用于生態(tài)流量泄放的豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)

陳立秋，王 超

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021)

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用于生態(tài)流量泄放的豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)

陳立秋，王 超

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021)

豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)是一種新的生態(tài)流量泄放設(shè)施，但其設(shè)計標準和工程經(jīng)驗較少。介紹了用于生態(tài)流量泄放的豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)設(shè)計思路、方案及水力計算經(jīng)驗公式，并通過模型試驗對其體型進行了優(yōu)化，解決了泄流能力的協(xié)調(diào)與匹配問題，通氣孔的設(shè)計、下游水深的影響等問題，以及摻氣、脈動、振動、空化空蝕、霧化、下游河床及岸坡的沖刷等問題。

消能；渦室；豎井旋流；消力池；生態(tài)流量

1 研究背景

在水電站建設(shè)過程中，因工程引起的下游河段水環(huán)境問題已引起社會各界的關(guān)注，尤其是引水式及混合式水電站。由于大壩與發(fā)電廠房之間形成一定的減(脫)水段，給下游生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，故為維護河流的基本生態(tài)需求，須下泄一定的生態(tài)流量，以滿足下游生態(tài)環(huán)境的需水量，實現(xiàn)水資源開發(fā)與保護、人與自然的和諧發(fā)展。

國外對生態(tài)流量需水量的研究始于20世紀40年代，近些年國內(nèi)針對這方面開展了較多研究工作。一般多采取在大機組之外單獨設(shè)置小機組泄放生態(tài)流量，并發(fā)揮一定的經(jīng)濟效益；或單獨設(shè)置生態(tài)流量泄放通道，通常在泄放通道末端設(shè)置消能閘室；或結(jié)合樞紐工程的引水、泄流等永久設(shè)施，修建、改建生態(tài)流量泄放設(shè)施。生態(tài)流量泄放涉及到泄水消能的問題，應用于泄水建筑物內(nèi)部的旋流式內(nèi)消能技術(shù)是解決消能的有效途徑，國外已開展了相關(guān)的研究，并取得良好的效果。但這些工程應用的泄流量和水頭范圍還不能完全適應我國水利水電工程多處于狹窄河谷地區(qū)所具有的水頭、流量等特點。

關(guān)于旋流式內(nèi)消能工的研究與工程應用在國外始于20世紀50～60年代，最大落差已達142 m，雖然國外開展這方面工作較早，但迄今仍缺乏系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗。在國內(nèi)，旋流式內(nèi)消能工的研究始于20世紀80年代末，并逐漸成為研究與工程方案論證的熱點，一些科研機構(gòu)和高校在不同程度上對旋流式內(nèi)消能工做了大量的研究，1995年由中國水利水電科學研究院結(jié)合四川沙牌工程對適合于超臨界流的豎井體型結(jié)構(gòu)進行了試驗研究并得到應用，最大泄流量為240 m3/s，這是我國最早利用豎井旋流式泄洪洞作為泄水建筑物的工程。在此之后，中國水科院在國家“九五”重點科技攻關(guān)項目“小灣工程大型導流洞改建為泄洪洞的關(guān)鍵技術(shù)研究”中，通過模型試驗研究導流洞改建旋流式豎井泄洪洞的工程布置，提出了適應工程特點的上下游水力銜接方式，從而論證了其在小灣工程中的可行性，提出了一些具有建設(shè)性的思想。豎井旋流式內(nèi)消能工是利用在豎井中使水流旋轉(zhuǎn)消除部分能量的一種消能措施。旋轉(zhuǎn)水流可有效地降低泄水道的流速，可避免超高速水流發(fā)生，并可消煞部分或大部分水流能量，減輕下游的消能負擔。這對改善大壩下游流態(tài)，保護下游環(huán)境，保障下游河道安全，岸坡穩(wěn)定及防止有關(guān)建筑物的淘刷破壞等均有積極作用，并把大面積承受高速或超高速水流的區(qū)域變?yōu)樾∶娣e承受，有利于采用工程措施解決超高速水流所帶來的問題。豎井旋流式內(nèi)消能工改變了將水流所攜帶的巨大能量傳遞到下游的傳統(tǒng)思維，而是將水流的部分或大部分能量消煞在建筑物內(nèi)，僅使極小部分能量傳遞至下游，這是消能觀念上的一個轉(zhuǎn)變。

豎井旋流內(nèi)消能工技術(shù)均用于泄洪消能建筑物的布置上，迄今為止國內(nèi)外還沒有將此技術(shù)應用在生態(tài)流量泄放建筑物布置上的先例，消能設(shè)施的運用工況與泄洪消能工程有很大差異，用于泄洪建筑物時使用的頻率不是很高，但用于生態(tài)流量泄放時則需要不間斷運行。

2 豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)設(shè)計思路

為減緩水利水電工程建設(shè)所帶來的不利環(huán)境影響，實現(xiàn)生態(tài)流量的合理下泄。結(jié)合水電站工程樞紐布置情況，利用導流洞工程進行改建，布置一條泄水隧洞通過豎井消能段與導流洞相連，在導流洞下部布置淹沒式消力池。豎井旋流式內(nèi)消能工作為一種新型的消能工，可解決高速水流帶來的諸多問題，特別適合于較高高程的進水口與較低高程的導流洞之間的銜接，在布置上不要求進口與出口在一條直線上，能夠以豎井軸線為原點，進行靈活布置，是一種適于深山峽谷中高水頭、大流量的新型消能措施，是高壩施工導流洞改建為永久泄放通道的最佳可行方案，對工程地質(zhì)條件的適應性強，消能率高。通過幾個工程的試驗及運用，證實具有較好的消能效果和水力特性，抗空化能力強，工程造價低。但豎井旋流式內(nèi)消能工作為生態(tài)流量泄放設(shè)施，需研究解決的技術(shù)難題有：

(1)在豎井消能建筑物的設(shè)計中，各部分連接體型參數(shù)是根據(jù)已建工程的一些經(jīng)驗公式確定，這些經(jīng)驗公式是國內(nèi)外學者基于大流量豎井旋流條件下建立起來的，其研究結(jié)果是否適用于生態(tài)流量泄放(小流量)工程，需要通過水工模型試驗來確定。

(2)豎井旋流消能結(jié)構(gòu)水力特性極其復雜，理論計算尚處于發(fā)展階段，在國內(nèi)已用于工程實踐的豎井旋流消能僅有沙牌水電站、小灣水電站兩例，泄流量分別為240、1 400 m3/s，而本技術(shù)方案生態(tài)流量泄放量僅為4.4 m3/s，豎井旋流消能技術(shù)是否適用于小流量，有待于進一步研究。

水流由上游引水道進入渦室，受初始環(huán)向速度和軸向速度(由重力引起)共同作用在渦室內(nèi)作螺旋運動，起旋后經(jīng)渦室進入豎井并以螺旋形式向下運動。水流在作螺旋運動過程中受離心力作用形成穩(wěn)定的自由面，沿渦室和豎井中心線形成穩(wěn)定的氣核空腔。隨著流量的增大，在離心力作用下將有更多的水體向井壁聚集，井壁壓力將隨之增大。渦室的泄流能力主要由其最小空腔斷面控制，空腔過小可能導致“嗆水”現(xiàn)象，使渦室內(nèi)全斷面壅水，螺旋流自然消失，水流直接跌落，此處嗆水封堵使引水道變成有壓流，過流能力迅速降低甚至危及建筑物安全。因此渦室直徑必須足夠大，泄流能力還受渦室內(nèi)的旋流回旋角度的影響，如果旋流回旋至來流處與引水道內(nèi)來流夾角過大，則旋流與來流就會交匯和沖擊，受旋流阻擋來流被迫變緩甚至產(chǎn)生界面水躍使過流能力降低。由于受離心力和重力作用，渦室和豎井內(nèi)螺旋流合成速度較高，為避免空化空蝕，井壁壓力應足夠大。豎井井壁壓力由旋流離心力產(chǎn)生并沿程降低，故應盡可能提高螺旋流的環(huán)向速度。渦室內(nèi)水流的環(huán)向速度與引水道來流速度和渦室直徑大小有關(guān)，引水道水流進入渦室時的速度切向分量即為初始環(huán)向速度。在初始環(huán)向速度一定時要提高渦室內(nèi)螺旋流的環(huán)向速度就需要渦室直徑盡可能的小。因此選擇合理、有效、經(jīng)濟的渦室尺寸，對工程實際的運行有重要意義。

從水力學角度講，豎井是一種很好的消能設(shè)施，它具有消能效果好，結(jié)構(gòu)布置靈活，抗空化能力強，工程造價低等優(yōu)點，能適應復雜的地形、地質(zhì)條件，利用反井鉆機施工也較簡單。豎井消能的機理是利用旋流的離心力作用，在壁面上形成正壓力，不易發(fā)生空化現(xiàn)象，而且由于水流的旋轉(zhuǎn)作用，形成較穩(wěn)定的空腔，有利于空氣摻混，減輕了空蝕作用，同時還由于水流的旋轉(zhuǎn)，加大了水流流程與紊動，提高了消能率，消能率可達85%以上，經(jīng)濟效益高，且可避免導流洞出口沖刷和霧化現(xiàn)象。豎井尺寸在滿足泄流時宜選用較小的直徑，可以改善壁面的壓力分布特性，減少空化空蝕的可能性，還能節(jié)省開挖和襯護的工程量。

3 豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)設(shè)計方案

豎井旋流內(nèi)消能建筑物由常規(guī)的壓力短進水口、明流引水洞同渦室連接的體型，由進口引水段、豎井消能段、退水洞段組成。其中，進口引水段包括短壓力進水口及后面的明渠引水道段，同時創(chuàng)造性地提出進口平面轉(zhuǎn)彎段布設(shè)彎道消力池結(jié)構(gòu)；豎井消能段包括渦室段、豎井收縮段、豎井直段以及下部消力池，豎井段的過流量主要取決于豎井進口尺寸，此處斷面直徑的大小由不發(fā)生嗆水的臨界狀態(tài)所決定，可采用半經(jīng)驗法進行近似計算；退水洞段即利用導流洞，同時創(chuàng)造性地提出在消力池下游設(shè)置多級跌水消能結(jié)構(gòu)，在導流洞內(nèi)形成明流流態(tài)，在豎井下部設(shè)消力池，池內(nèi)設(shè)水墊層，用以消除余下的能量，從而達到保護導流洞底板的目的。

以上各組成部分之間的銜接段在水流流態(tài)控制和消能方面起著關(guān)鍵的作用，也是建筑物泄流能力和結(jié)構(gòu)安全的瓶頸，是體形優(yōu)化的重點。

4 豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)水力計算方法[1- 3]

(1)豎井直徑?？砂唇?jīng)驗公式估算，即

(1)

(2)渦室直徑。根據(jù)已建成的幾個工程試驗研究成果，渦室直徑Dv約為豎井直徑D的1.2～1.4倍，當引水道與渦室的連接形式采用橢圓收縮型時，可使渦室直徑減小15%～20%。取Dv=1.4D，渦室內(nèi)直徑為1.8 m。

(3)渦室與豎井連接漸變段長度。漸變段長度對豎井周壁的壓力影響較大，漸變段越長，豎井周壁的最小壓力越大。漸變段長度常用經(jīng)驗公式計算，即

Ls=η(Dv-D)

(2)

式中，Ls為漸變段長度；η為系數(shù)，經(jīng)幾個工程的豎井旋流泄洪洞水工模型試驗，取η=5.0～6.0較適宜，若η<4.0，則漸變段后豎井周壁易出現(xiàn)負壓，若η>6.0，漸變段后豎井周壁的最小壓力越大。取η=5.0，渦室與豎井連接漸變段長度為2.0 m。

(4)渦室進口引水段的水力設(shè)計。渦室進口引水段為閘門井后的明流引水隧洞，與渦室的連接形式采用橢圓收縮型。渦室同明流引水隧洞的一側(cè)邊墻采用1/4橢圓曲線連接，橢圓長軸a=1.2Dv，短軸b=0.75Dv，渦室進水口開口高度根據(jù)經(jīng)驗公式取y=1.4D。橢圓長軸a=2.16 m，短軸b=1.35 m，渦室進水口開口高度y=1.85 m，該經(jīng)驗值對于小流量豎井旋流消能明顯偏小，后根據(jù)模型試驗成果進行了調(diào)整，渦室進水口開口高度取y=3.1D=4.0 m。

(5)通氣孔的設(shè)計。為了保持旋流空腔為大氣壓力，防止豎井壁面產(chǎn)生負壓，通常設(shè)通氣孔，通氣孔的位置應在距渦室頂拱中心的上游處，以避免水流封堵孔口。在引水道為高佛氏數(shù)的情況下，渦室進口將被水躍封堵，必須在渦室頂部設(shè)通氣孔，向旋流空腔通氣，以維持空腔壓力為大氣壓力，否則，豎井壁面會產(chǎn)生負壓，通氣孔的通氣量與引水道的佛氏數(shù)和水躍的補氣量有關(guān)。目前尚未有通用的計算公式，但佛氏數(shù)是主要的影響因素，可按下式估算最大通氣量：

Qa=0.1Q(Fr-1)0.2

(3)

式中，Qa為通氣量，m3/s；Q為設(shè)計流量，m3/s；通氣孔直徑取φ100 mm。

5 豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)模型試驗成果

按重力相似準則，采用1∶15大比尺模型進行了豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)的研究，包括體型優(yōu)化的重點與方向問題，泄流能力的協(xié)調(diào)與匹配問題，通氣孔的設(shè)計、下游水深的影響等問題，以及摻氣、脈動、振動、空化空蝕、霧化、下游河床及岸坡的沖刷等問題。

(1)有壓進水口和明流洞段水流平穩(wěn)，沿程水深分布均勻，進入陡坡收縮段后，水深開始有所增加，水流進入渦室后順利起旋，在渦室及豎井中央形成穩(wěn)定的空腔，水流流態(tài)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)振動小，未發(fā)生空化空蝕現(xiàn)象。

(2)根據(jù)模型試驗觀測，試驗空腔半徑與豎井半徑之比Ra/R>0.60，大于經(jīng)驗值0.40，在小流量豎井旋流中，半經(jīng)驗公式臨界值Fr=1.61偏小，渦室進口流速較大流量條件下流速要小很多，有跌流的現(xiàn)象，為了使水流充分起旋，渦室進口水流Fr要更大，而在進口流速增加的情況下，豎井內(nèi)空腔直徑也相應增加，因此Ra/R>0.40的臨界條件需相應調(diào)整，有待于進一步研究，在小流量豎井旋流工程的半經(jīng)驗公式臨界值要大于大流量的臨界值。

(3)進口平面轉(zhuǎn)彎段布設(shè)彎道消力池，消能作用明顯，消除了彎道效應產(chǎn)生的沖擊波，彎道下游水流流態(tài)穩(wěn)定，水面線沿程下降。

(4)根據(jù)經(jīng)驗公式，渦室進口開口高度通常取1.4D，渦室高度通常取1.8D，該經(jīng)驗值對于小流量豎井旋流消能明顯偏小，后根據(jù)模型試驗成果進行了調(diào)整，渦室進口開口高度調(diào)整為3.1D，渦室高度調(diào)整為3.7D。

(5)渦室進口“瓶頸”對泄流能力的制約，為了使渦室在小流量也能起旋，在進入渦室前的一小段的渠道寬度收縮，相應渠道底坡加陡以適應水深的增加，底坡由上平段的i1=0.01加陡至i2=0.10。收縮渦室進口斷面寬度，增加了渦室進水口寬度B=0.5Dv的規(guī)定，增加引水漸變段底坡可有效改善漸變段出口跌流現(xiàn)象。水流進入渦室后充分起旋，使渦室在小流量也能起旋，豎井內(nèi)水流形成穩(wěn)定的旋流，消力池底板沖擊壓強較小，溢流堰及下游流速較小。

(6)消力池下游設(shè)置多級跌水與原隧洞底坡用緩坡連接，降低了溢流堰出口流速，并有效降低了消力池下游水位，穩(wěn)定了水流流態(tài)。

(7)彎道消力池消能率85%以上，豎井消能率97%以上、消力池消能率96%以上，綜合消能率99%以上，滿足系統(tǒng)消能率85%以上的要求。

6 結(jié) 語

基于大流量豎井旋流條件下建立起來的經(jīng)驗公式及其理論計算方法，建立起用于生態(tài)流量泄放(小流量)的豎井旋流內(nèi)消能方法，同時創(chuàng)造性地提出進口平面轉(zhuǎn)彎段布設(shè)彎道消力池及加高溢流堰并在消力池下游設(shè)置多級跌水結(jié)構(gòu)。消除了彎道效應產(chǎn)生的沖擊波，對改善彎道水流流態(tài)效果顯著，彎道下游水流流態(tài)穩(wěn)定，水面線沿程下降，出口水流充分起旋，豎井內(nèi)水流形成穩(wěn)定的旋流，消力池底板沖擊壓強較小，有效降低了消力池底板壓強，明顯降低了溢流堰出口流速，多級跌水采用臺階式與導流洞底坡用緩坡連接，有效降低了消力池下游水位，穩(wěn)定了水流流態(tài)。

豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)用于生態(tài)流量泄放建筑物，屬國內(nèi)外首創(chuàng)，為小流量豎井旋流消能應用的先例。作為新型的生態(tài)流量泄放設(shè)施，在借鑒國內(nèi)外已有工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，做了大量的、系統(tǒng)的和全面的模型試驗，建立起用于生態(tài)流量泄放(小流量)的豎井旋流內(nèi)消能方法，為豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)的推廣以及后續(xù)大型工程的生態(tài)流量泄放提供了第一手的資料及工程實踐經(jīng)驗。在國內(nèi)外尚缺少實踐經(jīng)驗，尚沒有經(jīng)過長期的運行考驗，對于渦室豎井內(nèi)的水流噪聲、摻氣濃度、建筑物結(jié)構(gòu)振動、鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)應力應變等仍需進行深入細致的研究，并進行振動效應監(jiān)測、空化空蝕監(jiān)測、動水壓力監(jiān)測、底流速監(jiān)測及流量監(jiān)測，進一步優(yōu)化體形和相關(guān)設(shè)計理論。通過對豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)的試驗研究，對類似工程有重要的推廣應用價值和指導作用，也促進了該技術(shù)的應用，在設(shè)計、研究與工程應用中具有里程碑的意義，將有力地推動豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)在工程上的應用，為解決高壩建設(shè)中生態(tài)流量泄放建筑物的高速水流問題與導流洞改建的技術(shù)問題提供工程實例。

[1]衛(wèi)勇， 匙召君， 常曉琴. 豎井旋流泄洪洞的水力設(shè)計[J]. 水力發(fā)電學報， 2007(3)： 88- 92．

[2]董興林， 肖白云. 高水頭大泄量旋渦豎井式泄洪洞的設(shè)計研究[J]. 水利學報， 2000(11)： 27- 33.

[3]董興林， 楊開林， 馮賓春， 等. 旋流豎井式泄洪洞關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J]. 水利水電技術(shù)， 2006(5)： 37- 40.

[4]宗原, 王智, 王影， 等. 吉林松江河梯級雙溝水電站生態(tài)流量泄放工程水工模型試驗報告[R]. 吉林： 中水東北勘測設(shè)計研究院有限責任公司， 2012．

(責任編輯 王 琪)

Application of Internal Energy Dissipation Technology in Shaft Spillway with Whirling Current for Ecological Flow Discharge

CHEN Liqiu, WANG Chao

(China Water Northeastern Investigation, Design & Research Co., Ltd., Changchun 130021, Jilin, China)

Internal energy dissipation of shaft spillway with whirling current is a new facility of ecological flow discharge, but there is few design standard and practical project to reference. The design ideas, scheme and hydraulic calculation empirical formulas of internal energy dissipation technology in shaft spillway for ecological flow discharge are introduced. The shape of shaft spillway is optimized by model tests. These results solve the problems of the coordination and matching of discharge capacity, the design of ventilation hole, the influence of downstream water level, as well as the aeration, pulsation, vibration, cavitation, atomizing and the erosion of downstream river bed and banks．

energy dissipation; volute chamber; shaft whiling current; stilling pond; ecological flow

2015- 12- 01

陳立秋(1974—)，女，遼寧葫蘆島人，高級工程師，主要從事水利水電工程管理工作．

TV653.9

A

0559- 9342(2016)09- 0060- 04