用于生态流量泄放的竖井旋流式内消能工

摘要

本发明涉及一种用于生态流量泄放的竖井旋流式内消能工，和、属于水利水电工程生态流量泄放的内消能工。涡室的顶部正中有通气孔，涡室下方经过竖井收缩段与竖井连接，涡室进口引水段与涡室的侧面连接。优点是结构新颖，与常规的消能技术相比较，其竖井式旋流消能布置灵活，对工程地质条件的适应性强，消能率高，可达85%以上，同常规的消能阀室方案相比较，可节约投资1000余万元，工程效益显著，具有广泛的推广价值。

权利要求

1.一种用于生态流量泄放的竖井旋流式内消能工，涡室的顶部正中有通气孔，涡室下方经过竖井收缩段与竖井连接，涡室进口引水段与涡室的侧面连接；

所述的竖井直径D的确定：式中：

D——竖井直径(m)；

Q——设计流量(m)，取4.4m3/s；

g——重力加速度，取g＝9.8(m/s2)；

k——修正系数，取1～1.25；

涡室直径Dv的确定：Dv＝1.2D～1.4D；

所述的涡室进口引水段的采用椭圆收缩型，涡室同涡室进口引水段的一侧边墙采用

1/4椭圆曲线连接，椭圆长轴a＝1.2Dv，短轴b＝0.75Dv；其特征在于：涡室进水口高度Y1的确定：Y1＝3.0～3.5D；

涡室进水口宽度B的确定：B＝0.4～0.5Dv；

涡室高度Y2的确定：Y2＝1.15～1.35Y1；

竖井收缩段高度LS的确定：LS＝(5.0～6.0)(Dv-D)；

竖井的最小高度H的确定：H＝2.0～2.5H0式中：

H0是水库正常蓄水位与涡室进水口底板位置的高程差值。

说明书

用于生态流量泄放的竖井旋流式内消能工

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于水利水电工程生态流量泄放的新型内消能工，具体说为目前3
国内外最小流量、仅为4.4m/s的竖井旋流内消能工。

背景技术

[0002] 在水电站开发建设过程中，过去考虑较多的是区域经济的发展和发电效益，而对保护生态水环境考虑的较少，建设水利水电工程引起的下游河段水环境恶化等问题，已越来越引起社会各界的关注，特别是引水式及混合式水电站，由于其大坝与发电厂房之间会形成一定的减（脱）水段，减（脱）水段的形成必然会给下游生态环境造成一定的影响。为维护河流的基本生态需求，必须下泄一定的生态流量，从而满足下游生态环境需水量的要求，实现水资源开发与保护、人与自然的和谐发展。

[0003] 国外对生态流量需水量的研究始于二十世纪40年代，近十年来，国内对这方面的研究工作开展的也比较多。生态流量的泄放涉及到泄水消能的问题，在目前国内外水利水电工程的实践中，生态流量的下泄一般多采取在大机组之外单独设置小机组来承担生态流量泄放的任务，同时可发挥一定的经济效益；或单独设置生态流量泄放设施，通常在生态流量泄放通道末端设置消能阀室；或结合枢纽工程的引水、泄流等永久设施，修建、改建生态流量泄放设施。

[0004] 一种应用于泄水建筑物内部的旋流式内消能技术是解决泄水消能的有效途径，在国外虽已开展了该消能工的研究，并已取得良好的效果，这些工程的研究和实践，也为发展旋流内消能工奠定了基础，但这些工程应用的泄流量和水头范围还不能完全适应我国水利水电工程多处于狭窄河谷地区所具有的水头、流量等特点。

[0005] 关于旋流式内消能工的研究与工程应用在国外开始于20世纪50~60年代，俄国、意大利和法国对旋流式内消能工进行过研究与实践，最大落差已达142m，虽然国外开展这方面工作较早，但迄今仍缺乏系统的实践经验。在国内，旋流式内消能的研究开始于80年代末期，并逐渐成为研究与工程方案论证的热点，中国水科院、南京水科院、河海大学、大连理工大学和西安理工大学等科研机构和高校在不同程度上对旋流式内消能做了研究，1995年由中国水科院结合四川沙牌工程对适合于超临界流的竖井体型结构进行了试验研究并3
得到应用，其最大泄流量为240 m/s，这是我国最早利用竖井旋流式泄洪洞作为泄水建筑物的工程。在此之后，中国水科院在国家“九五”重点科技攻关项目“小湾工程大型导流洞改建为泄洪洞的关键技术研究”中，通过模型试验研究导流洞改建旋流式竖井泄洪洞的工程布置，提出了适应工程特点的上下游水力衔接方式，从而论证了其在小湾工程中的可行性，提出了一些具有建设性的思想。尽管旋流式内消能的实际工程不多，但由于其具有许多优点，因此对这方面的研究的确不少，这些研究给旋流式内消能技术在实际工程中的应用提供了大量的理论支撑，也为这种消能型式今后的发展开辟了道路，特别是对于竖井旋流式内消能的体型的研究和发展起到了巨大的推动作用。

[0006] 竖井旋流式内消能工是利用在竖井中使水流旋转消除部分能量的一种消能措施。旋转水流可有效地降低泄水道的流速，可以避免超高速水流发生，并可以消煞部分或大部分水流能量，减轻下游的消能负担。这对改善大坝下游流态，保护下游环境，保障下游河道安全，岸坡稳定及防止有关建筑物的淘刷破坏等均有积极作用，并把大面积承受高速或超高速水流的区域变为小面积承受，有利于采用工程措施解决超高速水流所带来的问题。竖井旋流式内消能工改变了将水流所携带的巨大能量传递到下游的传统思维，而是将水流的部分或大部分能量消煞在建筑物内，仅使极小部分能量传递至下游，这是消能观念上的一个转变。

[0007] 竖井旋流内消能工技术已在国内的两项工程中采用，但均用于泄洪消能建筑物的布置上，迄今为止国内外还没有将此技术应用在生态流量泄放建筑物布置上的先例，且生3
态流量泄放工程具有流量小、闸门开度小的特点，泄放流量仅为4.4m/s，且生态流量泄放消能设施的运用工况也与其它已采用的泄洪消能工程有很大差异，竖井旋流消能用在泄洪建筑物时，使用的频率不是很高，但作为生态流量泄放时，则需要全部时段都运行使用。

[0008] 旋流式内消能工目前尚无任何设计规范可作为依据，开展进一步的讨论和研究是必要的。因此，研究探讨应用于生态流量泄放（小流量）的竖井旋流内消能工技术已成为设计和科研人员非常关注的问题。

发明内容

[0009] 本发明提供一种用于生态流量泄放的竖井旋流式内消能工，以解决目前没有适合小流量的内消能工的问题。

[0010] 本发明采取的技术方案是：

[0011] 涡室的顶部正中有通气孔，涡室下方经过竖井收缩段与竖井连接，涡室进口引水段与涡室的侧面连接；

[0012] 所述的竖井直径D的确定：

[0013]

[0014] 式中：

[0015] D——竖井直径（m）；

[0016] Q——设计流量，取4.4m3/s；

[0017] g——重力加速度，取g=9.8（m/s2）；

[0018] k——修正系数，取1~1.25；

[0019] 涡室直径Dv的确定：

[0020] Dv=1.2 D ~1.4D；

[0021] 所述的涡室进口引水段的采用椭圆收缩型，涡室同涡室进口引水段的一侧边墙采用1/4椭圆曲线连接，椭圆长轴a=1.2 Dv，短轴b=0.75 Dv；

[0022] 涡室进水口高度Y1的确定：

[0023] Y1=3.0~3.5D；

[0024] 涡室进水口宽度B的确定：

[0025] B=0.4 ~0.5Dv；

[0026] 涡室高度Y2的确定：

[0027] Y2=1.15~1.35 Y1；

[0028] 竖井收缩段高度LS的确定：

[0029] LS=（5.0~6.0）（Dv - D）；

[0030] 竖井的最小高度H的确定：

[0031] H=2.0~2.5H0

[0032] 式中：

[0033] H0是水库正常蓄水位与涡室进水口底板位置5的高程差值。

[0034] 本发明的优点是结构新颖，与常规的消能技术相比较，其竖井式旋流消能布置灵活，对工程地质条件的适应性强，消能率高，可达85%以上，同常规的消能阀室方案相比较，可节约投资1000余万元，工程效益显著，具有广泛的推广价值。从项目的创新技术、研究的深度广度以及达到的效果分析，本研究成果和应用水平总体达到了国际领先水平。

[0035] 竖井旋流式内消能工是高坝施工导流洞改建为泄洪洞的可行方案的观点已被大多数设计与研究者所接受，但作为生态流量泄放还是首次应用，属国内外首创，为国内外迄3
今为止最小流量4.4m/s的竖井旋流内消能工，为小流量竖井旋流消能应用的第一例。

[0036] 将导流洞改建成永久生态流量泄放设施，表明在我国竖井旋流内消能技术已在生态流量泄放工程（小流量）中进入实际应用阶段，但应加强竖井旋流式内消能工的理论与应用基础性方面的研究以及相关设计规范的制定，本发明不仅对本工程的安全运行有重要的价值，而且对新建的类似工程有重要的推广应用价值和指导作用，同时也促进了旋流式消能技术在中国水利水电工程中的应用，在我国旋流式内消能工设计、研究与工程应用中具有里程碑的意义，将会有力地推动这一新的内消能型式在工程上的应用，从而为解决高坝建设中生态流量泄放建筑物的高速水流问题与导流洞改建中的技术与经济问题提供工程实例。

附图说明

[0037] 图1是本发明的结构示意图；

[0038] 图2是本发明涡室与进口引水段的俯视图。

具体实施方式

[0039] 实施例1：

[0040] 涡室1的顶部正中有通气孔6，涡室下方经过竖井收缩段2与竖井3连接，涡室进口引水段4与涡室1的侧面连接；

[0041] 所述的竖井3直径D的确定：

[0042]

[0043] 式中：

[0044] D——竖井直径；

[0045] Q——设计流量，取4.4m3/s；

[0046] g——重力加速度，取g=9.8（m/s2）；

[0047] k——修正系数，取k =1；

[0048] 涡室1直径Dv的确定：

[0049] Dv=1.2 D；

[0050] 所述的涡室进口引水段4的采用椭圆收缩型，涡室同涡室进口引水段的一侧边墙采用1/4椭圆曲线连接，椭圆长轴a=1.2 Dv，短轴b=0.75 Dv；

[0051] 涡室进水口高度Y1的确定：

[0052] Y1=3.0D；

[0053] 涡室进水口宽度B的确定：

[0054] B=0.4 Dv；

[0055] 涡室高度Y2的确定：

[0056] Y2=1.15 Y1；

[0057] 竖井收缩段2高度LS的确定：

[0058] LS=5.0Dv - D）；

[0059] 竖井的最小高度H的确定：

[0060] H=2.0H0

[0061] 式中：

[0062] H0是水库正常蓄水位与涡室进水口底板位置5的高程差值。

[0063] 实施例2：

[0064] 涡室1的顶部正中有通气孔6，涡室下方经过竖井收缩段2与竖井3连接，涡室进口引水段4与涡室1的侧面连接；

[0065] 所述的竖井3直径D的确定：

[0066]

[0067] 式中：

[0068] D——竖井直径；

[0069] Q——设计流量，取4.4m3/s；

[0070] g——重力加速度，取g=9.8（m/s2）；

[0071] k——修正系数，取k= 1.12；

[0072] 涡室1直径Dv的确定：

[0073] Dv=1.3D；

[0074] 所述的涡室进口引水段4的采用椭圆收缩型，涡室同涡室进口引水段的一侧边墙采用1/4椭圆曲线连接，椭圆长轴a=1.2 Dv，短轴b=0.75 Dv；

[0075] 涡室进水口高度Y1的确定：

[0076] Y1=3.2D；

[0077] 涡室进水口宽度B的确定：

[0078] B=0.45Dv；

[0079] 涡室高度Y2的确定：

[0080] Y2=1.25 Y1；

[0081] 竖井收缩段2高度LS的确定：

[0082] LS=5.5（Dv - D）；

[0083] 竖井的最小高度H的确定：

[0084] H=2.25H0

[0085] 式中：

[0086] H0是水库正常蓄水位与涡室进水口底板位置5的高程差值。

[0087] 实施例3：

[0088] 涡室1的顶部正中有通气孔6，涡室下方经过竖井收缩段2与竖井3连接，涡室进口引水段4与涡室1的侧面连接；

[0089] 所述的竖井3直径D的确定：

[0090]

[0091] 式中：

[0092] D——竖井直径；

[0093] Q——设计流量，取4.4m3/s；

[0094] g——重力加速度，取g=9.8（m/s2）；

[0095] k——修正系数，取k =1.25；

[0096] 涡室1直径Dv的确定：

[0097] Dv==1.4D；

[0098] 所述的涡室进口引水段4的采用椭圆收缩型，涡室同涡室进口引水段的一侧边墙采用1/4椭圆曲线连接，椭圆长轴a=1.2 Dv，短轴b=0.75 Dv；

[0099] 涡室进水口高度Y1的确定：

[0100] Y1=3.5D；

[0101] 涡室进水口宽度B的确定：

[0102] B=0.5Dv；

[0103] 涡室高度Y2的确定：

[0104] Y2=1.35 Y1；

[0105] 竖井收缩段2高度LS的确定：

[0106] LS=6.0（Dv - D）；

[0107] 竖井的最小高度H的确定：

[0108] H=2.5H0

[0109] 式中：

[0110] H0是水库正常蓄水位与涡室进水口底板位置5的高程差值。