[发明专利]一种旋流环形堰防蚀、消能的泄洪方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋流环形堰防蚀、消能的泄洪方法及装置，是一种水利防洪泄水的方法和装置，是一种用于水库泄洪洞防蚀和消能的方法和装置。

背景技术

修建大坝主要是为了防洪、发电、城市供水和农业灌溉等目的，而泄洪结构设施是汛期保证大坝安全的重要枢纽组成部分。对于一个好的泄水结构设施它必需满足运行安全可靠、工程投资少和不破坏下游生态环境的要求。我国的大、中型水库有数万座，其中大部分是土石坝，达不到防洪标准的工程为数不少，特大洪水到来时，往往因泄洪能力不足，或因闸门打不开，发生洪水漫溢溃坝现象，给人民生命财产造成灭顶之灾，如1975年8月河南的板桥和石漫滩水库垮坝事件对我国政治、经济和社会带来极大的负面影响，广西石大开水库在洪水来临时，闸门打不开，洪水位猛涨，正在水流要漫坝的瞬间，闸门被洪水冲垮，避免了一场大灾难。国内外垮坝事件很多，特别是中小型水库不计其数。为防止垮坝事件的发生，除在水坝附近建造溢流设施外。有时需增建一条非常溢洪道，这种溢流设施通常利用建造水坝时的导流洞(水坝完成后即废弃)增加一条竖井，在竖井上设环形堰的进水口形成泄洪洞。堰顶高程即水库正常水位，当水位高于正常水位时泄洪洞开始泄洪。种种传统的环形溢流堰竖井式泄洪洞(美国称Morning-glory spillway)，在20世纪40～50年代美国修建很多，其主要缺点是：

(1)为了适应设计流量，在环形堰顶设分流墩，而为了防止由于开挖地形引起的漩涡对泄流能力的影响，还需要专门设置防漩墩。

(2)环形堰下的竖井普遍存在较大的负压，除此之外，竖井与出水洞连接的顶部负压更大易发生空蚀破坏，还有洞内流速高(总水头100～200m，流速38～50m/s)，也易发生空蚀破坏，而在洞的出口采用挑流坎射流产生雾化现象，破坏生态环境。

(3)已往为了解决竖井的空蚀问题，将整体竖井从上到下改成逐渐收缩断面，以增加压力(美国)，或在竖井上部设置环形通气坎，在出水洞的进口顶部和底板设置掺气坎和通气槽(前苏联)。

(4)虽然多处设置了掺气设施，在与出水洞连接段的底板上也有发生空蚀破坏的可能性(如我国二滩1^#泄洪洞)。

(5)通气管道系统复杂，增加施工困难，不经济。

在导流洞中也要设置消能设施，传统的消能设施是在竖井的洞底部位开挖消力井，在竖井与导流洞连接的部位的导流洞顶设置反向收缩坎(或称压板)，同时设通气井，目的是增加消能效果和保持下游形成稳定的明流流态。通过许多试验证明这种设施对消能率的增加甚小(不到2％)，洞内水面波动也较大。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种旋流环形堰防蚀、消能的泄洪方法及装置，或者称为旋流环形堰防蚀、消能的泄洪设施。所述的方法和设施的目的是为水电站水库提供一种可靠的高效率防蚀、消能的新型泄洪建筑物。本发明所述方法是利用环形堰易发生漩涡的机理，巧妙地利用几个导流墩使环形堰进水口和竖井形成稳定的螺旋流流态，增加壁面压力并掺入大量空气，在竖井下部产生环状水跃，与洞内水垫联合消能，达到防蚀和提高消能率的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种旋流环形堰防蚀、消能的泄洪装置，所述的装置包括：一个竖井，所述竖井底部与水平的消能洞相贯连接，所述消能洞与导流洞贯通连接，所述的竖井的进口处设置环形堰，所述环形堰的内环与竖井形成光滑的收缩型曲面连接；所述环形堰外设置几个导流墩，所述导流墩的中心线与环形堰的切线成大于或等于0°小于45°的夹角；所述的竖井与消能洞连接的部位与消能洞相对的位置有一空间；所述的消能洞设置有集水墩和收缩墩，集水墩和收缩墩之间是水垫塘。

一种使用上述装置的旋流环形堰防蚀、消能的泄洪方法，所述方法的步骤：

水流漫过环形堰；

水流在导流墩的作用下与环形堰切线成一定角度的方向进入环形堰；

在多个导流墩的作用下，水流在环形堰内缘与竖井连接的光滑的收缩型曲面上形成绕垂直轴的旋流；

旋流中部带有空腔，带有空腔的水流吸入大量空气进入竖井；

带有大量空气的旋流沿竖井下落，在竖井下部位形成环形水跃和气水混合垫层，消耗大量能量；

在竖井与消能洞结合的部位，水流在消能洞进口与消能洞相对的空间中形成旋滚流，与原绕垂直轴的旋流形成复杂的掺气流动，进行消能；

水流进入消能洞，在集水墩的作用下，高速掺气水流从集水墩的顶部敞口射入水垫塘，在水垫塘内水流产生旋滚流进行强力的气水剪切作用继续消耗大量能量，再次消能；