水平旋流消能泄洪洞主要成果与应用

5.3.3.1　主要成果

（1）通过竖井旋流消能泄洪洞和水平旋流消能泄洪洞的试验研究，在流量及消能率都能满足设计要求的条件下，经从建筑物布置的适应性、运行要求、施工安全、减小结构振动、建筑物安全和节省投资等综合比较，选择采用水平旋流消能泄洪洞型式。

（2）通过对水平旋流消能泄洪洞进口淹没流和自由流流态两种型式的试验研究，从进口流态、结构体型、对地形地质条件的适应性及运行条件等进行综合分析比较后，进口溢流堰采用淹没流型式。

（3）为提高起旋室及升坎部位抗空蚀性能，采用了两项措施：一是在竖井中上部设环形掺气坎，坎下用通气孔补气，提高起旋室及升坎部位的掺气量；二是优化起旋室体型，即升坎采用开口和削坡的体型，并在升坎后（即旋流段进口）设收缩环，提高起旋室及升坎部位的压力，较好地解决了抗空蚀问题。

（4）通过试验研究认为，竖井掺气坎下部能形成较稳定的空腔，保证通气顺畅，泄流流量是由环形掺气坎和起旋室进口断面控制，同时起旋室进口面积必须与环形掺气坎过流面积相匹配。

（5）旋流洞及水垫塘是水流消能的主要部位，起旋室上游侧设通气孔补气，使旋转水流充分掺气，通过试验研究，从消能和抗空蚀两个方面综合考虑，最终采用水垫塘进口长渐变段和出口边底流线型坎的方案，既提高抗空蚀性能，保证运行安全，同时也满足消能率要求。

（6）水平旋流消能泄洪洞的消能率达84.5%，退水洞段内的流速小于15m／s，原导流洞混凝土衬砌基本可满足要求，不需进行特殊改建处理。

（7）出口利用原导流洞的出口挑流鼻坎，在下泄设计或校核洪水时，下游水位较高，水流为面流衔接；下游水位低时，为挑流衔接，入河流态较好，挑流鼻坎不需改建。下游河道冲淤情况较原“龙抬头”方案有所改善，仅鼻坎前冲坑深度略有增加，但不会危及鼻坎安全。

5.3.3.2　成果应用

公伯峡水电站右岸泄洪洞已按所选定的水平旋流消能泄洪洞及各部位的优化后的体型建成，并已经过了过水运行原型监测的验证。

5.3.3.3　结论(www.xing528.com)

通过水平旋流消能泄洪洞型式比选和体型优化的大量试验研究工作，结合公伯峡水电站工程地形地质条件和运行的特点，确定了公伯峡水电站水平旋流消能泄洪洞的型式和各部位体型。试验表明该方案满足设计泄量和消能率的要求，适应竖井上部围岩稳定性差的地质条件，较好地解决了抗空蚀问题，改善和减小了对下游河道的冲淤。因此，该方案优于原设计的“龙抬头”方案，是导流洞改建成永久泄洪洞的一种新型式。公伯峡水电站水平旋流消能泄洪洞（最大运行水头105m，最大泄量达1060m3／s）的应用，在国内属首次采用。经过试验研究并结合公伯峡水电站工程的具体条件确定的水平旋流消能泄洪洞型式和体型，主要有以下几方面的研究成果：

（1）竖井旋流消能泄洪洞和水平旋流消能泄洪洞流量及消能率都能满足设计要求。但竖井旋流消能泄洪洞竖井段偏短，在竖井内水流环向旋流流态不稳定，消能主要由竖井底部的消力池水垫来完成，竖井结构振动较强烈且竖井直径大，施工安全风险较大。采用水平旋流消能泄洪洞的型式，可减小竖井施工风险和竖井结构振动，适应了竖井上部围岩为古风化花岗岩的不良工程地质条件，同时节省了工程投资。

（2）通过对水平旋流消能泄洪洞进口流态的比较研究，水平旋流消能泄洪洞进口采用淹没流流态，使竖井上部成为管流，入流顺畅，水流平稳，减少了水流脉动对钢筋混凝土衬砌和围岩的影响。

（3）起旋室是形成旋流的关键部位，但起旋室及升坎部位又是空化空蚀的敏感部位，为提高其抗空蚀性能采用了两项措施：一是在竖井中上部设环形掺气坎，坎下用通气管补气，提高起旋室及升坎部位的掺气量；二是优化起旋室体型，即导流坎采用开口和削坡的体型，并在升坎后（即旋流段进口）设收缩环，提高起旋室及升坎部位的压力，较好地解决了抗空蚀问题。

（4）通过试验研究认为，竖井掺气坎下部能形成较稳定的空腔，保证通气顺畅，泄流流量是由环形掺气坎控制，起旋室进口面积必须与环形掺气坎过流面积相匹配，当掺气坎坡度为1∶2.5～1∶3.0时，ω／A宜控制在1.05左右。

（5）旋流洞及水垫塘是水流消能的主要部位，其消能和抗空蚀两个方面应综合考虑。采用体型突扩或急剧变化，有利提高消能率，但易造成边壁负压和脉动压力大的不利情况；采用渐变或流线型体型，可减小边壁负压和脉动压力，但对消能率有一定影响。经综合试验研究，最终采用水垫塘进口长渐变段和出口边底流线型坎的方案，既提高抗空蚀性能，保证运行安全，同时也满足消能率要求。

（6）水平旋流消能泄洪洞的防空蚀是本工程是否能安全运行的关键问题之一，其措施主要是采用合适体型的边界条件来提高掺气浓度和提高边壁压力。

（7）水平旋流消能泄洪洞的消能率达84.5%。退水洞段内的流速小于15m／s，导流洞混凝土衬砌基本可满足要求，不需进行特殊改建处理。

（8）出口利用原导流洞的出口挑流鼻坎，在下泄设计或校核洪水时，下游水位较高，水流为面流衔接；下游水位低时，为挑流衔接，因此挑流鼻坎不需改建。下游河道冲淤情况有所改善，仅鼻坎前冲坑深略有增加，但不会危及鼻坎安全。

以上试验研究成果表明，公伯峡水电站右岸泄洪洞采用水平旋流消能泄洪洞的型式在技术上是可靠的。