一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构

1.本发明属于水利水电工程的泄洪消能技术领域，具体涉及一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构。


背景技术：

2.现有水利水电工程中，大多地质条件复杂，泄洪消能建筑物布置比较困难，特别是对一些当地材料坝的枢纽而言，导流洞工程量比较大，如何有效利用导流洞后期改建为泄洪洞是工程设计中一个技术难点。现有的竖井旋流泄洪洞虽然能够实现这一作用，但随着水头与流量的增加，竖井旋流泄洪洞水流流态复杂，出现涡室通气不畅、涡室水流上升高度较大、下游消能不充分等问题。


技术实现要素：

3.为了克服现有竖井旋流泄洪洞水流流态复杂，出现涡室通气不畅、涡室水流上升高度较大、下游消能不充分的问题，本发明提供一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构，该结构应用到泄洪洞上，能够实现洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量的泄洪洞安全运行。
4.本发明采用的技术方案为：一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构，包括上平洞段和涡室，还包括涡室连接段，所述的涡室连接段上游与上平洞段连接，所述的涡室连接段下游与涡室连接，所述的涡室连接段的底板上设置有分流墩，所述的涡室的内侧设置有导流坎，所述的涡室的顶面上设置有排气管。
5.所述涡室的顶部为拱顶。
6.所述涡室连接段由涡室连接段底板、涡室连接段顶板和涡室连接段侧板组成的空心的框体。
7.所述的涡室连接段底板由抛物线段底板与陡坡段底板连接组成，抛物线段底板与上平洞段的底坡连接，陡坡段底板与涡室连接。
8.所述的涡室连接段顶板由水平段顶板和压坡连接段顶板连接组成，水平段顶板与上平洞段的顶板连接，压坡连接段顶板与涡室连接。
9.所述导流坎由挡水面、背水面和连接面围成；所述的挡水面是一竖直设置的平面，背水面是一竖直设置的弧面，所述的连接面与涡室内侧壁贴合。所述的背水面的弧面半径r为涡室内径0.1~0.5倍，弧面对应的角θ的取值范围为60
‑
90
°
。
10.本发明的有益效果是：本发明一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构，该结构应用到泄洪洞上，泄洪洞的上平洞水流经抛物线过渡进入涡室连接段，涡室内壁末端设置的竖向导流坎作用，则是加速水流旋转、减弱水跃的壅水现象。水流经过导流坎作用，涡室内旋转水流厚度增加，
水面爬高大幅度降低，而且涡室内旋转水流的水面高差也被减小；本发明结构应用到泄洪洞上，能够实现洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量的泄洪洞安全运行。
11.以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
12.图1是本发明结构示意图。
13.图2是本发明俯视图。
14.图中，附图标记为：1、上平洞段；2、涡室连接段；3、涡室；4、排气管；5、导流坎； 5
‑
1、挡水面；5
‑
2、背水面；5
‑
3、连接面。
具体实施方式
15.实施例1：为了克服现有竖井旋流泄洪洞水流流态复杂，出现涡室通气不畅、涡室水流上升高度较大、下游消能不充分的问题，本发明提供如图1
‑
2所示的一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构，该结构应用到泄洪洞上，能够实现洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量的泄洪洞安全运行。
16.一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构，包括上平洞段和涡室3，还包括涡室连接段2，所述的涡室连接段2上游与上平洞段连接，所述的涡室连接段2下游与涡室3连接，所述的涡室连接段2的底板上设置有分流墩1，所述的涡室3的内侧设置有导流坎5，所述的涡室3的顶面上设置有排气管4。
17.本发明提供的用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构应用到泄洪洞上，泄洪洞的上平洞水流经抛物线过渡进入涡室连接段2，涡室3内壁末端设置的竖向导流坎5作用是加速水流旋转、减弱水跃的壅水现象。水流经过导流坎5作用，涡室3内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室3内旋转水流的水面高差也被减小.本发明应用到泄洪洞上，能够实现洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量的泄洪洞安全运行。
18.实施例2：基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述涡室3的顶部为拱顶。
19.优选的，所述涡室连接段2由涡室连接段底板、涡室连接段顶板和涡室连接段侧板组成的空心的框体。
20.优选的，所述的涡室连接段底板由抛物线段底板与陡坡段底板连接组成，抛物线段底板与上平洞段1的底坡连接，陡坡段底板与涡室3连接。
21.优选的，所述的涡室连接段顶板由水平段顶板和压坡连接段顶板连接组成，水平段顶板与上平洞段1的顶板连接，压坡连接段顶板与涡室3连接。
22.本实施例中，抛物线段底板的形状符合抛物线方程y=kx+cx2，k、c为常数k、c值根据sl319
‑
2018《混凝土重力坝设计规范》确定；陡坡段底板的陡坡坡比为1:n，n值根据抛物线末端点确定，n取值为3～6；所述的涡室连接段2的顶部由水平段顶板和压坡连接段顶板连接组成，水平段顶板与上平洞段1的顶板连接，压坡连接段顶板与涡室3连接；所述的涡室
连接段2与涡室3连接处的侧墙形状符合抛物线方程，a、b根据涡室尺寸确定， a取值为12～22，b取值为8～16；所述的分流墩1设置在水平段顶板下方对应的涡室连接段2的陡坡底板上。
23.优选的，所述导流坎5由挡水面5
‑
1、背水面5
‑
2和连接面5
‑
3围成；所述的挡水面5
‑
1是一竖直设置的平面，背水面5
‑
2是一竖直设置的弧面，所述的连接面5
‑
3与涡室3内侧壁贴合。优选的，所述的背水面5
‑
2的弧面半径r为涡室内径0.1~0.5倍，弧面对应的角θ的取值范围为60
‑
90
°
。
24.本实施例中，所述的背水面5
‑
2的弧面半径r优选为4.5m，弧面对应的角θ优选为70
°
。
25.如图1
‑
2所示，本发明提供一种用于竖井旋流泄洪洞涡室进口的结构，包括有依次连接的涡室连接段2及涡室3，涡室连接段2将上平洞段1中的水流从涡室3侧壁切向引入涡室3。水流经过导流坎5作用，涡室3内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室3内旋转水流的水面高差也被减小.本发明应用到泄洪洞上，能够实现洪洞涡室水流流态规整、通气顺畅、消能充分，同时还可降低涡室高度，保证高水头、大流量的泄洪洞安全运行。
26.优选的，涡室3直径18m，左侧边墙采用椭圆曲线与直径18m圆弧相接，涡室连接段2与涡室3连接处的侧墙形状符合抛物线方程，末端加半径r=4.5m的导流坎5，底部高程2915.0m；涡室3与竖井的渐变段10高度为22.5m，收缩比为1:10；在上述实施例中，上平洞段水流经抛物线过渡进入陡坡段，上平洞段底坡坡度为3％，水流相对平缓，流态稳定。涡室连接段2的底板采用抛物线与1：5.2的陡坡过渡到涡室3底板，涡室连接段2内设置分流墩1，分流墩1将水流分为左、右两侧。分流墩1左侧主流采用小角度收缩，可对左侧进涡室3的主流进行加速，减弱涡室3进口的阻水作用；右侧采用大角度收缩与导向方式，可使副流与外侧回转流进行交错、对撞，减缓外侧回转主流对涡室左侧进入的主流形成冲击、回壅现象。水流经过分流墩1与导流坎5的综合作用，涡室3内旋转水流厚度增加，水面爬高大幅度降低，而且涡室内旋转水流的水面高差也被减小，下部渐变段又形成内外不同旋转流层，涡室连接段2的过渡消能作用均得到提升。
27.竖井与涡室3采用1:10的渐变段10过渡，竖井内仍表现为明显的贴壁旋转水流，整个涡室3及竖井内涡腔保持畅通，通气充分。随着水流不断向下流动，在重力的作用下，垂向流速不断增大，切向流速则受沿程损失作用不断较小。水流以较高流速进入竖井下部的水垫层时，大量空气被卷吸进入水垫内，水气充分混掺；而此时竖井下部水流仍存在一定切向流速，水垫内水体也存在旋转现象，形成环状水跃。
28.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及系统方法是均为现有技术，本发明中不再进行进一步的说明。