能与竖井边壁发生碰撞，避免了空蚀破坏。
4、由于本发明将泄洪洞与放空洞或导流洞的相交连接位置设计在放空洞或导流洞的中闸室后，因而还可利用中闸室调节进入竖井处水体的流量，以避免产生的水翅威胁到洞顶的问题。
5、由于本发明采用了垂交布置的水工形式，因而对于放空洞或导流洞的轴线走向没有具体的要求和限制，在设计时可以避开不利的地形地质条件，选择较优的路径，还可以在满足施工要求和相应规范的基础上，选择较短的路径建造，从而可以降低成本、缩短工程工期，使之尽快地投入运行，为国民生产创造出更大的经济效益。
附图说明
图1为已有的放空洞或导流洞与泄洪洞斜交布置形式的平面示意图；图2为本发明垂交布置形式的平面示意图；图3为本发明垂交布置形式的放空洞或导流洞与泄洪洞结合处的剖面结构示意图。
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。
本发明给出的实施例是在由放空洞或导流洞1和设置有竖井旋流消能的泄洪洞3组成的水工设施的基础上，将泄洪洞3直接通过设置的竖井5，与位于下方放空洞或导流洞1中闸室2后的顶部垂直相交连通，使之在竖井5后泄洪洞3与放空洞或导流洞1就结合为一体，见图2、3，并在放空洞或导流洞1即将进入竖井5处的某段距离上就外扩边墙，使入竖井5前的一段放空洞1整体呈“喇叭”形，在出竖井5后的一段距离又采用先扩后收，末端与放空洞1宽度一样，整体呈倒“喇叭”形，以使该流段形成无压段，减小水体对底板9的冲刷破坏和空蚀破坏。另外，为了保证水体能保持良好的流态和避免出现水流撞击坚井5井壁的现象，本实施例还采取将放空洞或导流洞1的宽度修建为小于竖井旋流涡室4的竖井5段直径，且使与竖井旋流的竖井5结合处的底板6高程高于竖井旋流涡室消力井7后的底板8高程，同时竖井旋流涡室下部的消力井7底板8高程要低于竖井5后放空洞或导流洞1的底板9高程，包括竖井5后的泄洪洞3与放空洞或导流洞1结合处洞顶高于竖井5前放空洞或导流洞1与竖井5结合处的洞顶等技术措施。
本发明给出的实施例是在由放空洞或导流洞1和设置有竖井旋流消能的泄洪洞3组成的水工设施的基础上，将泄洪洞3直接通过设置的竖井5，与位于下方放空洞或导流洞1中闸室2后的顶部垂直相交连通，使之在竖井5后泄洪洞3与放空洞或导流洞1就结合为一体，见图2、3，并在放空洞或导流洞1即将进入竖井5处的某段距离上就外扩边墙，使入竖井5前的一段放空洞1整体呈“喇叭”形，在出竖井5后的一段距离又采用先扩后收，末端与放空洞1宽度一样，整体呈倒“喇叭”形，以使该流段形成无压段，减小水体对底板9的冲刷破坏和空蚀破坏。另外，为了保证水体能保持良好的流态和避免出现水流撞击坚井5井壁的现象，本实施例还采取将放空洞或导流洞1的宽度修建为小于竖井旋流涡室4的竖井5段直径，且使与竖井旋流的竖井5结合处的底板6高程高于竖井旋流涡室消力井7后的底板8高程，同时竖井旋流涡室下部的消力井7底板8高程要低于竖井5后放空洞或导流洞1的底板9高程，包括竖井5后的泄洪洞3与放空洞或导流洞1结合处洞顶高于竖井5前放空洞或导流洞1与竖井5结合处的洞顶等技术措施。