泄洪消能的三套设施及窄缝式消能工

(1)泄水建筑物布置。在水电站枢纽布置中,泄水建筑物、电站厂房、挡水大坝三大建筑物的布置,另外还有供水、通航、过木、鱼道、景观等建筑物,它们的相互关系是工程设计人员首先要认真研究的一个重要课题。泄水建筑物布置的基本原则是:

1)确保枢纽各建筑物在施工和长期运行中的安全。

2)技术可行和经济合理。从可持续发展和与生态环境友好的观点出发,今后建设的水利水电枢纽工程还要考虑建设具有河流生态环境功能的水工建筑物。

由于修建水电站的地形地貌的差异,坝址地形、地质、水文、环境等条件的不同,虽然枢纽布置没有一个固定模式,但是许多学者还是根据长期的实践经验进行了总结与归纳。Semenko1979年在印度新德里召开的第13届国际大坝会第50专题关于“大流量泄水建筑物”的总报告中,以坝的宽高比(L/H,表示河谷的相对狭窄程度)为纵坐标,以理论泄洪功率(N=0.0098QZ(MW))为横坐标,统计分析了采用混凝土坝和土石坝的泄洪组合情况,我国的二滩、小湾、构皮滩、溪洛渡、龙滩、糯扎渡、水布垭、小浪底等工程泄洪指标均超出了图中的统计范围,并处于图中采用坝体泄洪、岸边泄洪洞和岸边溢洪道组合泄洪方式的延长区内,说明中国目前大坝的建设已发展和提高了世界高水头大泄量泄水建筑物的设计水平(见图5-1)。对于这一类达到世界最高水平的高水头大泄量工程,多数都是采用几种泄洪方式的组合。陈椿庭在总结了国内外200余个大型工程枢纽布置经验,开展了对泄水建筑物的分类研究。郭军、高季章等人在考虑坝高、泄量、地形地质条件等基本条件的基础上,研究了拱坝枢纽以及泄洪消能方式的优化布置。

混凝土重力坝和混凝土拱坝多采用坝身表孔和中孔(或深孔)的泄洪组合,如三峡、龙滩、五强溪等。在溢流前沿不足以泄放最大洪水时,配合岸边式溢洪道或泄洪洞。在二滩高拱坝首次采用坝身表孔、中孔与大型水垫塘配合大型泄洪洞的泄洪消能布置后,小湾、溪洛渡等水电工程都采用这种三套泄洪设施的组合。任何一种泄洪设施都可以满足宣泄常年洪水的任务,同时也为运行调度和工程检修提供了方便,这种布置方式成为我国近20年来高拱坝大流量泄洪布置的一个突出的特点。土石坝多采用岸边式泄洪,以泄洪洞和岸边溢洪道为主,典型的工程如小浪底采用了多种岸边式泄洪设施,下游配合大型水垫塘进行消能,糯扎渡和水布垭则用大型岸边溢洪道,承担主要泄洪任务,其规模已达到和超过了巴西著名的伊泰普溢洪道的设计水平。

(2)泄洪消能方式。传统的消能方式分为挑流、底流、面流三种,从总结过去的实践经验看,绝大部分工程还是以挑流消能工为主,但由于地形和地质条件的限制、或者是水流条件的限制,传统的挑流消能方式难以满足工程要求,因此发展了一些新型消能工,如窄缝式消能工,宽尾墩式联合消能工,拱坝挑流+水垫塘联合消能工,洞内消能等。通过几十年不断地探索和研究,不断地完善了这些新型消能工的设计理论,在工程应用中也取得了非常可喜实践经验。

1)窄缝式消能工。传统的挑流消能是以水流横向扩散、减小其入水单宽流量,从而达到减小对下游河床的冲刷的目的。但在峡谷地区修建高坝大流量泄洪工程时,消能工布置和消能方式常受到限制,往往溢流前沿长度不满足传统挑流消能布置要求。葡萄牙在20世纪50年代在修建卡利尔拱坝时,在泄洪洞出口首次采用了窄缝式挑坎,使射流高程和纵向扩散得到加强,消能作用也增强。这种消能方式得到了迅速的推广使用,如20世纪70年代西班牙建成的阿尔门德拉拱坝,左岸溢洪道末端采用了收缩式窄缝挑坎,其单宽流量达到了600m3/(s·m),另外还有伊朗的卡隆I拱坝溢洪道、卡拉基拱坝右岸泄槽式溢洪道、前苏联的托克托古尔坝泄槽等都采用了窄缝式挑坎取得了良好的消能效果,为在狭窄河谷地形中修建工程提供了一条新布置思路。

图5-1　混凝土坝组合泄洪方案工程的泄洪组合统计

Ⅰ—泄洪洞;Ⅱ—陡槽式溢洪道;Ⅲ—表孔溢流坝和坝身孔口;L—坝顶长度(m);H—坝高(m);P—下泄功率(P=0.0098QZ(MW);Q—流量(m3/s);Z—通过设计洪水是时,上游水位与天然河床之间高差(m)●○—小湾;▲△—二滩;■□—构皮滩;Φ—莫西罗克

我国在20世纪70年代开始在狭窄河谷中修建水电站工程,如东江拱坝和龙羊峡重力拱坝。在借鉴了国外的经验,提出了单位能量的概念,突破了挑坎单宽流量的限制,着眼于挑射水流入水部位的单位能量,并利用出口收缩将水流出流由横向扩散变为沿河道纵向扩散,获得了理想的消能效果。结合东江水电站右岸滑雪式溢洪道的试验研究,并在工程设计中得到应用,该工程经1992年的水力学原型观测成果验证是成功的(见图5-2)。高季章在对其进行的基本理论研究中,通过各种收缩比、各种体型与挑距、扩散程度、消能冲刷特性的比较试验,研究窄缝消能工的消能原理。研究成果表明,利用泄水建筑物末端边墙急剧收缩,使出射水舌的流线方向沿高程变化,出射角可以在-10°～+45°左右,进而使水舌在竖向和纵向充分扩散。如果窄缝式挑坎消能工参数选择合理,尽管其出坎单宽流量可达600m3/(s·m),但下游冲刷比等宽式挑坎消能工的冲刷深度浅。对比常规等宽挑坎(如挑角30°),在相同水力条件下,下游冲坑的深度可减少1/3～2/3,这就为在狭窄河谷段修建大流量泄洪工程解决消能问题提供了可能。该研究还提出了用于设计的收缩比、水面线计算、以及侧墙和底板脉动压力的估算公式。

在经过大量的科学研究和工程实践,窄缝消能工的设计理论不断得到完善,并已纳入《溢洪道设计规范》。目前窄缝收缩式消能工已成为一项成熟的技术在我国狭窄河谷的水电站泄洪消能设计中得到了广泛的应用,如东江、龙羊峡、东风、李家峡、水布垭等,都发挥了很好的作用。

图5-2　窄缝消能工水舌纵向扩散和轮廓图

图5-3　宽尾墩消能原理

(a)平面布置;(b)剖面布置

2)宽尾墩式联合消能工。20世纪70年代中期以前,混凝土重力坝表孔出口的闸墩通常采用平尾墩或流线型尾墩。安康水电站坝址处于河流弯道,泄洪消能区岩石抗冲能力低,造成右岸冲刷,左岸淤积,加上在消能方案未确定之前,施工导流建筑物已成定局,消力池长度难以增加,使消能防冲设计更加困难。结合安康工程的泄洪消能问题研究,龚振瀛首先提出了宽尾墩+戽式消力池联合消能的新概念,使出闸水流在横向收缩、纵向扩散,变二维水流为三维水流,改变了溢流坝面的水流结构,大大提高了消能率,同时使消力池长度缩短了约1/3,这是对高水头、大单宽流量、低弗氏数的泄洪消能问题研究的一个重大革新(见图5-3)。结合工程设计,开展了一系列的试验与理论研究,比较闸墩的收缩比、收缩率和收缩角,以及与下游不同消能方式的联合运用,获得了较高的消能率。宽尾墩与挑流的联合运用,其基本消能原理是:冲击波掺气消能(少量)、反弧段相邻水股的碰撞掺混合水舌撕开差动并大量掺气消能;与底流或戽流消能联合运用,则相临水股的碰撞和掺混发生在水垫中,除交汇水股本身的碰撞掺混产生动量交换而消能外,还在反弧段和水垫的水体中进行强烈的紊动扩散和掺混,向两侧坦化并在水垫中碰撞掺混,从而在消力池内形成三元水跃,大大加强水流自身的紊动剪切作用;宽尾墩-底(中)孔-消力池联合运用,合理控制中孔或底孔的挑射水流入射角和单宽流量,其注入消力池后,不但不会引起水跃消能的恶化,而且还可以在入池单宽流量增加的条件下改善消能效果,即“二元附加动量水跃原理”。谢省宗等还就各种收缩式消能工的消能原理进行了理论分析,并给出了相应的水力计算方法,为工程设计提供了参考依据。潘家口水电站成为我国第一个采用宽尾墩+挑流消能联合消能的工程,经过大量的科学试验研究,收到了良好的消能效果。宽尾墩+戽式消力池联合消能在安康水电站获得了成功的应用,该项技术于1991年获得了国家发明三等奖。

继宽尾墩联合消能在潘家口和安康水电站的成功应用后,在国内其他工程的设计中迅速得到了推广,如五强溪溢流表孔左6孔采用宽尾墩+底孔挑流+消力池、右3孔采用宽尾墩+消力池消能,岩滩水电站的7表孔采用宽尾墩+戽式消力池联合消能工消能。目前采用表孔宽尾墩式联合消能工的最高坝为隔河岩,坝高151m,岩滩水电站表孔堰顶单宽流量最大,达到了308m3/(s·m)。

最近20年来,结合碾压混凝土施工技术在坝工建设中的迅速推广,利用碾压施工形成的阶梯式坝面进行消能也得到广泛的重视与应用,其最大优点是利用台阶过流时既增加了消能效果,又可以取消二期混凝土施工,加快施工进度,因此阶梯式坝面溢流水体的掺气和消能机理成为研究的热门课题。对比光滑坝面,阶梯式溢流坝面的研究重点是确定水流临界掺气条件,以保证台阶的自身安全。许多学者还采用粒子图像流速测量仪器(PIV)、激光测流(LDV)、各种压力和掺气量测手段量测水流在台阶上的流动特性、流速分布、压力特性等。通过大量的模型试验和理论推导,Amodor,Chanson,Vishcer和Hager给出了佛氏数与单宽流量、垂直坝面的水深与倾角之间的经验关系公式和估算台阶平均掺气量的计算公式。

从国外实际工程的应用情况看,目前在不采取其他辅助措施的条件下,仅考虑利用水流自身的掺气特性,在最大单宽流量一般不超过20m3/(s·m)的条件下,可以获得较好的消能效果。当单宽流量比较大时,如超过30～50m3/(s·m),表面掺气难以达到台阶面,这时的台阶就成为突体,易产生负压,以至造成空蚀破坏,这也是纯阶梯坝面消能技术难以在我国大流量工程中得到应用的主要原因。

我国在水东碾压混凝土溢流坝泄洪消能设计中首次研究了宽尾墩新型消能工和碾压混凝土施工技术在大单宽流量泄洪工程中的应用,开创了宽尾墩与碾压混凝土阶梯式坝面的联合消能的新技术。该技术的特点是充分利用宽尾墩使水流横向收缩和纵向扩散,在墩后形成的空腔为阶梯坝面水流提供了掺气条件,一方面提高了沿台阶表面过流的消能率,另一方面也起到了保护台阶的作用。水东水电站最大坝高57m,堰顶最大单宽流量120m3/(s·m)。该溢流坝下游采用戽式消力池,形成了一种三元的“戽跃”,使在池内的水体掺混合扩散更加充分,在取得较高的消能率的同时,还可缩短消力池长度,取得了一举三得的好处,由此构成了宽尾墩+RCC 阶梯坝面消能+戽池消力池泄洪消能组合式新型消能工,并经过原型运行取得了良好的效果。

大朝山水电站最大坝高111m,堰顶最大单宽流量230m3/(s·m)。由于大朝山水电站坝高大大超过了水东,单宽流量也接近水东的2倍。为避免宽尾墩射流底缘对台阶造成空蚀破坏,设计者将宽尾墩出口处的第一个台阶的高度比常规台阶高度提高了一倍,这可将水舌挑离坝面,在水舌与台阶坝面之间形成一个稳定的空腔,从而保证向台阶坝面提供足够的掺气以减免空蚀破坏。工程建成后的第一个汛期(2002年)进行了达到设计水位条件下的泄流运行原型观测(表孔单宽流量达到了150m3/(s·m)。),观测结果表明这种消能方式是成功的,在台阶上测到的掺气浓度达到了30%～50%,有效地保护了台阶,这是我国宽尾墩在高水头、大单宽流量、碾压混凝土阶梯坝面联合应用的一个成功的实例,其成果得到了国内外的广泛关注。

五强溪、安康、岩滩、水东和大朝山水电站采用的宽尾墩式联合消能工都经过了泄洪水力学原型观测,其观测成果验证了这种消能方式具有较高的消能率,使其设计方法与设计理论也不断得到了完善。

3)拱坝挑流+水垫塘联合消能工。水垫塘消能是高拱坝建设中采用的主要消能方式之一,在拱坝下游通过结合预挖或建造一座二道坝壅高坝下水位,形成水垫供坝顶跌流水舌在水垫中淹没扩散消能。当坝身过流量比较大、需要同时布置表孔与中孔时,就产生了表孔和中孔水舌碰撞与水垫塘配合使用的一种新型的泄洪消能型式,尤其适用峡谷区通过坝身宣泄大流量的高混凝土坝工程。其主要消能原理是:通过合理布置坝身各层孔口,使下泄水流分层和大差动出流,不同高度出流的水股在空中碰撞分散与消能,尽可能地增加入水射流的纵向分散度,减轻下泄水流对河床底部的冲刷破坏能力;由二道坝所形成的坝下游水垫塘,为下泄水股射流提供了足够的紊动扩散、碰撞和消能水体,使入水射流的能量通过主流水股在水垫塘内发生强烈的紊动剪切、扩散和剧烈旋滚而消刹,水垫塘长度一般由中孔水舌最远水平挑距来控制。与常规的一些基本消能型式相比,水垫塘内的水流结构突出了射流的特征,底板板块的受力突出了脉动压力的作用。坝身孔口布置一般采用上下两层或三层,上层孔口一般为溢流表孔,常用开敞式布置,具有较强的超泄能力;中下层孔口尾部常用上翘式布置,出流水股在空中形成大差动,分层入水,并与表层水舌在空中碰撞,增加水舌的分散程度并增加在空中的消能。拱坝泄洪消能中比较早采用这种消能方式的工程是美国的摩西罗克,最大坝高185m,最大泄量7800m3/s,采用表孔与水垫塘联合消能(见图5-4)。该工程于1968年建成,下游利用天然河道尾水深的特点并结合预挖,使其水垫深度超过了70m,比较好地解决了下游的消能问题。

图5-4　拱坝泄洪消能布置(www.xing528.com)

(a)莫西罗克拱坝;(b)二滩双曲拱坝

一般将作用在水垫塘底板上的冲击压强作为设计控制指标,日本曾经做过研究,其最大冲击压强控制不超过300k Pa。我国在二滩高拱坝泄洪消能的设计中,考虑了该坝坝高已达到了240m,坝身泄流量达到了15000m3/s,对这样一个高难度的泄洪消能问题,开展了表中孔对撞+水垫塘消能的方式(见图5-4)。研究的重点为对撞消能的消能效果、挑射(跌)水流对河床的动水压力及基岩防护措施、挑跌水流作用下的底板受力及稳定性研究,采用了水垫塘底板设计采用最大时均冲击压强以不超过150k Pa作为主要控制指标。二滩水垫塘在1999年经过了设计水位条件下的泄洪运行原型观测,通过坝身最大下泄流量接近8000m3/s,其水垫塘原型观测结果比较好地验证了设计及模型试验研究成果,即水垫塘是安全的。实践表明,这种泄洪消能型式具有泄洪时安全可靠、经济等优点,但因表中孔水股的空间碰撞,造成泄洪时坝下游区溅水雾化比较严重,目前已得到了高度的关注。

自二滩高拱坝消能设计首次采用了坝身表中孔挑流对撞+水垫塘、配合泄洪洞的这种联合消能方式后,小湾、溪洛渡、拉西瓦、构皮滩、锦屏等一批300m 级的高拱坝均采用这种消能方式,已成为我国高拱坝泄洪消能一大特点。在二滩大型水垫塘研究成果的基础上,结合国家“九五”攻关,溪洛渡高拱坝大型水垫塘开展了反拱底板形式的试验研究,研究成果表明,这种体型具有结构稳定,更适应U 形河谷的消能设计。

4)底流消能。底流消能工是国内外一种常规的消能型式,理论上也比较成熟。早期多用于中小型工程,但近30年来也有少数高水头工程采用这种消能方式,典型的工程实例是前苏联的萨扬舒申斯克、美国的德沃夏克、中国的安康、五强溪与岩滩等工程。

图5-5　前苏联萨扬舒申斯克重力拱坝底流消能布置

前苏联设计的萨扬舒申斯克重力拱坝245m 高,最大下泄流量13500m3/s(见图5-5)。该工程施工期间采用坝身孔口导流过水,消力池内发生过几次严重的冲刷破坏,最大冲深达10m,经分析认为是消力池底板板块间的止水被破坏、动水压力钻入板块下部造成底板被掀起是主要原因之一,不均匀开启运行造成消力池内流态恶劣也加剧了底板破坏的程度,工程最终采用预应力锚索将底板锚固在基础上。美国的德沃夏克工程坝高219m,在运行初期,因表孔开启不均匀,在消力池内形成横向旋涡,造成局部负压,最终导致气蚀破坏,另外由于卷进了大量的碎石,对消力池造成了严重的磨损。安康水电站采用表孔宽尾墩+消力池的泄洪方案,由于施工中基础混凝土浇筑完后停留时间过长,造成表层抗冲耐磨混凝土与基础混凝土之间形成冷缝,泄洪中强烈的旋滚造成底板大面积上抬,最终采用预应力锚筋的加固方式才将表层混凝土板与基础混凝土固定住。五强溪右消力池也发生过因动水压力钻入底板下部,造成消力池底板大面积破坏,冲坑最深达36m。

在这些采用底流消能的工程中,入池流速一般都达到了30～40m/s,入池单宽流量可达200m3/(s·m),甚至更大,脉动压力达50～100k Pa,巨大的泄洪功率和强烈的紊动(脉动压力)是造成底板破坏的重要原因,因而也成为国内外学者研究的重要内容之一。Fiorotto、Rinaldo和Salandin在过去的10年里重点研究了消力池内的水跃对底板稳定的影响,考虑了板块不同长宽比条件下作用在底板下部的压力特性、与佛氏数Fr的关系,以及采用锚固后的板块稳定特性,对工程设计有着重要的参考价值。也有人用加大板块重量的方式模拟工程中采用锚固措施的锚固力。目前研究消力池底板板块稳定问题还难以做到在模型中考虑动水压力在板块缝隙中的传播过程以及破坏机理,尚待进一步研究。目前,主要还是以考虑板块间止水失效的条件,按这种方式获得的研究成果对工程而言是偏于安全。

向家坝水电站是我国目前采用底流消能的坝高最高的工程,最大坝高161.0m,入池单宽流量超过200m3/(s·m),最大泄洪水头达100m。考虑到挑流泄洪产生的泄洪雾化将对下游附近的生活和生产区带来不利的影响,向家坝最终采用了底流消能。如果采用常规消力池,则跃前流速超过40 m/s,池内在相当一段范围内临底流速超过30m/s。鉴于国内外部分高坝采用常规底流消能方式都不同程度发生了破坏的情况,目前在向家坝的底流消能研究中,正在试图寻求一条新思路,以期在获得较高的消能率同时,使消力池又具有安全可靠的保障。

上述工程情况充分说明底流消能是个非常复杂的问题,对高水头泄洪采用底流消能方式的工程应给予特别的关注,以确保工程的安全。

5)洞内消能。

a.孔塞式泄洪洞。早期的洞内消能为孔塞式消能工,典型的工程为加拿大在20世纪70年代建成的麦卡堆石坝(坝高244m),利用2号导流洞改建成孔塞式泄洪洞,即在洞中部建了两个孔塞段,相隔103m,每个孔塞内各建有三个泄水孔,利用平板液压闸阀控制。两孔塞之间是水流扩散消能室,水流经过第一个孔塞段后突然扩大形成强烈的水流掺混与剪切,消除了大部分能量。该泄洪洞在施工期承担向下游放水的功能,最高运行水头达到了140m。孔塞段采用了钢衬,扩大室考虑了掺气设施,在初期运行中也同时开展了原型观测,其消能效果良好,未发生空蚀破坏。待电站机组投入发电运行后,该泄洪洞则关闭停止运行。

底孔泄洪洞闸门段通过在泄洪洞前部或中部建一混凝土塞,内安装一孔或几孔液压式闸阀,下游出口为突然扩大式,也是一种孔塞式泄洪洞,在国外有少数工程将其用作放水孔。在高水头条件下,这种滑动式闸门由于受到总水推力条件的限制,闸门孔口面积通常不大,因此,难以满足我国高水头大流量工程水电站泄洪需要,因此很少采用。另外如果下游为明流条件,这种孔口在高水头条件下出流流速比较大,在下游形成强烈的水跃,存在泄洪洞内二次消能问题。

b.孔板泄洪洞。我国小浪底导流洞改建成为有压洞多级孔板消能,是一种新型消能工,在国内外水利水电工程史上尚数首例。共建设了三条孔板泄洪洞,单洞直径14.5m,对应1号洞最大泄量1700m3/s,2号、3号洞最大泄量1654m3/s,每条泄洪洞设置了三道孔板环,基于水流经孔板收缩后突然扩大的消能机理,利用孔板消能降低了水流出闸室的水头和流速,以期达到消能效果。在“八五”科技攻关期间结合小浪底的工程设计,开展了孔板洞常压与减压模型试验,重点研究孔板洞体型、孔板布置、消能机理、特别是孔板自身的空化问题。通过研究孔口直径与洞径比以、孔板间距、孔板体型、与下游工作闸门面积之间的关系,最终确定合理的孔径比。配合设计,还在碧口电站排沙洞利用增建孔板设施进行了模型试验和原型观测,其成果为小浪底孔板洞设计提供了科学依据。小浪底孔板泄洪洞设计最终采用了三道孔板,孔板间距为三倍的洞径,第一道孔板孔径比为0.690、第二、三道孔径比均为0.724(见图5-6)。

2000年4月及11月,对1号孔板泄洪洞先后进行了2次原型观测,观测内容有压力、空化、振动等,观测时弧形工作门最高静水头分别达到了74.56m 和98.45m。观测成果表明,两级水位运行条件下,三级孔板的平均消能系数分别为1.20、0.60、0.65,三级孔板消能率超过40%,与模型试验成果比较吻合,也证明了孔板洞具有比较高的消能率。从空化观测结果看,在观测的两组水位条件下,弧门在开启到0.85～0.92期间,孔板发生了空化,运行后经检查尚未发现有空蚀破坏。

图5-6　小浪底1号孔板泄洪洞

c.竖井旋流消能式泄洪洞。旋流消能主要利用泄水建筑物本身对水流的导引作用,在洞内形成强烈的涡旋流,使水流作螺旋运动并大量掺气而消除一部分能量,降低泄洪隧洞内的流速,达到消能和掺气减蚀两个目的。这种泄洪洞的最大特点是方便布置,消能率高,对下游运行影响小。由于采用旋流方式衔接水流,在进水口的布置上尤为方便,且连接段短,洞内流速控制在20m/s以内,可以利用原导流洞,节省工程费用。由于消能率高,对出口的冲刷小,另外不会引起泄洪雾化。根据涡旋轴的位置,泄洪隧洞旋流可分为竖井式旋流和水平旋流。

前苏联学者在20世纪80年代曾结合几座高土石坝的设计,开展了大量的研究,包括为印度德里电站(220m 高的土石坝)导流洞改建开展的研究。为了提高过流能力和消能率,采用了旋流消能的方式,因此延长了水流的过流路径、增加了沿程的掺气、提高了沿程的消能率。结合工程的试验研究,还进行了水力设计理论的推导。从旋流形式看,前苏联学者开展过竖井旋流与水平旋流消能方式的研究,对其优缺点都进行过分析研究,也为我国学者结合中国水电工程中导流洞改建利用提供了非常好的研究基础与思路。遗憾的是由于前苏联解体后,针对几座工程开展的旋流竖井式泄洪洞的研究因工程的停滞而未实施,也未见到进一步的研究成果报道。

瑞士的Vischer和Hager对竖井旋流消能开展了详细的理论研究,包括了旋流涡室几何体型参数的选取、过流能力与涡室尺寸之间的关系、竖井内水流流速与消能率的关系、以及下游平洞衔接的体型设计问题。这是国际上比较全面的、较早的从设计理论上提出的研究成果。

我国在20世纪90年代开始比较系统地研究旋流消能。在国内最早应用的是四川沙牌水电站,采用竖井旋流消能,泄流量为242m3/s,水头落差88.0m。水工模型试验表明,竖井旋流消能率可达73%,洞内流速可控制在20m/s以下。该竖井式旋流洞已竣工,有望近期接受过流检验(见图5-7)。

在沙牌工程的基础上,结合溪洛渡导流洞的改建利用,开展了高水头、大流量旋流竖井式泄洪洞的试验研究,并取得了重要进展。该导流洞改建后的泄洪洞规模为:涡室直径22m,竖井直径16m,泄洪水头220m,最大泄洪流量2700m3/s。经过涡室、竖井及水平段的消能,洞内流速小于20m/s,消能率达到85%以上,其中竖井段消除了大部分能量。倪汉根、董兴林等人对旋流消能的形式、国内外研究与工程应用情况、旋流消能的水力特性和消能机理进行了详细的论述,所提出的水力计算方法可以用于指导工程设计,这也是我国自开展旋流消能研究以来在理论与实践中所获成果的比较全面、系统的总结。

近年来结合公伯峡导流洞的改建利用,我国的设计与研究人员又开展了水平旋流消能方式的试验研究。该洞泄洪水头110m,单洞泄量1100m3/s,水平旋流洞直径10.5m。通过细致的试验研究,可将水平旋流洞的长度控制在50～60m,消能率达85%以上,为工程的利用与改建提供了可能。目前该工程已决定采用此种消能方式。结合该洞的试验研究,还成功地探讨并研究了在垂直竖井段采用环状掺气坎的工程措施,可以推广到其他高水头工程中,以解决竖井段以及竖井与水平洞段衔接的低压区有可能产生空化问题。该研究成果的取得为我国今后在更高水头的竖井泄洪洞解决空化空蚀问题提供了一个新思路。

图5-7　沙排旋流竖井式泄洪洞

由于导流洞通常有一水平弯段,目前的研究成果表明,不论是对竖井式旋流或是水平式旋流,通过在平硐段内选取合适的消能工体型,其竖井都可以在弯洞段与原导流洞进行衔接,并可以保证洞内流态平稳,不会出现偏流现象,这就为工程布置带来极大的方便,也可大大节省工程投资。