水平旋流消能泄洪洞的设计与研究

在两个方案体型布置和水工模型试验成果对比的基础上，从结构、流态、防止空蚀破坏的措施，对地形地质条件的适应性、检修条件及运行条件等方面的综合分析比较，溢流堰后采用淹没出流型式。

2.3.4.1　体型布置

体型布置比较见表2.19。

从表2.19中可以看出，除淹没出流型式的溢流堰进口面积比自由出流大42.2%，水垫塘长度长20m，起旋室进口面积小46.38%，通气井面积大70%外，其余尺寸基本一致。

表2.19　体型布置比较表

2.3.4.2　水力学条件比较

（1）泄流能力。水平旋流泄洪洞溢流堰后采用淹没流和自由流的泄流能力比较见表2.20。淹没出流型式泄洪洞在设计洪水位和校核洪水位时的泄流能力分别为1120m3／s和1132m3／s，较设计要求的下泄流量超泄能力分别大8.5%和6.8%，满足设计要求。自由出流型式泄洪洞在设计洪水位和校核洪水位时的泄流能力分别为997m3／s和1165m3／s，校核洪水位泄流能力大于设计要求的9.9%，设计洪水位时泄流能力偏小3.4%，但经过水库调洪演算，枢纽总体泄流能力仍然能够满足设计要求。

表2.20　泄流能力比较表

（2）水流流态及流速。水平旋流泄洪洞溢流堰后采用淹没流和自由流的流态及流速可以从表2.21看出，溢流堰后流态的两种型式表现在竖井上部流态不同：在设计及校核洪水时，淹没出流型式竖井上部水位基本与库水位齐平，水位稳定，无波动和壅浪现象，竖井井壁基本无振感；自由出流型式过堰水流以自由溢流形式进入竖井，同时通过设在闸墩一侧的掺气坎使过堰水流产生旋转达到涡带掺气和改善流态的作用，竖井水位存在一定的波动，竖井井壁振感较大，另外门槽在泄洪时存在立轴掺气旋涡，竖井下部由于起旋室的离心力作用，水平旋流洞内水流旋转强烈，掺气充分；水垫塘进出口均存在负压区，退水洞始端均存在一定长度的水流封顶现象，其后退水洞内呈比较均匀的明流流态。

表2.21　水流流态及流速比较表

（3）通气量和掺气浓度。通气量及掺气浓度如表2.22所示。淹没出流型式竖井内为稳定的压力流形式，竖井内压力较大，竖井水流不掺气；自由出流型式水流在竖井顶部通过折流坎利用旋流涡带掺入了大量空气，掺气浓度达到了11.4%以上。两种型式水平旋流洞内掺气均十分充分：淹没出流型式在设计及校核洪水时的通气量分别达到了466.7m3／s和511.4m3／s，水平旋流洞内气水比42%～45%，掺气浓度达到了12%～27%，设置的通气井直径2.5m，孔内风速100m／s左右，远大于工程中一般采用的［v］≤60m／s的风速限制要求；自由出流型式由于竖井掺气明显，因而下部通气井内通气量减小，在设计及校核洪水时的通气量分别为67.1m3／s和147.6m3／s，旋转水层中的掺气浓度达到了7.2%～45.5%，通气井直径2.0m，孔内风速小于60m／s。在水垫塘内掺气浓度均能达到30%左右，退水洞内前300m左右的长度均能保证掺气浓度不小于5%。总之，两种型式的通气设施在下平洞内掺气均十分充分，能够满足掺气减蚀的要求，但淹没出流型式通气井内风速较大，需要加大通气井面积，控制通气井内风速。

表2.22　通气量及掺气浓度比较表

（4）压力分布。两种型式在溢流堰堰面及竖井内均为正压。淹没出流型式溢流堰堰面及竖井内压力均比较大；自由出流在设计洪水工况下溢流堰堰面（2.2～4.4m）及竖井中部高程压力较低（1.8～4.4m）。起旋室底部压强均很大。在起旋室与旋流洞连接处，均为正压，但淹没出流型式最小压力小（设计情况最小压力2.1m，校核情况为1.9m），自由出流型式最小压力为4.2～5.6m，折流坎处最小压力为2.2m。旋流洞内均为正压。水垫塘进出口均存在负压区，虽然试验中采取了一定的优化体型措施，但效果不是很明显，需要进一步研究。压力分析比较见表2.23。

表2.23　压力分析比较表　单位：m

(www.xing528.com)

（5）脉动压力。脉动压力对比分析如表2.24所示。

淹没出流型式在试验中共布置了11个脉动压力测点，重点观测了起旋室及其水平洞段的脉动压力情况：起旋室及水平旋流洞段由于水流较稳定、时均压力大，最大脉动压力约2.0m，且全部为正值，脉动压力均方根值为0.6～1.9m，主频率在0.01～1.00Hz，不会引起结构共振；水垫塘部位出现正负压力波动，但压力变幅较小，一般为－1.5～0.5m，脉动压力均方根值仅0.3～0.7m，主频率在0.01～1.00Hz，振动较小。

自由出流型式在试验中共布置了18个脉动压力测点，对竖井上部及下平洞段的脉动压力进行了试验研究。竖井上部圆弧墙面高程1976.80m处最大脉动压力为1.76m，主频率0.08Hz；最大脉动压力发生在水垫塘进、出口断面，设计洪水工况时分别为5.01m和3.72m，主频率0.01～0.15Hz；校核洪水工况时分别为6.74m和4.39m，主频率0.8～1.5Hz，应加强措施防止动水压力造成结构物破坏。

2.3.4.3　溢流堰两种流态型式比选

淹没出流型式和自由出流型式最大的区别在于竖井水流是否掺气，矛盾的焦点是如何解决旋流泄洪洞起旋室与水平旋流洞结合部位的减免空蚀破坏的问题，型式的选定应以旋流泄洪洞的运行安全可靠作为设计的前提。因此对淹没出流和自由出流两种型式从以下几个方面进行设计的综合比较。

（1）结构体型及流态。从进口堰闸段水力条件看，淹没流型式进口堰闸段门槽及溢流堰堰面水流稳定，淹没深度大，流速较低，堰闸段堰面及门槽运行安全可靠；自由出流型式堰面压力较小，门槽处存在立轴旋涡。

表2.24　脉动压力分析比较表

从表2.19及表2.20看出，溢流堰后淹没出流型式由起旋室下部扁口处的收缩断面控制泄流能力，为此加大了进口孔口尺寸。竖井内水流稳定，从而加大了对竖井井壁的压力，减小了水流脉动，起旋室体型较简单，这都有利于简化结构和运行安全。但由于溢流堰进口孔口尺寸加大，使堰闸段工程量和金属结构量增加。

自由出流型式泄流能力由进口控制，堰后边墩设掺气坎，加大起旋室断面形成双向渐变，并在水平旋流段前设折流坎，体型较复杂。虽然竖井内大量掺气，有利于防止空蚀破坏，但井内水流不稳定，波动大，竖井井壁振感较大，且体型复杂，恶化了结构受力状态，不利于运行安全。

对下平洞段两方案无本质差别，均采用了水流大量掺气、旋转消能、水垫塘突扩消能和调整水流流态的方法。仅水垫塘段长度相差20.0m，水垫塘及导流洞结合点之前的退水洞段均须套衬改建为11m×14m的城门洞断面，因此结构差别不大。由于下部通气量不同，淹没出流型式通气井直径较大，相应工程量较自由出流型式有所增加。

（2）防止空蚀破坏的措施。两方案解决起旋室与旋流洞连接部位空化问题的思路是不同的，从两个方案的水工模型试验成果分析，对敏感部位均能达到掺气减蚀的作用，不至发生空蚀破坏。自由出流型式利用竖井大量掺气来达到对起旋室与旋流洞连接部位的掺气减蚀作用，并设置了贴坡弧形折流坎和小升坎，消除了空化敏感部位的负压，提高了该部位的掺气浓度。淹没出流型式通过升坎体型的优化亦消除了连接部位的负压，利用旋转水流的剪切作用，将旋流空腔内的空气补给建筑物近壁，使近壁掺气浓度达到了12%以上，水流空化数σ亦达到了0.5左右，同样起到了掺气减蚀的作用。

（3）对地形地质条件的适应性。根据补充地质勘探和施工现场的实际揭露，旋流泄洪洞竖井部位基岩岩性大多为花岗岩，其间片岩及片麻岩无序穿插频繁，岩相变化较大，岩体中断层裂隙发育，岩石风化强烈，其中竖井高程1955.00m以上全部位于古全风化岩中，中部高程1955.00～1930.00m间25m长洞段位于强风化岩中，竖井高程1930.00m以下为弱风化。岩石物理力学指标低，地下水较为发育，地质条件较差。

采用自由出流型式，竖井水面波动比较大，水流对井壁的冲击脉动压力较大，存在竖井井壁衬砌和围岩振动问题，需要加大竖井井壁衬砌厚度至2.0m，以提高衬砌结构的刚度。采用淹没出流型式，竖井水面平稳，竖井内为稳定的压力流态，竖井受力比较明确，结构安全度高，对溢流堰及竖井段的工程地质条件适应性较好。

（4）检修条件。淹没出流型式将所有矛盾集中在下水平洞段集中解决，竖井相对比较安全；自由出流型式竖井及下平洞段均存在担心，一旦竖井出现破坏，竖井检修非常困难；由于竖井位于库内，上覆岩体厚度小，岩石断层裂隙发育，一旦竖井出现破坏，在水库内形成渗透通道，后果不堪设想；本工程在正常运行时下游水位较低，因此下平洞内检修相对方便，且下平洞段上覆岩体厚度大，岩石条件相对较好，即使出现一定的损坏，从修复条件和损坏程度上均好于自由出流型式。

（5）运行条件。本工程的泄洪建筑物由左、右岸泄洪洞和左岸开敞式溢洪道组成，左岸泄洪洞和溢洪道工作闸门均采用弧形闸门，且为常规成熟的泄水建筑物形式，运用条件灵活，完全可以满足枢纽在汛期泄洪的灵活运行要求。同时在设计中已考虑右岸旋流泄洪洞仅在设计洪水位及其以上水位时全开运行，严禁旋流泄洪洞局开运行。因此两种型式从运行条件来看无本质差别，均能满足枢纽安全运行。

由于下游水位比较低，旋流泄洪洞在闸门开启过程中即竖井充水过程，水流会对建筑物结构有不利的影响，经分析认为竖井充水过程越短越好，因淹没出流型式进口闸门孔口面积大充水流量大，下部扁口处断面收缩率大，能够较快使水流充满竖井，尽快达到稳定的流态。

通过上述综合比较，右岸旋流泄洪洞溢流堰后采用淹没出流型式。