本发明属于水利水电工程中泄洪消技术能领域，具体涉及一种旋流竖井泄洪洞系统。
背景技术：
旋流竖井泄洪洞由于其修建难度较低、布置灵活以及消能效果突出等优势，越来越受到水利水电工程界的关注，尤其是随着当前我国正处于水电建设事业的井喷式发展阶段，许多高水头、大流量、深峡谷的高坝大库正在建设或者处于规划阶段，在常规泄水建筑物无法良好地实现泄洪消能的情况下，旋流竖井作为一种新兴发展的泄洪消能建筑物不失为一种良好的选择。一般地，整个旋流竖井泄洪系统由闸室进口、上平调整段、涡室、收缩段、竖井直段、出口压坡段以及其后的下平泄水段组成，典型的涡室旋流竖井布置如图1所示。其中上平段用于调整水流流态，其一侧边墙与涡室相切以保证水流平顺地进入涡室，而另一侧则沿程收缩以使进入涡室的水流能够尽量地贴着竖井涡室的边壁运动；涡室的作用是保证上平段的来流能够顺利地实现起旋，从而使水流在下泄过程中始终保持贴壁状态，现有技术中竖井涡室均采用固定半径的圆柱体结构；收缩段将涡室与竖井直段连接起来，其第一个作用是从涡室末端位置开始向下将竖井直径减小，从而减小工程开挖量，节省工程投资，第二个作用是使水流附壁作用增强，降低涡室的来流脱离边壁直接砸落至竖井底部的可能。
但是由于上平段进入涡室的水流具有一定的宽度(即涡室内壁面法向水深)，故而越靠近涡室中心的水体越容易脱离主流的束缚，进而直接跌落到竖井底部。这是因为水流自由面方向的部分水体在沿竖向下泄的过程中其环向速度逐渐减小，从而不足以支撑到竖井底部便直接跌落，从而降低消能效果，增大底板的压强甚至造成底板破坏；同时，常规旋流竖井泄洪洞其圆柱形涡室与上平段衔接位置，由于水流的急剧转向，受竖井涡室壁面的反向作用，一部分水流会在涡室内爬升到较高的位置，这无疑会增大涡室段对高度的要求，增加工程耗资。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统，以减小水体在收缩段末端直接跌落竖井底部的可能，提高消能效果，同时降低涡室高度，减小开挖方量，节省工程投资。
针对以上发明目的，本发明的构思是：通过将原本呈圆柱形布置的涡室结构修改为锥形，同时将原本与圆柱形涡室铅直相切的上平段边墙顺势调整为具有与锥形涡室收缩坡度同一倾角，以保证该侧边墙依旧与涡室外壁相切，而另一侧边墙保持铅直布置不变。
本发明提供的锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统，其构成包括闸室、上平段、涡室、收缩段、竖井直段、出口压坡段以及其后的下平泄水段，所述涡室为与下部收缩段具有同一收缩坡比，且与收缩段连续圆滑衔接的锥形结构，所述上平段与涡室相切衔接的边墙为与涡室的收缩坡比相同的倾斜边墙。
为了更好地实现本发明的目的，在上述技术方案的基础上可进一步采取以下各项技术措施。下述各项技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。
在本发明的上述技术方案中，闸室与上平段倾斜边墙之间设置一沿水流方向延伸一定长度的扭面，使边墙由闸室的铅直边墙圆滑过渡衔接到上平段的倾斜边墙。所述扭面沿水流方向延伸的长度一般不小于倾斜边墙的高度。
在本发明的上述技术方案中，在涡室进口处设置导流挑坎。所述导流挑坎具体设置在旋流竖井的涡室进口水流与旋转一圈后的水流交汇处一侧自上平段底板向上的涡室壁面上，由一个沿涡室壁面延伸凸起的直角三角形竖直面和一个与该直角三角形竖直面的斜边相交的导流弧面构成，以形成一个上大下小、一面为弧面的三角形锥体，且导流弧面起始处与涡室壁面的相交处为圆滑曲面。
与现有技术相比，本发明提供的锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统具有以下十分突出的有益技术效果：
1.由于本发明所述旋流竖井为锥形涡室结构，且上平段与涡室相切衔接的边墙为与涡室的收缩坡比相同的倾斜边墙，水流在进入涡室前和在涡室中旋转时，受到的壁面支持力由原本的水平方向变为与水平向具有一定夹角的倾斜支持力(垂直于壁面)，其铅直方向的分量抵消掉水体的部分重力，从而减小水体竖向加速度，同时由于涡室直径减小，水流在涡室末端具有比铅直布置的涡室更大的环向流速，从而减小水体在收缩段末端直接跌落竖井底部的可能，有利于提高消能效果和保护底板。
2.由于本发明所述旋流竖井为锥形涡室结构，涡室上部半径大于常规铅直布置的旋流竖井涡室结构，并且上平段倾斜进入涡室，水流在涡室内的最大水面爬升高度将有效减小，从而降低涡室设计高度，减小工程开挖方量，节省工程投资。
3.本发明所述旋流竖井运行时，由于涡室结构呈锥形，水流竖向加速度减小，水体在涡室内旋转圈数增加，水流附壁作用更强，竖井壁面压强更大，从而增强了竖井泄洪洞的抗空化空蚀能力。
附图说明
图1为现有技术旋流竖井泄洪洞的主视图。
图2为本发明的锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统的主视图。
图3为本发明的锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统的俯视图。
图4为图2中a-a剖面图。
图中：1—闸室；2—上平段；3—涡室；4—收缩段；5—竖井直段；6—压坡段；7—泄水段；8—导流挑坎；9—上平段铅直边墙；10—衔接扭面；11—上平段倾斜边墙；12—锥形涡室。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施方式，并通过具体实施方式对本发明所述锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统作进一步说明。
实施例1
本实施例所述锥形涡室旋流竖井泄洪洞系统，其结构如附图2、附图3和附图4所示，由闸室1(进口)、上平段2、涡室3、收缩段4、竖井直段5、出口压坡段6以及其后的下平泄水段7构成，所述涡室为与下部收缩段具有同一收缩坡比，且与收缩段连续圆滑衔接的锥形结构涡室，所述上平段与涡室相切衔接的边墙为与涡室的收缩坡比相同的倾斜边墙。闸室与上平段倾斜边墙之间设置有一沿水流方向延伸的扭面10，扭面沿水流方向延伸的长度为倾斜边墙的墙面宽度，使边墙由闸室的铅直边墙圆滑过渡衔接到上平段的倾斜边墙，以防水流脱离上平段泄洪洞边墙，避免气蚀生产。在涡室进口处设置有导流挑坎8。该导流挑坎具体设置在旋流竖井的涡室进口水流与旋转一圈后的水流交汇处一侧自上平段底板以上的涡室壁面上，由一个沿涡室壁面延伸凸起的直角三角形竖直面和一个与该直角三角形竖直面的斜边相交的导流弧面构成，以形成一个上大下小、一面为弧面的三角形锥体，且导流弧面起始处与涡室壁面的相交处为圆滑曲面。