水平旋流消能泄洪洞的设计与研究现状及应用实例

旋流消能工可分为垂直旋流消能和水平旋流消能两种型式。

垂直旋流（即竖井旋流消能），早在20世纪60年代法国和意大利就研究出螺旋（Spiral）型涡室下接竖井的结构体型，并广泛地用在城市防洪、排污的小型泄水道中，如桑塔马利亚（SantaMaria）、纳尼（Narni）和蒙特阿金托（MontaArgento）等。前苏联在理论上作了发展。1987年我国四川草坡水电站仿造此型也建成旋流竖井泄水道（流量9.6m3／s，水头391m），运行以来未出现异常现象，国内在此基础上研究了涡室下接渐缩段的旋流竖井流量系数和水流特性。另一种是引水道直接同竖井相切（Tangential）的体型，例如，前苏联麦杰奥（Mедео）防泥石流坝的多层旋流竖井排水道，其涡井进口前为有压管道。美国人捷恩（JainS.C.）对直接偏心相切的涡井进行了试验和理论研究。20世纪90年代瑞士人黑格（W.F.Hager）研究急流（Fr＞1）旋流进水口，在涡室内设一道和竖井同半径R（周长5πR／4）的圆形导流墙。1993年中国水科院为四川沙牌水电站首次研究出由压力短进水口、引水道、涡室、竖井连接导流洞的竖井旋流式泄洪洞，引水道为急流（Fr＞1）同涡室偏心切线连接，最大泄洪量240m3／s，总水头90m，现已建成，但尚未投入运行。国内从“八五”攻关开始，先后对拉西瓦水电站（落差213m，单孔泄量1640m3／s，双孔泄量3260m3／s）、溪洛渡水电站导流洞改建泄洪洞工程（泄量2700m3／s、水头220m）及小湾水电站泄洪洞（最大泄量1400m3／s，水头总落差258.0m）采用旋流消能工进行了研究。

水平旋流（即洞内旋流消能），前苏联曾对一些大型水电站导流洞改建旋流消能泄洪洞进行了试验研究，主要工程有罗贡、切尔麻姆、突波兰和印度特里等。其中罗贡（Pогун）旋流消能泄洪洞进水口为扇形布置三孔弧形门，自由溢流竖井，堰上水头8.5m，总水头130m，泄量2000m3／s，竖井直径13m，起旋室直径13m，旋流洞直径由13m渐变至9m（目的是消除洞内负压）；切尔麻姆（Tелʒъмам）泄洪洞，水头134m，泄量1980m3／s，采用两孔有压进水口通过斜井（9m×9.5m城门洞形断面）同直径10m、长120m的旋流洞连接，下接洞内消力池（9m×15.3m）再同下游隧洞（12m×13m）连接，出口为开敞消力池；印度特里（Tehri）水电站两岸共四条导流洞均改成旋流消能泄洪洞，最大水头215m，最大泄量1900m3／s，占总泄量60%。其中右岸两条洞为喇叭形进水口，无闸门控制，左岸两条洞为单孔溢流堰进水口，堰宽10m，弧门尺寸10m×15m（宽×高），堰上水头20m，竖井直径12m，下部采用两折线同起旋室（直径12m）偏心相切连接，在起旋室盲端设直径3m的排气井，上部设直径6m的水气分离室。为了防止出现负压，在垂直转弯处采用圆弧与旋流洞连接。旋流洞直径12m、长120m，下接高11m马蹄形断面的导流洞。由于尾水位比出口洞顶高出20m，洞内为有压掺气流。沿泄洪洞顶部设6道排气井，通向上部集气洞。印度曾对左岸T2旋流洞按1∶60比尺进行了模型试验，竖井为自由流，水流充分掺气，保护旋流洞不发生空蚀，增加消能效果，同时降低起旋室压力和流速。起旋室底板最大压力149×9.8kPa，流速36.2m／s，脉动压力标准差5.05×9.8kPa。目前国外仅特里水电站已采用该方案，但未见有关运行的报道。国内曾采用数值计算和模型试验研究了水力学特性、空蚀和消能率等。(www.xing528.com)

公伯峡水电站导流洞改建为水平旋流消能泄洪洞是国内首次结合工程实际应用的研究。公伯峡水电站右岸泄洪洞在重编初步设计阶段为与导流洞结合“龙抬头”泄洪洞型式，因导流洞施工中揭露右岸地质条件复杂，右岸泄洪洞非结合段（龙抬头段）位于导流洞右侧，地质条件复杂，洞顶上覆岩体较薄，大部分洞段为强风化花岗岩和部分片岩、片麻岩互层的Ⅲ类、Ⅳ类围岩，局部洞段为Ⅴ类围岩，洞室围岩稳定性及成洞条件差，为减少施工风险，2001年8月提出了右岸泄洪洞与导流洞非结合段采用旋流消能型式代替“龙抬头”型式的建议，从此开始了右岸泄洪洞采用旋流消能泄洪洞的研究工作。经过几年的研究，水平旋流消能技术已在公伯峡水电站得到实际应用，并经原型过水试验的检验，获得成功。

公伯峡水电站右岸泄洪洞总水头105m，在校核水位2008.00m下泄流量1060m3／s。导流洞断面为12m×15m（宽×高）的城门洞形，在桩号导0＋361.22m上游为半径360m圆弧段（底坡0.166%），下游为直线洞（底坡0.5%），从桩号导0＋721.00m到出口桩号导0＋962.02m断面改为12m×19m，末端为扩散式贴角鼻坎。