水平旋流消能泄洪洞设计研究结果

水平旋流泄洪洞在国内外研究的成果比较少。目前已建的水平旋流泄洪洞只有印度特里水电站的泄洪洞，它以全水平洞段的旋流流态进行消能，因此水平洞段全部须为圆形断面，同时沿洞线须设较复杂的通气系统，至今未见运行情况报道。国内黄河拉西瓦水电站在初步设计阶段进行过研究工作，也是旋流洞直接和退水洞相接，因水平旋流消能洞段较长，导致导流洞改建工程量大，不经济，因此没有进行进一步研究。

本工程研究采用水平旋流消能和水垫塘（消力池）消能相结合的洞内消能型式，以充分利用导流洞，简化通气系统，减少改建工程量。

2.1.1.1　水平旋流泄洪洞布置及体型的拟定

（1）布置。公伯峡水电站水平旋流消能泄洪洞由单孔溢流堰进口、竖井、旋流洞（含起旋室）、水垫塘和退水洞（原导流洞）组成。根据地形地质条件竖井中心布置在导0＋180.00m桩号处，开敞式进水口轴线与导流洞轴线交角45°。

（2）体型设计。

1）溢流堰进口。单孔溢流堰进口的尺寸按自由流设计，Q＝mB（2g）0.5H1.5（式中m为综合流量系数），由于采用低堰，综合流量系数m取0.380～0.457。配合9m直径的竖井，确定单孔溢流堰进水口宽度B为9.0m，进口的高度H为16m，堰顶高程定为1992.00m，满足最大泄量1060m3／s要求。

2）竖井。参考国内外有关资料，控制竖井平均流速在15～20m／s，竖井直径定为9m，在下泄最大流量1060m3／s时，竖井平均流速17.3m／s。

3）旋流洞及起旋室的体型尺寸。旋流洞的直径要求水流在旋流洞能形成稳定的空腔，且不影响泄量。根据以往研究经验，直径按D＝（Q2／g）0.2确定为11.0m。起旋室进口是竖井与旋流洞的连接段，为使水流产生旋转，竖井底部的一侧采用1／4椭圆曲线（x2／152＋y2／82＝1）同旋流洞相切连接，另一侧逐渐收缩后同起旋洞偏心相交，其交点距圆心线水平长度根据以往研究的经验一般为（0.2～0.25）D（D为旋流洞直径）。起旋室进口面积（即竖井收缩后同起旋洞偏心相交处的断面尺寸）参考国内外有关资料，为使进口溢流堰后形成自由流，取（0.75～0.8）A（A为竖井断面面积），收缩比为0.777（起旋室进口与竖井断面面积之比）。

4）水垫塘和退水洞的体型尺寸。导流洞断面为城门洞形，断面尺寸为12m×14m，长40.0m，末端设置三角体边墩，墩体左右对称，边墩厚2.0m，挑坎高2.4m，使得水垫塘出口断面面积收缩为8m×11.6m的城门洞形，形成消力池。

图2.1　水平旋流泄洪洞布置及体型图（单位：m)

5）通气井位置及尺寸。旋流洞段水流流速大，起旋室体型复杂，为确保旋流洞在高速水流中不发生空蚀破坏，最有效的办法之一是使起旋室及旋流洞内的水流充分掺气。为此在旋流洞的上游设置通气井，使得空气进入起旋室和旋流洞，以便在旋流洞中心形成稳定的空腔。由于旋流洞内旋转水流受重力的作用，通气井应设在旋流洞中心偏上的位置。通气井的中心位置距旋流洞中心为2.1m，通气井采用圆形断面，其面积以控制最大风速小于60m／s确定直径为2.0m。

水平旋流泄洪洞布置及体型见图2.1。

2.1.1.2　试验成果

（1）泄流能力。校核和设计水位下，泄量分别为1134m3／s和850m3／s，水位—流量关系曲线见图2.2和表2.1。

图2.2　水位—流量关系曲线图

（a）水位—流量关系曲线；（b）水位—流量系数关系曲线

表2.1　水平旋流泄洪洞水位—流量关系

（2）流态。

1）溢流堰及竖井的流态。当库水位低于2007.80m时，溢流堰为自由流，溢流堰的水流直接冲击竖井井壁，模型井壁具有较强的振动感。随着库水位抬高，先在起旋室孔口处形成有压流，然后竖井内水面逐渐抬高，当竖井水面抬高至一定高程即形成淹没流；当库水位抬高到2008.00m以上时，竖井水位接近库水位，溢流堰为淹没流。此时溢流堰流道水流出现上下摆动波浪，且与竖井内的水面交会形成水跃翻滚，竖井内水位波动较大，达2.5～3.5m，模型井壁仍有振动感；当库水位高于2010.00m时溢流堰为完全淹没流，竖井水面波动基本消失，竖井水流平稳，流态好且竖井无振动感。

2）旋流洞及水垫塘。旋流洞为平稳的空腔旋转流，通气井空气畅通，洞周壁水层掺有大量空气。由于旋流洞洞内过流断面为圆环形，水流沿旋流洞轴线方向流速较大，沿径向流速较小，在50m长的旋流洞内水流仅旋转1.5～2.0圈。水流进入水垫塘后继续旋转，但旋转流已不明显。水垫塘内水流流态紊乱，环流、次生流丛生，扩散、掺气充分。出水垫塘后旋转流已基本消失，到40m后的直线段洞内，逐渐变成明流流态，水垫塘也起到了流态转变的作用。

（3）流速。在库水位高于2005.00m时，竖井的流速为17m／s左右；起旋室进口的流速为25m／s左右；旋流洞起旋处底板的最大流速约33.2m／s（平均流速28m／s），边界层0.3m处的流速为15.2m／s；旋流洞末端处最大合成流速约30.1m／s，合成流速的矢向与水平夹角45°。旋流流速在旋流洞洞壁最大，到空腔处为最小。水垫塘的水流紊乱，流速难以测定，平均流速已降到约25m／s。退水洞内的流速已降至12m／s。

（4）压力分布。压力分布及测点布置见图2.3和图2.4，压力值见表2.2和表2.3。

表2.2　校核洪水工况压力水头分布表　单位：m

图2.3　水平旋流泄洪洞流态和压力分布(校核洪水工况）（单位：m)

图2.4　水平旋流泄洪洞流态和压力分布(设计洪水工况）（单位：m)

表2.3　设计洪水工况压力水头分布表　单位：m

1）设计洪水位工况。溢流堰：在溢流面未设通气槽时，溢流面3号、4号和5号测点，设计水位下负压较大。(www.xing528.com)

为保证运行安全可靠，避免产生空蚀，试验过程中在高程1987.20m处设一通气槽，槽深1.2m，长6m，槽顶挑坎高0.18m，长1.8m，槽的两端设通气孔，通气孔直径为1.0m；且在溢流堰下游挡水墩（竖井下游墙的上部）与竖井连接处设一通气挑坎，将直径1.0m的通气管从挡水墩引出，为竖井补气。试验表明，设计水位下通气孔通气槽通气流畅，故不至于发生空蚀；旋流洞、竖井均为正压分布。旋流洞的最大压力发生在旋流洞进口底板的上游边角，约为63m。水垫塘内除进口顶部33号测点突扩处有负压外皆为正压。

2）校核工况。压力分布基本同设计工况，只是压力值均比设计工况大（含正压和负压），其中发生在旋流洞进口底板的上游边角的19号测点的最大压力为91.2m。

（5）脉动压力。脉动压力的测点布置见图2.5。

在竖井下部布置了3个测点，旋流洞布置了5个测点，水垫塘和出口布置了5个测点，共13个测点。分别对2008.00m（校核水位）、2005.00m（设计水位）和2001.00m（水位）三种工况的脉动压力进行了试验，给出了脉动压力主频率（脉动压力统计的优势频率）和脉动压力的均方根值。各点脉动压力值见表2.4。

图2.5　水平旋流泄洪洞脉动压力、合成速度和掺气浓度测点布置图

·1～13—脉动压力测点；△—合成速度测点；□—掺气浓度测点

表2.4　水平旋流泄洪洞脉动压力特征参数表

从表2.4中可知，在校核工况下最大的脉动压力均方根值为5.23m，发生在水垫塘进口下部5号测点；最大脉动压力主频率为1.28Hz，发生在水垫塘出口底部。设计及水位2001.00m工况最大的脉动压力均方根值分别为4.33m和5.53m，发生在旋流洞进口2号测点，主频率小于1Hz。其他各点脉动压力均方根值和脉动压力主频率均较小。在低水位运行下，溢流堰自由降落的水流冲击脉动压力最大达到5.53m，相应的主频率却很低仅为0.01Hz，没有发现明显的周期性压力脉动现象，其均方根值均属于正常范围，均属于低频范围。因此，从以上分析看，水平旋流消能泄洪洞的各个部位的脉动压力均不会产生结构物共振。

（6）消能率。水平旋流消能泄洪洞的消能主要由两部分组成，旋流洞的旋流消能和水垫塘翻滚消能。由于旋流洞和水垫塘的掺气浓度大、气泡多，很难准确地测出流速，故用断面平均流速来估算消能率。

式中　Z——总水头，m；

h——计算断面水深或压力水头，m；

v——计算断面流速，m／s。

根据试验资料，校核工况，退水洞导0＋721.00m断面的总消能率为86.5%。其中，旋流洞段及水垫塘段消能率分别为41%和40.8%，是水平旋流消能泄洪洞的主要消能工。

（7）通气量。通气井直径为2.0m，当溢流堰进口段为自由流时，竖井夹气进入旋流洞，通气井试验实测通气量为230m3／s，风速为73.24m／s；当溢流堰进口段为淹没流时，竖井无夹气进入旋流洞，试验实测通气量为536m3／s，风速为170.7m／s。说明溢流堰进口段的流态对通气井的通气量比较敏感，通气井的直径应根据溢流堰进口段的流态及通气井允许风速来确定，以满足最大通气量及允许风速的要求。

（8）旋流洞和水垫塘的掺气浓度。由于旋流洞流速高，水垫塘体型复杂且水流混乱，为使旋流洞和水垫塘免遭空蚀破坏，需采用通气措施，在试验中实测了旋流洞和水垫塘掺气浓度。掺气浓度的定义为C＝Va／（Vw＋Va）×100%，Va和Vw分别代表空气和水的容积。试验中共选择了三个断面，即旋流洞一个断面（桩号导0＋220.00m），水垫塘两个断面（桩号导0＋265.00m和桩号导0＋275.00m）。

实测的结果表明（见图2.6、图2.7）旋流洞掺气充分，断面中部的掺气浓度小于100%，表明旋流空腔不是纯空气，由于高速旋流的掺混空气，旋流空腔无明显的分界面。

图2.6　水平旋流泄洪洞旋流洞导0＋220.00m桩号断面掺气浓度分布图

（a）水平断面分布；（b）垂直断面分布

图2.7　水平旋流泄洪洞水垫塘断面底部掺气浓度分布图

（a）导0＋265.00桩号测点；（b）导0＋275.00桩号测点

水垫塘桩号导0＋265.00m（水垫塘内）断面的最大和最小掺气浓度分别为10.7%及5.7%，桩号导0＋275.00m（水垫塘出口断面）断面的最大和最小掺气浓度分别为29.1%及3.9%；水垫塘出口断面掺气浓度比较大是由于收缩墩突然扩大的作用。

从试验可看出旋流洞及水垫塘掺气均比较充分。模型水流的掺气同原型不完全相似，原型一般要大于模型的测值，掺气浓度能满足规范要求。

2.1.1.3　水平旋流泄洪洞的小结

（1）泄流能力。校核和设计水位下，泄量分别为1130m3／s和850m3／s，基本满足设计要求。

（2）水平旋流泄洪洞总消能率为86.5%左右，消能主要是由旋流洞和水垫塘来完成的，其中旋流洞消能率为41%，水垫塘消能率为40.8%，经旋流消能后进入退水洞的流速已降到12m／s，与“龙抬头”泄洪洞相比对下游河道的冲刷已大为减轻。

（3）当库水位为2008.00m以上时，溢流堰的流态为完全淹没流，溢流堰流道水流及竖井水流流态均较好，水流平稳，竖井无振动感；当库水位为2008.00m以下时，溢流堰的流态为淹没流和自由流两种流态，竖井有明显的振动感，试验中实测无周期性脉动现象，主频在0.01～1.00Hz之间，属于低频脉动，不会产生共振。

（4）旋流洞及水垫塘在设计及2001.00m库水位工况下，最大的脉动压力均方根值分别为4.33m和5.53m，发生在旋流洞进口2号测点，主频率小于1Hz。其他各点脉动压力均方根值和脉动压力主频率均较小，不会产生共振破坏。

（5）旋流洞及水垫塘掺气都比较充分，发生空蚀的可能性不大。