专利名称：明流泄洪洞平面弯道的压顶方法
技术领域：
本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种采用压顶技术用于明流泄洪洞平面 弯道的压顶方法。
背景技术：
利用导流隧洞改建成“龙抬头”型式的明流泄洪洞，能节省工程投资，是目前水利 工程中采用较多的布置型式。其主要特点是第一工作闸门布置于明流泄洪洞的进水口，便 于集中管理；其次明流泄洪洞的水流流态明确；再就是工程量相对较小。由于明流泄洪洞 的进水口的设置高程较高，作用在进水口工作闸门上的水头较小，从而降低了工作闸门制 作上的技术难度，而提高了工作闸门运行的安全度和灵活性。按《水工隧洞设计规范》(DL/T 5195-2004)要求高流速明流泄洪洞平面上应布 置为直线。原因是明流泄洪洞平面弯道的水流流态差，并影响下游平直段泄流。但受实际 布置的限制，通常利用导流隧洞改建的明流泄洪洞的前部存在平面弯道，因此有必要寻求 改善平面弯道水流流态的方法。目前解决此问题的途径主要有两种第一、明流泄洪洞平面 弯道前设计为有压流，平面弯道后设计工作间门。该方法除了需要增加平面弯道前的工程 量外，还将增加工作闸门井的工程量。第二、利用导流隧洞改建明流泄洪洞时，目前大型工 程中常采用进水口后增设竖井旋流消能工，再接工作闸门，工作闸门下游平直段按明流泄 洪洞设计。该方法需要增加设置竖井旋流消能工的工程量，增加投资较大，特别对于中小型 水利水电工程来说很不经济。能否找到一种其它更为简便、经济实用的方法，并能保证下游平直段水流平稳，实 现安全泄洪，这正是本发明的任务所在。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述现有技术中所存在的不足，本课题组结合实际工 程，通过水工模型试验，提出一种明流泄洪洞平面弯道的压顶方法来完成所提出的发明任 务。该方法采用的压顶技术解决了明流泄洪洞平面弯道水流流态差，并影响下游平直段泄 流的问题。本发明的目的是由以下措施构成的技术方案来实现的。本发明明流泄洪洞平面弯道的压顶方法，包括以下工艺步骤(1)对明流泄洪洞平面弯道段采取压顶技术降低顶高，当明流泄洪洞在最大泄流 量时平面弯道前有一水深、洞顶余幅；计算明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前的佛汝 德数Fr ；(2)定义明流泄洪洞平面弯道段的压顶系数K等于压顶余幅与洞顶余幅之比，根 据明流泄洪洞洞宽与平面弯道转弯半径之比，佛汝德数&及平面弯道转角参数，确定压顶 系数K的数值，再根据定义的压顶系数，反算出压顶余幅；(3)根据设计要求，所述明流泄洪洞压顶余幅小于明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前的洞顶余幅；(4)为保证压顶出口后平直段的水流流态平稳，设计明流泄洪洞压顶段沿伸至平 直段的压顶沿伸长度为2-4倍明流泄洪洞洞宽。上述技术方案中，所述明流泄洪洞的压顶余幅小于洞顶余幅，且应满足压顶系数K < 1。本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果1、本发明采用的压顶技术，通过降低明流泄洪洞平面弯道的顶高，凹岸水体被控 制在压顶以下，可避免水流直冲弧形洞顶、出现旋滚的不利流态，保证了明流泄洪洞下游平 直段水流流态满足平稳的要求，从而实现安全泄洪。2、本发明采用的压顶技术，不仅为解决明流泄洪洞平面弯道过流，提供了一种经 济实用、设计合理的方法，而且为研究并掌握平面弯道水流提供帮助，进而为保证泄洪安全 提供依据。3、本发明采用的压顶技术，施工简便、工程量小，节省投资显著，特别适合于中小 型水利水电工程，可以提高导流隧洞改建明流泄洪洞所带来的显著经济效益。
图1为实现本发明明流泄洪洞平面弯道的压顶方法的结构示意图；其中，(A)为明 流泄洪洞平面弯道的平面示意图；(B)为明流泄洪洞平面弯道前、平面弯道段、平直段各剖 面水面的示意图。图中B为明流泄洪洞洞宽，H_为最大泄流量时平面弯道起点水深，AH为洞顶余 幅，AHy为压顶余幅，a为平面弯道压顶起点，b为平面弯道终点，c为压顶终点，L为压顶 沿伸长度，1为平面弯道前，2为平面弯道段，其中R、6分别为平面弯道段的半径、转角，3 为平直段，4为压顶段。
具体实施例方式下面结合附图及工程实例给出实施例以对本发明作进一步详细的说明，但所给出 的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，因而本专业的技术人员根据上述本发明的 内容和设计思想所作出的非本质的改进和调整也应属于本发明的保护范围。图1中，㈧图顺水流走向，所述明流泄洪洞的平面弯道前1，明流泄洪洞平面弯 道压顶的起点a，明流泄洪洞平面弯道段2，明流泄洪洞的压顶段4，平面弯道的终点b，压顶 段的终点c，平面弯道后明流泄洪洞的平直段3 ； (B)图顺水流走向，所述1-1剖面为平面弯 道前水面示意，2-2剖面为压顶起点水面示意，3-3、4-4和5-5剖面分别为平面弯道段水面 示意，6-6剖面为压顶沿长段水面示意，7-7剖面为压顶终点水面示意，8-8剖面为压顶出口 后、平直段3水面示意。实施例本发明的明流泄洪洞平面弯道的压顶方法用于太极水库工程中，实际所用技术参 数如下1、所述明流泄洪洞洞宽B = 5. 00m,平面弯道转弯半径R = 50. 00m,平面弯道转角 e = 51. 16°，最大泄流量时平面弯道前1水深为Hmax = 3. 00m,洞顶余幅A H = 2. 50m,如图1(B)图中1-1所示；2、所述明流泄洪洞的最大泄流量Q_为410. 00m3/S，计算平面弯道前1的断面 平均流速V = Q_/(H_B) = 410/(3X5) = 27.33m/s，根据所述佛汝德数&的定义，即
Fr = ^v2/(gHmJ = V27.332/(9.81x3.00) = 5.04，明流？世洪洞洞宽B与平ffi弯道转弯半径R之
比 B/R = 5. 00/50. 00 = 0. 10 ；3、所述明流泄洪洞洞宽B与平面弯道转弯半径R之比0. 10、佛汝德数5. 04及平 面弯道转角51. 16°，经实验研究确定相应的压顶系数K = 0. 40 0. 50，综合分析取K = 0.44，根据定义的压顶系数K =八办/八扎反算出压顶余幅八办=1(* AH = 0.44X2. 50 =1. 10m，即压顶的高度为:Hmax+AHy = 3.00+1. 10 = 4. 10m，如图 1(B)图中 2-2 所示；4、所述明流泄洪洞平面弯道水体受离心力的影响，水体逐渐被逼向凹岸，表现为 凹岸水深大于凸岸，随着凹岸、凸岸水位差的增大，凹岸水体至压顶，凸岸水深则进一步减 小，受压顶制约，凹岸水体被控制在压顶4. 10m以下，如图1 (B)图中3-3、4-4和5_5所示；5、水体流出平面弯道段2、进入平直段3后，离心力的作用消失，两岸水深差减小， 为保证压顶出口后平直段3的水流流态平稳，压顶沿伸至平直段3的距离L = 2B = 10. 00m, 在压顶沿伸长度内，凹岸水体受压顶制约的程度逐渐减弱，如图1(B)图中6-6所示；6、水体流出压顶段4后，压顶制约消失，凹岸水深保持在压顶4. 10m以下，如图 1(B)图中7-7所示。7、水体从压顶段4流出后，凹岸水深高于凸岸，如图1 (B)图中7-7所示，该水深差 异在平直段3摩擦损失的作用下，会自动调整、很快平顺，从而保证下游平直段3水流平稳， 如图1(B)图中8-8所示。如果在实际工程中不采用本发明的压顶技术，即平面弯道段2剖面保持与其上、 下游相同的剖面，如图1(B)图中1-1和7-7剖面，水体受平面弯道离心力的作用，凹岸水体 将爬高、冲至弧形洞顶，将导致平面弯道段2出现旋滚流现象，平直段3将表现为水面波动 剧烈的不利流态。本发明实施例所述工程中明流泄洪洞平面弯道采用压顶技术后，正是由于对压顶 段4的控制，使凹岸水体被控制在压顶以下，避免了水流直冲弧形洞顶、出现旋滚的不利流 态，从而使得平直段3内水流流态平稳，达到安全泄洪的目的。
权利要求
一种明流泄洪洞平面弯道的压顶方法，其特征在于包括以下工艺步骤(1)对明流泄洪洞平面弯道段(2)采取压顶技术降低顶高，当明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前(1)水深为(Hmax)，洞顶余幅为(ΔH)，计算明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前(1)的佛汝德数(Fr)；(2)定义明流泄洪洞平面弯道段(2)的压顶系数K＝ΔHy/ΔH，其中(ΔHy)为压顶余幅，(ΔH)为洞顶余幅，根据明流泄洪洞洞宽(B)与平面弯道转弯半径(R)之比(B/R)，佛汝德数(Fr)及平面弯道转角(θ)参数，确定压顶系数(K)的数值，再根据定义的压顶系数，反算出压顶余幅ΔHy＝K·ΔH；(3)根据设计要求，所述明流泄洪洞压顶余幅(ΔHy)小于明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前(1)的洞顶余幅(ΔH)，即ΔHy＜ΔH；(4)设计明流泄洪洞压顶段(4)沿伸至平直段(3)的压顶沿伸长度(L)为2-4倍明流泄洪洞洞宽(B)，即L＝(2-4)B。
2.根据权利要求1所述的明流泄洪洞平面弯道的压顶方法，其特征在于所述的压顶余 幅(AHy)小于洞顶余幅(AH)，应满足压顶系数1( < 1。
全文摘要
本发明涉及一种明流泄洪洞平面弯道的压顶方法，属于水利工程技术领域。该方法对明流泄洪洞平面弯道段采取压顶技术降低顶高。先计算明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前的佛汝德数；再根据明流泄洪洞洞宽与平面弯道转弯半径之比、佛汝德数及平面弯道转角参数，确定压顶系数；最后根据定义的压顶系数，反算出压顶余幅。要求压顶余幅小于明流泄洪洞在最大泄流量时平面弯道前的洞顶余幅。为保证压顶出口后平直段水流流态平稳，设计压顶段沿伸至平直段的沿伸长度为2-4倍明流泄洪洞洞宽。明流泄洪洞平面弯道压顶后，受压顶制约凹岸水体被控制在压顶以下，可避免水流直冲弧形洞顶出现旋滚的不利流态，从而保证下游平直段水流平稳，实现安全泄洪。
文档编号E02B8/06GK101871204SQ20101021025
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者伍超, 王波, 陈云良 申请人:四川大学