專利名稱：一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，是一種水利防洪泄水的
裝置，是一種用于水庫泄洪洞防蝕和消能的裝置。
背景技術(shù)：
修建大壩主要是為了防洪、發(fā)電、城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉等目的，而泄洪結(jié)構(gòu)設(shè)施是 汛期保證大壩安全的重要樞紐組成部分。對于一個好的泄水結(jié)構(gòu)設(shè)施它必需滿足運行安全 可靠、工程投資少和不破壞下游生態(tài)環(huán)境的要求。我國的大、中型水庫有數(shù)萬座，其中大部 分是土石壩，達不到防洪標準的工程為數(shù)不少，特大洪水到來時，往往因泄洪能力不足，或 因閘門打不開，發(fā)生洪水漫溢潰壩現(xiàn)象，給人民生命財產(chǎn)造成滅頂之災(zāi)，如1975年8月河南 的板橋和石漫灘水庫垮壩事件對我國政治、經(jīng)濟和社會帶來極大的負面影響，廣西石大開 水庫在洪水來臨時，閘門打不開，洪水位猛漲，正在水流要漫壩的瞬間，閘門被洪水沖垮，避 免了一場大災(zāi)難。國內(nèi)外垮壩事件很多，特別是中小型水庫不計其數(shù)。為防止垮壩事件的 發(fā)生，除在水壩附近建造溢流設(shè)施外。有時需增建一條非常溢洪道，這種溢流設(shè)施通常利用 建造水壩時的導(dǎo)流洞(水壩完成后即廢棄)增加一條豎井，在豎井上設(shè)環(huán)形堰的進水口形 成泄洪洞。堰頂高程即水庫正常水位，當(dāng)水位高于正常水位時泄洪洞開始泄洪。種種傳統(tǒng) 的環(huán)形溢流堰豎井式泄洪洞(美國稱Morning-glory spillway)，在20世紀40 50年代 美國修建很多，其主要缺點是 (1)為了適應(yīng)設(shè)計流量，在環(huán)形堰頂設(shè)分流墩，而為了防止由于開挖地形引起的漩 渦對泄流能力的影響，還需要專門設(shè)置防漩墩。 (2)環(huán)形堰下的豎井普遍存在較大的負壓，除此之外，豎井與出水洞連接的頂部負 壓更大易發(fā)生空蝕破壞，還有洞內(nèi)流速高(總水頭100 200m，流速38 50m/s)，也易發(fā) 生空蝕破壞，而在洞的出口采用挑流坎射流產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，破壞生態(tài)環(huán)境。 (3)已往為了解決豎井的空蝕問題，將整體豎井從上到下改成逐漸收縮斷面，以增 加壓力(美國)，或在豎井上部設(shè)置環(huán)形通氣坎，在出水洞的進口頂部和底板設(shè)置摻氣坎和 通氣槽(前蘇聯(lián))。 (4)雖然多處設(shè)置了摻氣設(shè)施，在與出水洞連接段的底板上也有發(fā)生空蝕破壞的 可能性(如我國二灘"泄洪洞)。
(5)通氣管道系統(tǒng)復(fù)雜，增加施工困難，不經(jīng)濟。 在導(dǎo)流洞中也要設(shè)置消能設(shè)施，傳統(tǒng)的消能設(shè)施是在豎井的洞底部位開挖消力 井，在豎井與導(dǎo)流洞連接的部位的導(dǎo)流洞頂設(shè)置反向收縮坎(或稱壓板)，同時設(shè)通氣井， 目的是增加消能效果和保持下游形成穩(wěn)定的明流流態(tài)。通過許多試驗證明這種設(shè)施對消能 率的增加甚小(不到2% )，洞內(nèi)水面波動也較大。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本實用新型提出一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，或者稱為旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪設(shè)施。所述的設(shè)施的目的是為水電站水庫提供一種 可靠的高效率防蝕、消能的新型泄洪建筑物。本實用新型所述裝置是利用環(huán)形堰易發(fā)生漩 渦的機理，巧妙地利用幾個導(dǎo)流墩使環(huán)形堰進水口和豎井形成穩(wěn)定的螺旋流流態(tài)，增加壁 面壓力并摻入大量空氣，在豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍，與洞內(nèi)水墊聯(lián)合消能，達到防蝕和提高 消能率的目的。 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，所述的 裝置包括一個豎井，所述豎井底部與水平的消能洞相貫連接，所述消能洞與導(dǎo)流洞貫通 連接，所述的豎井的進口處設(shè)置環(huán)形堰，所述環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成光滑的收縮型曲面 連接；所述環(huán)形堰外設(shè)置幾個導(dǎo)流墩，所述導(dǎo)流墩的中心線與環(huán)形堰的切線成大于或等于 0°小于45°的夾角；所述的豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；所 述的消能洞設(shè)置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。 本實用新型產(chǎn)生的有益效果是使環(huán)形堰產(chǎn)生穩(wěn)定的帶有空腔的螺旋流運動是本 實用新型的基礎(chǔ)，它不同于現(xiàn)有的渦室或起旋室需要修建一專門的起旋結(jié)構(gòu)物，而是利用 幾個導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊相切或成一小角度連接，使水流旋轉(zhuǎn)，在豎井內(nèi)形成螺旋流運動。 其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，投資少，不用維修，防蝕和消能效果好，泄洪洞出口不產(chǎn)生霧化現(xiàn) 象，保護生態(tài)環(huán)境。 本實用新型所述的旋流環(huán)形堰豎井式泄洪道是最靈活的防洪泄水設(shè)施，它很適用 于緊急泄洪，防止洪水漫壩，其主要特點是 (1)環(huán)形堰頂高程為正常高水位(堰上水頭一般小于5m)，不設(shè)置閘門，洪水到達 堰頂時自動下泄流量。
(2)利用幾道導(dǎo)流墩使環(huán)形堰產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流進入豎井，形成帶有空腔的螺旋流運動， 吸入大量空氣，消能效果好，并可防止結(jié)構(gòu)物發(fā)生空蝕破壞。(3)豎井底部不用開挖消力井，可節(jié)省開支。
(4)在消能洞中有集水墩、水墊塘、收縮墩組成的消能設(shè)施十分有效。 采用環(huán)形堰和豎井的旋流加消能洞內(nèi)水墊旋滾流聯(lián)合消能的結(jié)果，消能率高，總
消能率可達90% ，泄洪洞出口無霧化現(xiàn)象，可防止河床沖刷和生態(tài)植被破壞，出口不用澆筑
挑流坎，整個設(shè)施更加簡化。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。


圖1是本實用新型實施例一所述的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置示意圖； 圖2是本實用新型實施例五所述的集水墩示意圖，是
圖1的C-C剖面圖； 圖3是本實用新型實施例七所述的收縮墩示意圖，是
圖1的D-D剖面圖； 圖4是
圖1的A-A剖面示意圖； 圖5是本實用新型實施例二所述的五個導(dǎo)流墩的示意圖； 圖6是本實用新型實施例二所述的八個導(dǎo)流墩的示意圖； 圖7是本實用新型實施例九所述的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法的水流示意 圖； 圖8是圖7的E-E剖面圖。
具體實施方式
實施例一 本實施例是一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，如
圖1、4所示。本實施例所 述的裝置包括一個豎井10，豎井底部與水平的消能洞相貫連接，消能洞與導(dǎo)流洞9貫通連 接，豎井的進口處設(shè)置環(huán)形堰1 ，環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成光滑的收縮型曲面連接，形成縮 口2。環(huán)形堰外設(shè)置若干導(dǎo)流墩3，導(dǎo)流墩的中心線與環(huán)形堰的切線成大于或等于0。，小 于45°的夾角。豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間5，見
圖1、4所示。 消能洞設(shè)置有集水墩6和收縮墩8，集水墩和收縮墩之間是水墊塘7。 本實施例由旋流環(huán)形堰、豎井、消能洞和導(dǎo)流洞組成。其中的導(dǎo)流洞是原水壩施工 時建造的，用于將上游的水流引到下游，以便水壩施工，水壩建造完工即廢棄。這種導(dǎo)流洞 的截面通常是城門洞型，即頂部為半圓形，下部為矩形。導(dǎo)流洞改造為水平旋流泄洪洞時通 常要對城門洞型的截面進行改造，例如改造為圓形截面，但本實施例無需對導(dǎo)流洞的截面 進行任何改造。本實施例在大壩上游開挖豎井，與原導(dǎo)流洞相貫連接，在連接部位將上游的 一段導(dǎo)流洞用混凝土塞4堵死，并在下游的導(dǎo)流洞中簡單的改造，形成消能洞和出水引導(dǎo) 水道，為方便起見將出水引導(dǎo)水道還稱為導(dǎo)流洞?；炷寥⒉皇蔷o挨在豎井的井壁設(shè)置， 而是留有一定的空間，以便下落的水流在這個空間中產(chǎn)生旋滾流，有一定的消能作用。 本實施例的進水口采用環(huán)形堰，而不需要采用專門的渦室或起旋室。傳統(tǒng)的環(huán)形 堰總是擔(dān)心產(chǎn)生影響泄洪的漩渦水流，因此，往往設(shè)置防旋墩阻止水流在進入豎井時產(chǎn)生 漩渦。而本實施例反其道而行之，利用導(dǎo)流墩產(chǎn)生漩渦水流，利用漩渦水流進行摻氣和形成 環(huán)形水躍，產(chǎn)生消能作用。只要豎井的直徑設(shè)計合理，不會影響泄洪能力。本實施例采用數(shù) 道導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊相切或成一角度布置，導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)和平面布置遵守流體力學(xué)的原理 和規(guī)律。環(huán)形堰導(dǎo)流墩的數(shù)量越多旋流效果越好，但流量系數(shù)相應(yīng)會減小，即流量會減少， 一般墩的數(shù)量取4 8個，導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊切線的夾角對流量系數(shù)影響也較大，角度越 大流量系數(shù)越大，反之就越小，通常夾角取0 30。，(圖4中采用10。角)如墩子數(shù)量多 時，為了增加流量系數(shù)可將角度放大一些。環(huán)形堰上水頭H與堰半徑Rh之比對流量系數(shù)也 影響較大，當(dāng)H/Rh > 0. 5時開始變成淹沒流，而當(dāng)H/Rh < 0. 4時開始形成自由流，前者的流 量系數(shù)小于0. 3，后者要大于0. 35，視導(dǎo)流墩的數(shù)量和夾角而變化。 傳統(tǒng)的設(shè)計在環(huán)形堰和豎井的聯(lián)系部位使用復(fù)雜的曲面形狀，建造比較復(fù)雜，而
本實施例采用環(huán)形堰斷面為1/4橢圓曲線同豎井連接。由于旋流離心力的作用使壁面壓力
升高，可防止發(fā)生空蝕，同時在豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍加大了消能力度。 豎井下部直接與原導(dǎo)流洞相貫連接，在原導(dǎo)流洞與豎井相貫處附近澆注集水墩形
成水墊，而在集水墩下游澆注收縮墩形成水墊塘，總稱為消能洞，消能洞下游直接連接原導(dǎo)
流洞。集水墩是設(shè)在消能洞進口的底板上，自然形成一水墊，高速水流從集水墩頂部射流到
由收縮墩構(gòu)成的水墊塘內(nèi)，而收縮墩的兩側(cè)墩產(chǎn)生立軸漩渦，中墩產(chǎn)生橫向漩滾流，致使壓
力消能洞的消能率達40%左右，再加上豎井旋流和環(huán)狀水躍的消能作用，泄洪洞總消能率
可達90%。 為說明下面舉一個實現(xiàn)的設(shè)計例假設(shè)某水利樞紐的擋水壩為堆石面板壩，除修 建泄洪和放空洞外，按MPF (最大可能洪水量)洪水標準需要利用導(dǎo)流洞改建一條環(huán)形堰豎 井式非常泄洪洞。該工程基本資料最大泄量9= 1300mVs，堰上水頭H二4.8m，總水頭Z=120m，導(dǎo)流洞尺是寬13m、高15m城門洞形斷面。 根據(jù)旋流環(huán)形堰防蝕、消能泄洪結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，首先按四個導(dǎo)流墩設(shè)計旋流環(huán) 形堰，墩子與環(huán)形堰圓周切線夾角取10° ，當(dāng)H/Rh = 0. 22時，流量系數(shù)m " 0. 4，計算環(huán)形
堰半徑Rh:
16. 5m， 環(huán)形堰直徑Dh = 33m， 豎井直徑， = (^)固=(l^_)(u = 11.15m取d = llm， g 9,81 ， 環(huán)形堰斷面尺寸采用1/4橢圓曲線(x7a2+y7b2 = 1)，首先確定橢圓曲線短半軸
b《D(D-豎井直徑)，長半軸a " 2b。 消能洞的集水墩和收縮墩的特點是 1)墩的體型為三角形，其背水坡為垂直面，使負壓渦脫離結(jié)構(gòu)物，再加上自然摻 氣，確保結(jié)構(gòu)物不發(fā)生空蝕； 2)保持各墩的過流面積約等于豎井截面積的一半，若過流面積太小，由于雍水在 豎井和消能洞進口段將會產(chǎn)生不穩(wěn)定渦線流態(tài)，可能引起結(jié)構(gòu)物振動，同時降低泄流能力， 若收縮面積太大，則進口洞段不能形成壓力消能工，使消能率大為降低。
實施例二 本實施例是實施例一的改進，是實施例一關(guān)于導(dǎo)流墩的改進。本實施例所述的導(dǎo) 流墩數(shù)為4 8個。 圖4所示的是4個導(dǎo)流墩的情況。圖5是五個導(dǎo)流墩的情況。圖6是八個導(dǎo)流墩 的情況。
實施例三 本實施例是實施例二的改進，是實施例二關(guān)于導(dǎo)流墩的改進。本實施例所述的截 面形狀是矩形303連接楔形302，導(dǎo)流墩離環(huán)形堰近端的楔形頭部301呈鈍圓型，導(dǎo)流墩的 矩形尾部304呈圓形，如圖4所示。 導(dǎo)流墩更準確的說應(yīng)該是導(dǎo)流墻，類似一堵短墻。短墻的截面形狀是矩形的。為 使導(dǎo)流效果更好，本實施例采用的一種頭部為楔形，楔形的角度比較尖銳，楔形的尖端以一 段圓弧過渡。為使水流順暢，導(dǎo)流墩的所有棱角均使用圓弧過渡。 實施例四 本實施例是實施例三的改進，是實施例三關(guān)于環(huán)形堰的改進。本實施例所述的環(huán) 形堰外緣102的斷面呈圓形曲線形，環(huán)形堰內(nèi)緣101與豎井連接的斷面曲線呈橢圓曲線形， 見圖l所示。 環(huán)形堰的外緣使用簡單的圓弧曲線，建造方便。環(huán)形堰的內(nèi)緣與豎井的連接面使 用四分之一橢圓曲線回轉(zhuǎn)獲得的曲面，形成收縮口。環(huán)形堰內(nèi)緣的斷面的橢圓曲線(x7 a2+y2/b2 = 1)十分簡單，施工方便。
實施例五
')_ = W.66m 取 r[0053] 本實施例是實施例四的改進，是實施例四關(guān)于集水墩的改進，如圖2所示。本實施 例所述的集水墩設(shè)置在消能洞的底板上。集水墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡601。 集水墩的迎水面與水平線呈30 45°角，背水面與水平線垂直。 實施例六 本實施例是實施例五的改進，是實施例五關(guān)于集水墩的改進。本實施例所述的集
水墩的截流面積等于豎井截面積的一半。 實施例七 本實施例是實施例六的改進，是實施例六關(guān)于收縮墩的改進，如圖3所示。本實施 例所述的收縮墩設(shè)置在消能洞的底板上803和兩側(cè)洞壁上801 。收縮墩截面呈三角形，頂部 截去，形成小斜坡802。收縮墩迎水面與水平線呈30 45。角，背水面與水平線垂直。 實施例八 本實施例是實施例七的改進，是實施例七關(guān)于導(dǎo)流墩的改進。本實施例所述的收
縮墩的截流面積等于豎井截面積的一半。
實施例九 本實施例是一種使用上述實施例所述裝置的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法如 圖7、8所示。本實施例所述方法的步驟如下 水流漫過環(huán)形堰1101 ; 水流在導(dǎo)流墩的作用下與環(huán)形堰切線成一定角度的方向進入環(huán)形堰1108 ; 在多個導(dǎo)流墩的作用下，水流在環(huán)形堰內(nèi)緣與豎井連接的光滑的收縮型曲面上形 成繞垂直軸的旋流1102 ; 旋流中部帶有空腔，帶有空腔的水流帶入大量空氣進入豎井； 帶有大量空氣的旋流沿豎井下落，在豎井下部位形成環(huán)形水躍和氣水混合墊層 1103，消耗大量能量； 在豎井與消能洞結(jié)合的部位，水流在消能洞進口與消能洞相對的空間中形成旋滾 流，與原繞垂直軸的旋流形成復(fù)雜的摻氣流動1104，進行消能； 水流進入消能洞，在集水墩的作用下，高速摻氣水流從集水墩的頂部敞口射入水 墊塘，在水墊塘內(nèi)水流產(chǎn)生旋滾流進行強力的氣水剪切作用繼續(xù)消耗大量能量1105，再次 消能； 當(dāng)水流流出收縮墩時，兩側(cè)墩誘發(fā)出立軸漩渦再次摻氣1109，和底板上的中墩產(chǎn) 生的橫向漩滾水流1106互相碰撞剪切作用又消耗掉大量能量，再次消能； 消能后水流經(jīng)導(dǎo)流洞排出1107。 本實施例所述泄洪洞運行過程水流經(jīng)導(dǎo)流墩起旋進入環(huán)形堰和豎井，形成帶有 空腔的螺旋流，在豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍和氣水混合墊層，消耗大量能量，接著高速摻氣水 流從集水墩頂部敞口射入水墊塘內(nèi)，產(chǎn)生旋滾流進行強力的氣水剪切作用繼續(xù)消耗大量能 量，當(dāng)水流流出收縮墩時，兩側(cè)墩誘發(fā)出立軸漩渦再次摻氣，和中墩產(chǎn)生的橫向漩滾水流互 相碰撞剪切作用又消耗掉大量能量，致使殘留的動能所剩無幾，洞內(nèi)流速急劇降低(總水 頭100 200m的泄洪洞流速降至14 18m/s)，導(dǎo)流洞內(nèi)水面平穩(wěn)，出口無沖刷，亦無霧化 現(xiàn)象，完好地保護下游生態(tài)。 最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本實用新型進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實 用新型的技術(shù)方案(比如導(dǎo)流墩和環(huán)形堰的外形、大小，集水墩和收縮墩的外形、安排等) 進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，所述的裝置包括一個豎井，所述豎井底部與水平的消能洞相貫連接，所述消能洞與導(dǎo)流洞貫通連接，其特征在于，所述的豎井的進口處設(shè)置環(huán)形堰，所述環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環(huán)形堰外設(shè)置幾個導(dǎo)流墩，所述導(dǎo)流墩的中心線與環(huán)形堰的切線成大于或等于0°，小于45°的夾角；所述的豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；所述的消能洞設(shè)置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)流墩數(shù)為4 8個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的截面形狀是矩形連接楔形，導(dǎo) 流墩離環(huán)形堰近端的楔形頭部呈鈍圓型，導(dǎo)流墩的矩形尾部呈圓形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的環(huán)形堰外緣的斷面呈圓形曲 線形，環(huán)形堰內(nèi)緣與豎井連接的斷面曲線呈橢圓曲線形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的集水墩設(shè)置在消能洞的底板 上；所述的集水墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡；所述集水墩的迎水面與水平線呈 30 45°角，背水面與水平線垂直。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的集水墩的截流面積等于豎井 截面積的一半。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的收縮墩設(shè)置在消能洞的底板 和兩側(cè)洞壁上；所述收縮墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡；所述收縮墩的迎水面與 水平線呈30 45°角，背水面與水平線垂直。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的收縮墩的截流面積等于豎井 截面積的一半。
專利摘要本實用新型涉及一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置。所述的裝置包括一個豎井，豎井底部與水平的消能洞相貫連接，消能洞與導(dǎo)流洞貫通連接，豎井的進口處設(shè)置環(huán)形堰，環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環(huán)形堰外設(shè)置幾個導(dǎo)流墩，所述導(dǎo)流墩的中心線與環(huán)形堰的切線成0°≤θ＜45°的夾角；豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；消能洞設(shè)置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。本實用新型利用幾個導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊相切或成一小角度連接，使水流旋轉(zhuǎn)，在豎井內(nèi)形成螺旋流運動。其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，投資少，不用維修，防蝕和消能效果好，泄洪洞出口不產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，保護生態(tài)環(huán)境。
文檔編號E02B8/06GK201437586SQ20092011019
公開日2010年4月14日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者付輝, 楊開林, 王濤, 董興林, 郭新蕾, 郭永鑫 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院