[发明专利]一种潜水起旋墩自调流竖井消能方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种潜水起旋墩自调流竖井消能方法与装置，是一种水工方法和装置，是一种用于泄洪洞入水口的水工方法和设施。

背景技术

传统喇叭形堰竖井泄洪洞，在二十世纪四、五十年代美国修建较多。这种泄洪洞通常不设闸门，正常蓄水位即堰顶高程，自动泄洪，因此，适用于无人操作的非常泄洪洞，特别是在人烟稀少的水工程采用这种泄洪洞最有利。当具有修建喇叭形堰的开阔地形时，它的最大泄流能力可达3000m³/s。

传统的喇叭形堰竖井泄洪洞存在许多缺点：如进水口易产生漩涡，影响泄流能力，和出现不稳定涡带引起结构物振动，有时会出现反向气爆现象（如美国俄勒冈州阿威希坝竖井泄洪洞）。在溢流堰同竖井连接段处易产生负压，特别是靠近竖井下部的负压能达到气化压力，引起竖井空蚀。由于上述原因，使高水头大泄量竖井泄洪洞的应用受到了很大限制。

解决漩涡问题的传统方法是采用防漩墙或分流墩等措施。为了防止竖井空蚀，在溢流堰下设突扩掺气坎，或将竖井下部修成收缩段提高井壁压力，或在竖井与隧洞转弯连接段设收缩掺气坎（如俄国的洽尔瓦克泄洪洞）等。由于惨气保护长度有限，不能保证竖井全长不发生空蚀。采取述上措施不仅使结构复杂也给施工带来很大的难度。

为解决传统竖井空蚀的问题，曾提出在溢流堰的周围使用起旋墩的方式使水流在进入竖井之前产生旋流，水流在竖井中以旋流的方式下落，利用离心力和自动掺气，消减负压防止竖井发生空蚀，同时又能提高消能率。旋流在竖井中产生旋流空腔和环形水跃，以及气水混合体垫层，可以产生强力的消能作用。但是原起旋墩的设计都是起旋墩的高度高于最高洪水水位，这样就产生了起旋墩的个数和起旋墩与环形堰圆周之间的夹角的角度难以确定问题。要获得满意的旋流效果，起旋墩与环形堰圆周之间的夹角的角度必须较小，起旋墩的个数多一些效果好。但角度过小，起旋墩过多，虽然可以产生满意的旋转水流，但限制了流量。增大角度或减少起旋墩的数量，虽然可以增大流量，但旋转水流的旋转量不够，不能有效防止竖井的空蚀。在设计上，如何平衡旋流效果和流量之间的关系，即如何选择起旋墩的个数以及摆放角度，成为一个难题。虽然可以通过某一条件下的精确设计达到要求，然而泄洪洞的设计必须经得起五十年一遇、百年一遇和千年一遇等各种条件下的洪水量校核。而各种条件都在临界状态下的设计无法符合大范围的参数变动，特别是流量的设计错误，造成的后果都将是严重的。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种潜水起旋墩自调流竖井消能方法与装置。根据旋流增压和掺气消能的原理，在喇叭口外缘以小角度轴对称的布置若干个低短的起旋墩，使溢流堰和旋流竖井在堰上各种水头下均能产生稳定的空腔旋转流运动，同时保证在给定的堰上水头下能满足最大泄流量的要求。

本发明的目的是这样实现的：一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置，包括：底部与水平泄洪洞连接的使洪水竖直下落的旋流竖井，所述的旋流竖井的顶端连接喇叭形堰下的小口端，所述的喇叭形堰上的大口端的外围绕旋流竖井中心轴线均匀布置多个起旋墩，所述的起旋墩的水平截面是细长的多边形，所述的多边形最长的边与喇叭形堰顶大口的圆周的切线成α≤15°夹角连接，所述的起旋墩从喇叭形堰顶算起的高度≤堰顶最高水深的3/4。

使用上述装置的潜水起旋墩自调流竖井消能方法，所述方法的步骤如下：

洪水水位低于起旋墩顶的工况：

水流流入各个相邻起旋墩之间；

在各个相邻起旋墩的导流作用下，水流以环形堰圆周切线与起旋墩之间夹角α的方向进入喇叭形堰；

水流流入喇叭形堰的缩口坡，在重力和起旋墩导向的共同作用下水流形成旋流水流，旋流水流沿缩口坡旋转下落；

旋流水流进入旋流竖井旋流下落，在旋流竖井上段中心轴周围形成旋流空腔；

旋流水流在旋流竖井中、下段形成环形水跃和气水混合体垫层进行强力的消能，水流继续下落转弯进入水平泄洪洞；

洪水水位高于起旋墩的工况，洪水水流分为没有漫过起旋墩的低层水流和漫过起旋墩的上层水流：

低层水流的状态：

低层水流流入各个相邻起旋墩之间；

在各个相邻起旋墩的导流作用下，低层水流以环形堰圆周切线与起旋墩之间夹角α的方向进入喇叭形堰；

上层水流的状态：

上层水流在接近起旋墩时，在低层旋流的拖曳下，上层水流做同步旋转运动，并以大于环形堰圆周切线与起旋墩之间夹角α的角度流入喇叭形堰；