专利名称：一种潜水起旋墩自调流竖井消能方法与装置的制作方法
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3000m7s。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勻布置多个起旋墩， 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；
低层水流和上层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。本发明产生的有益效果是本发明使用小夹角连接的起旋墩，可以产生有效的起 旋作用，使水流有效的旋转，而在高水位工况下小夹角的起旋墩不会影响泄洪流量，而底层 水流可以有效的拖曳上层水流旋转，同样可以产生有效的起旋作用。这样用降低起旋墩的 方式，巧妙的达到了即保证了最大设计流量，又保证了旋流增压、免蚀和消能的要求，本研 究成果使设计大为简化。虽然目前尚无精确的流量系数，但对各种设计流量，可以给出流量 系数的估值，通过试验改变起旋墩的高度便能给出期望的流量值。经过计算机模拟验证和 一真实工程ι :30的实体模型验证，本发明所述方法和装置适用于各种泄流量，最大泄量和 总水头可以达到2000m3/S，和200m，有广泛的应用前景，特别是在大型土石坝水库若修建潜水起旋墩的旋流喇叭形堰竖井泄洪洞渲泄PMF (最大可能降雨量)洪水，就完全可以避免溃 坝的灾难。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是发明实施例一所述潜水起旋墩自调流竖井消能装置的结构示意图； 图2是发明实施例三所述装置的四个起旋墩的示意图，是图1中A向视图3是发明实施例三所述装置的五个起旋墩的示意图； 图4是发明实施例三所述装置的九个起旋墩的示意图； 图5是发明实施例四所述装置的起旋墩水平剖面示意图。
具体实施例方式实施例一
本实施例是一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置，如图1所示。本实施例包括底部与 水平泄洪洞1连接的是洪水竖直下落的旋流竖井2，旋流竖井的顶端连接喇叭形堰下的小 口 3，喇叭形堰上的大口 5外围绕旋流竖井中轴线均勻布置多个起旋墩4。起旋墩的水平截 面是细长的多边形。细长的多边形的最长边(最窄的一端)与喇叭形堰顶的外圆周的切线成 <15°的夹角连接，如图2中α所示的角度。起旋墩在堰顶上的高度是堰顶最高水头6的 3/4 (根据流量大小可以调节)。本实施例所述的潜水起旋墩自调流竖井是一种喇叭形堰，是无闸门控制的，通过 改变起旋墩的高度调节堰口最大设计入流量。洪水可以从没有漫过起旋墩，在起旋墩之间 流入旋流竖井，也可以漫过起旋墩，从起旋墩之间和起旋墩上流入旋流竖井。水流在进入旋 流竖井时希望水流紧贴井壁，这样不会产生空蚀。如果水流竖直落下，特别容易在竖井周边 产生空蚀。为了防止竖井周边的空蚀，本实施例采用起旋墩使水流在进入竖井时发生旋转， 这样可以在离心力的作用下消除负压，有效的防止竖井空蚀，并在竖井的中、下部产生环形 水跃和气水混合体垫层，增强消能作用。为了在竖井中产生稳定的旋转流运动，起旋墩必须 与喇叭形堰顶外圆的切线成小角度连接。起旋墩的数量越多和连接角度越小，水流的旋转 力度越大，易消除竖井负压，但泄流能力降低；反之墩子越少和夹角越大，旋转力度越小，但 泄流能力大。即在相同数量的起旋墩下，要想堰顶在小水深工况时也能产生较好的旋流效 果，其连接角必须小，但小角度不能满足最大设计流量的要求，就必须扩大喇叭形堰直径， 但这样做会增加工程投资。为了解决这个矛盾，本实施例采用一种既能在小水深时产生较 强的旋流，又能在高水位时通过最大设计流量的潜水起旋墩。潜水起旋墩的墩顶高程低于校核洪水位(最高洪水水位)，起旋墩与喇叭形堰顶外 圆的切线成α <15°角连接。α的角度可以在大于等于5度和小于等于15度之间进行 选择。潜水起旋墩的流动机理是当堰上水深较浅时水流沿着起旋墩进入旋流竖井，产生旋 转流运动，当堰上水深超过墩顶时，在惯性力的作用下水流自动调节入流角度，在低层旋转 流的拖曳下同步旋转，保持稳定的旋转角速度，使喇叭形堰和旋流竖井形成带有空腔的旋 转流运动，同时又能满足最大设计流量的要求。此种起旋墩结构简单、尺寸小，便于推广应 用。
关于喇叭形堰顶布置的起旋墩的数量可以从4只到9只，根据水平洞底板上的作 用水头来选择墩的数量，当水头彡40m时，选用4 5只；水头在50m 70m时，选用6 7 只；水头彡80m时，选用8 9只，或根据实际情况选择墩的数量。实施例二
本实施例是对实施例一的改进，是实施例一关于喇叭形堰缩口坡的细化。本实施例所 述的喇叭形堰的缩口坡的截面曲线为椭圆曲线。本实施例所述的喇叭形堰的缩口坡截面曲线为四分之一椭圆的曲线回转而成。该 椭圆曲线可以由标准椭圆方程得到。实施例三
本实施例是实施上述实施例的改进，上述实施例关于起旋墩的细化。本实施例所述的 起旋墩的墩数为4 9个。图2表示的是喇叭形堰顶外圆布置4个起旋墩的情况，图3表示的是5个起旋墩 的情况，图4表示的是5个起旋墩的情况，其它6和8个起旋墩均为对称布置比较简单。实施例四
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于起旋墩水平截面形状的细化如图5 所示。本实施例所述的起旋墩水平截面形状的细长多边形是矩形403连接楔形402，所述的 多边形的各个边的连接部位呈浑圆的连接。起旋墩的水平截面形状是细长的多边形，可以是多种几何图形的结合而成。本实 施例将矩形和楔形结合，楔形的前端401设计为窄平头，平头两端连接直边与斜边以远角 过渡。细长矩形的端头404设计为圆形。实施例五
本实施例是使用上述实施例所述装置的潜水起旋墩自调流竖井消能方法。本实施例所 述的方法是在两种工况下进行的，一种是在洪水水位低于起旋墩的工况，一种是洪水水位 高于起旋墩的工况。在第一种工况下，由于水流要经过两个起旋墩之间才能进入旋流竖井， 因此，在这种工况下，起旋墩限制了流量。而在第二种工况下水流漫过了起旋墩，流量不再 受起旋墩位置和夹角的限制。在第一种工况下，水流由于受到起旋墩的导流作用，当然要发 生旋流。而在第二种工况下，由于低层水流的拖曳下，漫过起旋墩的水流也会随着低层水流 产生旋流。本实施例所述方法的步骤如下
洪水水位低于起旋墩的工况，即水流没有漫过起旋墩的工况 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7 ； 旋流水流在旋流竖井中、下段形成环形水跃8和气水混合体垫层9进行强力的消能，水 流继续下落转弯进入水平泄洪洞，通过水平泄洪洞排出，如图1箭头B的方向。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。在低层旋流的拖曳下，上层水 流做同步旋转运动。上层水流由于没有起旋墩的限制，仅仅在低层水流的拖曳下进行同步 旋转，自动扩大入流角度流进喇叭形堰内。上层水流由于没有起旋墩的限制，自动增加了泄 洪量。低层水流和上层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，通过水平泄洪洞排除，如图1箭头B的方向。最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布 置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案(比如起旋墩外形、大小、安排等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 精神和范围。
权利要求
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，其特征在于，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，所述的起旋墩在堰顶上的高度≤喇叭形堰顶最高水深的3/4。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的喇叭形堰的缩口坡的截面曲线为 1/4椭圆曲线。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的起旋墩的墩数为4 9个。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的起旋墩水平截面形状的细长多边 形是矩形连接楔形，所述的多边形的各个边的连接部位呈浑圆的连接。
5.使用上述装置的潜水起旋墩自调流竖井消能方法，其特征在于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；低层水流和上层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。
全文摘要
本发明涉及一种潜水起旋墩自调流竖井消能方法与装置。本发明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，旋流竖井的顶端连接喇叭形堰下的小口端，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，起旋墩的水平截面是细长的多边形，多边形最长的边与喇叭形堰大口外圆周的切线成α≤15°夹角连接，起旋墩从堰顶算起的高度≤堰顶最高水深的3/4。本发明使用小夹角连接的起旋墩，可以产生有效的起旋作用。用调整起旋墩高度的方式，巧妙的既能保证了最大设计流量，又能保证了旋流增压、免蚀和消能的要求,使竖井泄洪洞的设计大为简化，运行更加安全可靠。
文档编号E02B8/06GK101881020SQ201010239680
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者付辉, 杨开林, 王涛, 董兴林, 贾顺钟, 郭新蕾, 郭永鑫 申请人:中国水利水电科学研究院