螺旋對(duì)沖消能方式的探究

劉道樺+陳藝航+楊尚武+關(guān)曉娟

摘 要：該方案針對(duì)狹窄河谷地區(qū)泄洪消能設(shè)施難以布置及消能效果難以控制的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套水庫(kù)泄洪時(shí)，水流在泄洪管道內(nèi)部、底部消力池兩處消能的泄洪消能的結(jié)構(gòu)。消能分為3個(gè)不同的消耗模塊：螺旋管道內(nèi)部消能、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)沖消能、對(duì)沖后的消能墊池消能；以螺旋管道的上端為泄洪閘門(mén)，將洪水引入螺旋消能管道進(jìn)行一次消能；另通過(guò)在壩下（或山體內(nèi)）鋪設(shè)有壓對(duì)沖管道，并在消能池內(nèi)水面以上設(shè)置出口以一定角度產(chǎn)生水流，與經(jīng)過(guò)螺旋消能的水流進(jìn)行對(duì)沖，使下泄水體能量受墊塘水深和回射水流的雙重控制分別實(shí)現(xiàn)二次和三次消能，由此達(dá)到增加消能率的目的。其中對(duì)沖管道部分將根據(jù)三級(jí)消能的最終效果來(lái)反饋調(diào)節(jié)對(duì)沖管道閥門(mén)開(kāi)合程度，控制對(duì)沖管道的流量流速大小實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)消能，達(dá)到最佳的消能效果。此方案適用于狹窄河谷地區(qū)泄洪消能，減少泄洪時(shí)強(qiáng)大的水流對(duì)下游的危害。

關(guān)鍵詞：水能 泄洪 螺旋式引流 對(duì)沖式消能

中圖分類(lèi)號(hào)：TV13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（c）-0103-03

從國(guó)內(nèi)外目前的研究進(jìn)展來(lái)看，螺旋式內(nèi)部消能布置是一種適用于深山和峽谷中高水頭、大流量的新型消能措施，是高壩施工導(dǎo)流洞改建為泄洪洞的可行方案之一。它將洪流攜帶的巨大動(dòng)能和勢(shì)能傳遞到下游消能的傳統(tǒng)思維，改變?yōu)閷⒑榱鞯牟糠只虼蟛糠帜芰吭谛顾ㄖ飪?nèi)部消減，僅使剩余能量傳遞至下游，這是消能觀念上的一個(gè)較大變化。國(guó)外進(jìn)行了一些研究與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)也先后在一些大中型工程，如拉西瓦水電站、李家峽水電站等開(kāi)展了旋流式內(nèi)消能工的試驗(yàn)探究和設(shè)計(jì)方案對(duì)比。通過(guò)實(shí)踐，對(duì)這一消能形式的水力特性和消能機(jī)理有了些許認(rèn)識(shí)。

國(guó)內(nèi)目前在水利上泄洪時(shí)水流對(duì)沖消能的研究也有很大的局限性，在已有的資料里提及對(duì)沖消能的特點(diǎn)在于消力池的泄洪陡槽中沿水平方向布置有至少一道呈波折狀的消力坎，而且消力坎的高度低于收縮水的深度，靠近上游部分的高度低于位于下游部分的高度。利用帶有波折狀的消力坎，改變陡槽中水流的流動(dòng)方向和對(duì)水流進(jìn)行挑流。瀉下的水流在空中對(duì)沖碰撞，從而達(dá)到消能的效果，這就是現(xiàn)行措施的縮影。通過(guò)理論驗(yàn)證適用于泄洪陡槽下游，抗沖刷能量弱的工程。

面對(duì)兩種消能方式的各自局限性，國(guó)內(nèi)對(duì)螺旋和對(duì)沖消能方式的研究都處在初級(jí)階段，更幾乎沒(méi)有對(duì)兩種消能方式相結(jié)合的研究，這也吸引著人們努力在這方面進(jìn)行探索。

傳統(tǒng)的壩頂泄流、壩身孔口泄流、壩面泄流方式在高水頭、大流量、高流速運(yùn)行條件下，會(huì)受到空化空蝕及流動(dòng)失穩(wěn)等問(wèn)題的困擾，修建螺旋式豎井泄洪洞是解決上述難點(diǎn)的有效方法之一。由于它的綜合消能率在50%以上，如果在洞內(nèi)充氣不僅能更好地防止空蝕現(xiàn)象而且能進(jìn)一步提高消能效率，有效地降低洞內(nèi)水的流速。

因而選用螺旋對(duì)沖溢洪道是一種修建泄洪洞的較好選擇。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

此次研究的思路為螺旋式豎井消能泄洪洞尾部加裝流量流速監(jiān)控器，通過(guò)監(jiān)控器調(diào)節(jié)另取水口的管道開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)水流大小來(lái)與螺旋式豎井尾部流出的水對(duì)沖進(jìn)行消能。此裝置通過(guò)螺旋、對(duì)沖和水墊塘消能3種方式進(jìn)行組合消能對(duì)洪水有極大的應(yīng)對(duì)能力。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上游其中一側(cè)的山體設(shè)置一個(gè)取水口，取水口處有分支結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)分支橫向開(kāi)挖一段距離后，向下開(kāi)挖螺旋式豎井，達(dá)到螺旋消能的功能。在螺旋管道末端設(shè)置水流監(jiān)測(cè)器檢測(cè)流量和流速。另一分支在取水口的下方，并在出水處設(shè)置水流調(diào)節(jié)閥，兩分支水道最下端處于同一水平線，在泄洪時(shí)，打開(kāi)閘門(mén)，水流通過(guò)螺旋管道第一次消能。在螺旋管道末端觸發(fā)監(jiān)測(cè)器調(diào)節(jié)對(duì)沖管道水流大小，兩管道的出水口相對(duì)，兩股水流形成對(duì)沖第二次消能，并且利用流水墊塘再次對(duì)水體能量進(jìn)行第三次消能。最終尾水流出消能結(jié)束。

2 創(chuàng)新特色

2.1 螺旋式泄洪洞消能

螺旋式消能屬于內(nèi)部消能，泄洪口處設(shè)螺旋豎井管道，螺旋管道末端對(duì)沖管道出水口相對(duì)。和已有的豎井泄洪相比，螺旋式泄洪管道中的洪水由于繞螺旋管道豎向軸心旋轉(zhuǎn)貼壁做離心運(yùn)動(dòng)，在中心形貼壁處成穩(wěn)定空腔，使管道中水流保持穩(wěn)定的流態(tài)，而且形成較佳的氣體通行條件。該方案在原有單圈阻塞式旋流管道基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在保持較高消能效率的情況下增加過(guò)流能力。設(shè)計(jì)合理的條件下，可以高效地消耗大多數(shù)水體能量。

2.2 采用對(duì)沖的方式進(jìn)行二次消能

對(duì)沖式消能屬于外部消能。將通過(guò)螺旋管道已經(jīng)損失部分動(dòng)能的水流，在對(duì)沖口與引水管道水流進(jìn)行對(duì)沖形成二次消能，使消能效率進(jìn)一步增強(qiáng)。在對(duì)沖消能時(shí)利用了墊塘的水深進(jìn)一步加大了消能效率。

2.3 動(dòng)態(tài)消能

根據(jù)螺旋消能流速來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)沖流量，達(dá)到動(dòng)態(tài)消能效果。使螺旋消能和對(duì)沖消能二者有效的結(jié)合達(dá)到二次消能的效果。螺旋式豎井管道下端加裝流量流速監(jiān)控器，通過(guò)監(jiān)控器所測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)另一取水口管道內(nèi)水流大小使其與螺旋式豎井內(nèi)經(jīng)過(guò)一次消能的水流對(duì)沖進(jìn)行二次消能。

針對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制提出了，自動(dòng)化調(diào)節(jié)設(shè)想如圖1、圖2。

3 實(shí)驗(yàn)探究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

方案一：通過(guò)相同長(zhǎng)度的直管道和螺旋管道在相同靜水壓力進(jìn)行過(guò)水實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量在相同高度下兩管道出水口的出水口初速度，進(jìn)而初步計(jì)算螺旋管道的動(dòng)能消能效率。

方案二：利用模型在相同水頭下，對(duì)螺旋管道和對(duì)照組進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)；通過(guò)壓力差來(lái)推算對(duì)沖結(jié)構(gòu)的壓能消能效率。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1～表3。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

（1）通過(guò)流態(tài)觀測(cè)，在無(wú)對(duì)沖管時(shí)，下游入水點(diǎn)附近形成較大的旋滾及尾水波動(dòng)，并對(duì)河岸造成較強(qiáng)拍擊；在對(duì)沖管開(kāi)啟一定程度后，下游水流明顯受控，尾水波動(dòng)減小，河岸受拍擊程度減輕。

（2）通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，螺旋管道較同長(zhǎng)度直管道動(dòng)能消能效率為51%左右，對(duì)沖管道部分壓能率為62%左右，再通過(guò)消能墊塘進(jìn)行消能得到了理想的消能效果。

4 應(yīng)用前景

螺旋式對(duì)沖消能結(jié)構(gòu)消能效率高，結(jié)構(gòu)可靠性強(qiáng)，布置緊湊。尤其在我國(guó)西南地區(qū)地形陡峻、河谷狹窄、消能設(shè)施不易布置的情況下，傳統(tǒng)消能設(shè)施不易布置的缺陷尤為突出。而此種新型消能方案，為我國(guó)下一時(shí)期加大西部水利開(kāi)發(fā)提供了一種可取的新設(shè)想。這一消能方式消能效率高，符合當(dāng)下實(shí)際，可以提高水工建筑的防洪等級(jí)，保障水安全。并且此種消能方式可以利用部分導(dǎo)流洞遺留設(shè)施，節(jié)約成本。對(duì)于某些特殊壩型（如面板堆石壩），在本就需要在兩岸山體設(shè)置防洪設(shè)施的情況，提出了合理解決的方案。

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