牛爭(zhēng)鳴，楊 健，2，丁浩鐸，南軍虎，徐 威，鮑 莉

旋流阻塞與旋流擴(kuò)散復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞的水力設(shè)計(jì)

牛爭(zhēng)鳴1，楊 健1，2，丁浩鐸1，南軍虎1，徐 威3，鮑 莉3

（1.西安理工大學(xué)水力學(xué)研究所，西安 710048；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610；3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 成都勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610072）

結(jié)合雅礱江兩河口水電站后期3＃導(dǎo)流洞和大渡河猴子巖1＃導(dǎo)流洞的改建，在研究旋流阻塞和旋流擴(kuò)散復(fù)合消能泄洪洞的水力特性基礎(chǔ)上，對(duì)該類(lèi)型復(fù)合式旋流內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計(jì)原理與方法進(jìn)行研究探討，和開(kāi)敞式進(jìn)口、起旋器、阻塞與旋流漸變擴(kuò)散段的體型進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算，為1 000 m3／s以上泄流量、150 m作用水頭量級(jí)的導(dǎo)流洞改建為旋流內(nèi)消能泄洪洞工程水力設(shè)計(jì)提供參考。

旋流阻塞；旋流擴(kuò)散；復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞；水力設(shè)計(jì)原理與方法

1 相關(guān)研究的綜述

黃河公伯峽水電站右岸導(dǎo)流洞改建成國(guó)內(nèi)外第一個(gè)泄量達(dá)1 000 m3／s、水頭超過(guò)100 m的水平旋流內(nèi)消能泄洪洞，為這一類(lèi)型的內(nèi)消能泄洪洞提供了研究、設(shè)計(jì)和工程示范的實(shí)例［1］。但對(duì)于更大流量、更高水頭和具有較大坡度的后期導(dǎo)流洞或下游淹沒(méi)較深的導(dǎo)流洞，在改建為旋流內(nèi)消能泄洪洞時(shí)，因受旋流洞內(nèi)旋流速度過(guò)大和可能發(fā)生空蝕破壞的限制，單一的旋流內(nèi)消能工已不能滿足水力特性要求，還會(huì)出現(xiàn)上下游水面銜接和排氣困難等問(wèn)題。

關(guān)于水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的改建，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究工作，在這些改建方案的研究中，最大設(shè)計(jì)泄洪量為1 000～3 000 m3／s，最大作用水頭為100～245 m不等，體型上各工程均有不同特點(diǎn)，各工程設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。這些研究工作與工程實(shí)踐為本文對(duì)該類(lèi)型復(fù)合式旋流內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計(jì)原理與方法進(jìn)行研究探討奠定了基礎(chǔ)，也將為更大流量、更高水頭和具有較大坡度的后期導(dǎo)流洞或淹沒(méi)較深的導(dǎo)流洞改建為旋流內(nèi)消能泄洪洞工程的水力設(shè)計(jì)提供參考。

2 設(shè)計(jì)原理與基本原則

2.1 旋流阻塞和旋流擴(kuò)散復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計(jì)原理

在公伯峽水電站導(dǎo)流洞改建為水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的研究與原型觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)作用水頭超過(guò)100 m時(shí)，旋流洞段壓強(qiáng)較低，旋流速度將超過(guò)40 m／s，起旋器出口局部低壓區(qū)不可減免，因此增大了空化空蝕的可能，限制了作用水頭的提高［2］。增設(shè)阻塞使其成為旋流阻塞復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞的研究成果表明［3，4］：增設(shè)阻塞后，泄流量減小，旋流洞段流速明顯減小，壁面壓強(qiáng)明顯均勻增大，起旋器出口低壓區(qū)空化空蝕的可能性減??；阻塞段后由于離心力的作用，通氣孔通入的氣體與旋轉(zhuǎn)水流充分混合形成氣水兩相流，水流能量較分散，在較短的長(zhǎng)度內(nèi)消能率很大。阻塞可以增壓減速的結(jié)論還可從洞塞的水力特性研究中得到證明［5］。

表1 導(dǎo)流洞改建水平旋流泄洪洞設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表Table 1 Design parameters on the diversion tunnels being reconstructed as spillway tunnels

從上述得到啟發(fā)：采用合理的阻塞段體型與旋流擴(kuò)散段體型，在滿足泄流量設(shè)計(jì)要求的前提下，利用阻塞使旋流洞段壓強(qiáng)均勻增大，對(duì)起旋器孔口有壓出流形成頂托，減小旋流洞段總作用水頭和旋流洞內(nèi)流速，避免起旋器出口局部低壓處的空化空蝕；利用因阻塞段前后的軸向壓強(qiáng)差的增大和水流在旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散段的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散形成的能量分散、紊動(dòng)增大和氣水充分混合的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散水流特性，增大消能率，實(shí)現(xiàn)旋流洞段和旋流擴(kuò)散段復(fù)合分段消能。這樣就可以實(shí)現(xiàn)保持旋流洞段具有適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)，并將旋流洞段的流速控制在安全范圍內(nèi)，將作用水頭、泄流量和復(fù)合消能率提高到新的水平。

2.2 旋流阻塞和旋流擴(kuò)散復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞設(shè)計(jì)的基本原則

根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、模型試驗(yàn)研究成果和公伯峽旋流泄洪洞的原型觀測(cè)成果［2，6－14］，對(duì)于泄量超過(guò)1 000 m3／s、作用水頭超過(guò)100 m、導(dǎo)流洞具有較大坡度或具有較大淹沒(méi)時(shí)，可設(shè)計(jì)為旋流阻塞與旋流擴(kuò)散復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞，基本設(shè)計(jì)原則建議為：

通過(guò)協(xié)調(diào)進(jìn)水口、起旋器孔口和阻塞孔口的尺寸滿足最大設(shè)計(jì)流量，并以阻塞孔口尺寸作為控制性尺寸；按阻塞孔口泄流量Q3≤起旋器泄流量Q2≤開(kāi)敞式或有壓式進(jìn)水口泄流量Q1的原則設(shè)計(jì)泄流量。

在滿足最大設(shè)計(jì)流量的前提下，可通過(guò)設(shè)置阻塞產(chǎn)生的增壓減速效應(yīng)，保證旋流洞內(nèi)的近壁最大流速小于36 m／s，壁面壓強(qiáng)均為正壓，水流空化數(shù)大于0.3；對(duì)緊鄰起旋器出口下游側(cè)旋流洞頂部的低壓區(qū)應(yīng)采用抗磨蝕材料或采取其它工程措施（例如設(shè)置增壓環(huán)、采用向低壓區(qū)直接通氣或吸附射流等）防止空蝕的發(fā)生，必要時(shí)可進(jìn)行減壓試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)其空化空蝕特性進(jìn)行論證。

起旋器采用兩側(cè)收縮的弧線形起旋器或單側(cè)收縮的直切式起旋器；為了保證起旋器出口水流的切向入流和能在旋流洞內(nèi)形成較對(duì)稱(chēng)與穩(wěn)定的空腔環(huán)流，起旋器孔口面積與豎井?dāng)嗝婷娣e之比不應(yīng)小于0.6；不滿足該要求時(shí)，可增大豎井或旋流洞的直徑，也可采取上下游漸擴(kuò)形起旋器。

通氣孔的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足旋流洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，旋流空腔內(nèi)的氣體壓強(qiáng)近似為大氣壓，因此通氣孔孔徑與旋流洞洞徑之比一般應(yīng)不小于0.12；通氣孔一般設(shè)置在旋流洞起始端斷面右上方；當(dāng)下游為淹沒(méi)狀態(tài)時(shí)，由于排氣困難，需氣量減小，通氣孔直徑可根據(jù)需要確定；通風(fēng)孔的風(fēng)速一般不應(yīng)大于60 m／s，在大于該值時(shí)，應(yīng)采用保證通風(fēng)量相等，增大通風(fēng)孔直徑和設(shè)置阻尼的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

根據(jù)有關(guān)研究，旋流洞段內(nèi)，水流能動(dòng)量的急劇轉(zhuǎn)變段在2.5≤Z／D＜4.0的范圍內(nèi)，消能率在Z／D≤6.0洞長(zhǎng)范圍內(nèi)可占該段總能量的80%，因此旋流洞的長(zhǎng)度在表1所示的設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)一般為洞徑的5～10倍即可；旋流擴(kuò)散段的長(zhǎng)度可根據(jù)需要確定，一般為洞徑的2～3倍。按這樣參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)合式旋流內(nèi)消能泄洪洞的總消能率約為80%，其中旋流洞段30%左右，旋流擴(kuò)散段50%左右，需要進(jìn)行導(dǎo)流洞改建和加強(qiáng)導(dǎo)流洞襯砌的長(zhǎng)度范圍約為洞徑的10～20倍。

為了減小對(duì)泄流量的影響，阻塞出口面積與旋流洞斷面面積之比一般不應(yīng)小于0.6；阻塞段應(yīng)為漸變型，長(zhǎng)度與阻塞孔徑比不小于2.0；阻塞出口的近壁面旋流速度不應(yīng)大于40 m／s，水流空化數(shù)應(yīng)大于0.3；對(duì)阻塞和阻塞出口后的旋流擴(kuò)散段應(yīng)采用抗磨蝕材料或采取其它工程措施，以防止空蝕的發(fā)生。

阻塞后的旋流擴(kuò)散段，在下游導(dǎo)流洞具有較大坡度時(shí)，應(yīng)采用非對(duì)稱(chēng)的漸擴(kuò)形式并在其后的導(dǎo)流洞頂部設(shè)置壓板，以使旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散氣水兩相有壓流能盡快轉(zhuǎn)變?yōu)闅馑畠上嗝髁?，與下游水面自然銜接；在下游出口較大淹沒(méi)的小坡度導(dǎo)流洞，應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)的漸擴(kuò)形式，保證其在運(yùn)行條件下工況范圍內(nèi)為旋流淹沒(méi)水躍流態(tài)，必須在導(dǎo)流洞合適的位置上設(shè)置間隔或連續(xù)的排氣設(shè)施，排除沿程不斷析出的氣體，避免在導(dǎo)流洞的頂部形成氣囊和在導(dǎo)流洞出口產(chǎn)生氣爆；對(duì)這2種導(dǎo)流洞出口的形式，也均可采用消能率更高、消能段更短的的突擴(kuò)方式完成與導(dǎo)流洞下游水面的明流或有壓流的銜接，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)導(dǎo)流洞擴(kuò)散水流附壁點(diǎn)附近的壁面結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

按以上設(shè)計(jì)原則，在合理的進(jìn)水口、起旋器孔口和阻塞孔口尺寸時(shí)的泄流量約為1 200～1 500 m3／s；至旋流擴(kuò)散段末端，作用水頭可達(dá)165 m，消能率大于80%，導(dǎo)流洞水流流速小于25 m／s。

綜上所述，利用落錘、霍普金森桿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和液壓介質(zhì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)脈沖載荷，峰值較高。但脈寬缺少10～102μs量級(jí)。本文設(shè)計(jì)了一種半正弦波脈沖載荷發(fā)生裝置，可產(chǎn)生壓力載荷峰值達(dá)50 MPa，脈寬為10～102 μs，可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行沖擊動(dòng)力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)。

3 水力特性的設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

根據(jù)上節(jié)所述的設(shè)計(jì)原理與原則，通過(guò)協(xié)調(diào)進(jìn)水口、起旋器孔口和阻塞孔口的尺寸滿足最大設(shè)計(jì)流量，并以阻塞孔口尺寸作為泄流量的控制性尺寸。在淹沒(méi)堰流（或有壓流）條件下，泄流量關(guān)系應(yīng)為Q1≥Q2≥Q3。若旋流泄洪洞的設(shè)計(jì)流量為Qs，根據(jù)模型試驗(yàn)，三者泄流量的關(guān)系可具體為：Q1＝1.05～1.1Qs，Q2＝1.02～1.05Qs和 Q3＝Qs。

通常旋流阻塞和旋流擴(kuò)散復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞的體型由7部分組成，即開(kāi)敞式（或短有壓式）進(jìn)口、豎井洞、起旋器、旋流洞消能段、阻塞段、旋流擴(kuò)散消能段與原導(dǎo)流洞。本節(jié)以兩河口水電站復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞的水力設(shè)計(jì)為例，探討該類(lèi)型旋流泄洪洞的水力設(shè)計(jì)方法。

3.1 開(kāi)敞式進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)與計(jì)算

開(kāi)敞式進(jìn)口可采用WES剖面型實(shí)用堰，堰剖面較瘦，淹沒(méi)堰流流態(tài)時(shí)堰面上不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，WES剖面曲線后采用一段圓弧直接與豎井洞段銜接。開(kāi)敞式進(jìn)口泄流量計(jì)算公式為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用堰公式

式中：Q1開(kāi)敞式進(jìn)口泄流量，須滿足Q1＝1.05～1.1Qs的要求；B為溢流堰總凈寬；H0為計(jì)入行近流速的堰上水頭；ε1為收縮系數(shù)；σs為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)。當(dāng)設(shè)計(jì)運(yùn)行工況為淹沒(méi)堰流流態(tài)，開(kāi)敞式進(jìn)口泄流量計(jì)算只需按（1）式，ε1與m常規(guī)取值，并取淹沒(méi)系數(shù) σs＝0.98～1.0計(jì)算即可。

當(dāng)進(jìn)水口為有壓流進(jìn)口時(shí)，亦可按常規(guī)的有壓流進(jìn)水口公式計(jì)算進(jìn)水口的泄流量，為了保證豎井內(nèi)為有壓流，仍需按 Q1＝1.05～1.1Qs確定進(jìn)水口的設(shè)計(jì)流量。

3.2 起旋器體型設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

為了使旋流洞內(nèi)形成穩(wěn)定、旋流強(qiáng)度高的空腔環(huán)流，豎井洞與旋流洞的銜接段稱(chēng)為起旋器。直切式起旋器，即在豎井的圓柱段先由圓變方，然后單側(cè)收縮，一側(cè)壁面向下鉛垂不變，與旋流洞相切，另一側(cè)壁面向下直線收縮，與旋流洞相交，過(guò)流面積逐漸減小。與公伯峽兩側(cè)收縮的弧線式起旋器相比，直切式起旋器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更易于施工。圖1所示為兩河口水電站旋流泄洪洞的直切式起旋器體型。

圖1 兩河口水電站直切式起旋器設(shè)計(jì)體型Fig.1 Design form of the vortex flow generator of Lianhekou Hydroelectric Station

在豎井為有壓流的情況下，起旋器的過(guò)流能力由起旋器出口收縮斷面即起旋器喉口控制，起旋器喉口出流符合閘孔出流泄流規(guī)律，過(guò)流能力按孔流計(jì)算，泄流量計(jì)算公式為

式中：Q2起旋器的設(shè)計(jì)泄流量，須滿足Q2＝1.02－為旋流洞段Z／D＝4位置處旋流洞頂部的壓力水頭；H1為該位置以上的壓力水頭，μ為起旋器喉口流量系數(shù)；A2起旋器喉口過(guò)流面積，為需要確定的值。為保證旋流洞內(nèi)近壁最大流速小于36 m／s，H1－Hp應(yīng)小于85 m，可通過(guò)調(diào)節(jié)阻塞的孔徑來(lái)保證。在自由旋流流態(tài)時(shí)，在豎井與起旋器幾何參數(shù)不變時(shí)，流量系數(shù)μ與起旋器出口的弗如德數(shù)Fr為線性關(guān)系，與上下游水位差的關(guān)系為近似不變的常數(shù)［13］。在設(shè)置阻塞后，μ還與H1－Hp的變化有關(guān)。

圖2 h／D＝1.983時(shí)流量系數(shù)μ隨H 1－Hp的變化Fig.2 The Change of discharge coefficientμwith H 1－Hp when h／D＝1.983

圖2 為起旋器喉口面積與豎井?dāng)嗝婷娣e之比A2／A、上游水位在 h／D＝1.983時(shí)，流量系數(shù) μ隨H1－Hp的變化。由圖可知，在4種不同的面積比下，μ與H1－Hp之間均為線性關(guān)系，但A2／A不同時(shí)線性關(guān)系不同。在H1－Hp為80 m左右、泄流量為1 200－1 500 m3／s范圍內(nèi)時(shí)，流量系數(shù)μ的取值在0.60～0.75，根據(jù)不同面積比 A2／A確定。

有關(guān)研究表明，面積比A2／A的變化對(duì)旋流洞的水力特性有較大的影響。如圖2可知，A2／A增大時(shí)，通過(guò)起旋器喉口的泄流量增大。但如果A2／A值太大，起旋器側(cè)向收縮程度不夠，切向入流的條件就不太理想，不能形成旋流洞起始斷面上基本對(duì)稱(chēng)與穩(wěn)定的空腔環(huán)流，旋流洞內(nèi)水流旋轉(zhuǎn)力度就會(huì)減小。因此選擇合適的起旋器喉口面積收縮比，可形成較好的流態(tài)增大消能率與水流的穩(wěn)定性，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［10］研究成果，較合理的面積比A2／A應(yīng)在0.50～0.75之間。

3.3 阻塞體型設(shè)計(jì)與近似計(jì)算

設(shè)置阻塞后產(chǎn)生的阻塞效應(yīng)如第2.1小節(jié)所述，但為了保證第2.2小節(jié)中的設(shè)計(jì)原則，阻塞本身的體型與水力特性也需優(yōu)化。四川大學(xué)劉善均等［6］在研究導(dǎo)流洞改建問(wèn)題過(guò)程中，提出了洞塞消能工的一些設(shè)計(jì)原則與思想。作者結(jié)合旋流的水力特性，對(duì)阻塞體型設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)研究［3］?；驹O(shè)計(jì)思想為：阻塞的孔口以前，是從水平旋流洞的洞徑逐漸收縮到孔口直徑的圓錐形管段，以使旋流在流經(jīng)洞塞結(jié)構(gòu)時(shí)，逐漸加大離心力，避免洞塞體型出現(xiàn)新的高速水流問(wèn)題；孔口后，通過(guò)對(duì)柱形管段削角，形成突擴(kuò)管段；出口為垂直于水平洞壁面的圓環(huán)斷面，有利于形成超空化體型。如圖3所示，阻塞體型設(shè)計(jì)的一個(gè)基本參數(shù)為阻塞過(guò)流面積減小率εA，其定義為

圖3 阻塞體型設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Sketch of vortex flow block appearance design

顯然這個(gè)參數(shù)僅與水平旋流洞洞徑D、阻塞孔徑d有關(guān)。為了減小阻塞結(jié)構(gòu)對(duì)水力特性的影響，除了應(yīng)選取合適的相對(duì)阻塞孔口直徑d／D外，還應(yīng)當(dāng)考慮收縮管路部分的漸變長(zhǎng)度L，面積減小率εA越大，相對(duì)漸變長(zhǎng)度L／D就應(yīng)越大。

旋流內(nèi)消能泄洪洞在上游水頭的作用下，水流通過(guò)起旋發(fā)生裝置后，在旋流洞內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，由通氣孔向旋流洞內(nèi)通入氣體，旋轉(zhuǎn)水流中間形成一空腔，到阻塞孔口出流時(shí)，水流為高速旋轉(zhuǎn)出流，泄流量與阻塞前后的壁面壓強(qiáng)差有關(guān)，也與旋流特性有關(guān)，因此可稱(chēng)為旋流有壓孔口出流。按這一原則定性，阻塞孔口出流應(yīng)符合有壓孔口的基本出流規(guī)律，但必須考慮旋流特性對(duì)其的影響，

式中：Q3阻塞孔口泄流量，應(yīng)滿足 Q3＝Qs；H2≈Hp＝Pν／γ為旋流洞受阻塞影響以前的壁面壓力水頭，可近似等于第3.2小節(jié)中的 Hp，H3為阻塞末端壓力水頭，在自由旋流擴(kuò)散時(shí)，可取其近似等于零，在淹沒(méi)旋流擴(kuò)散時(shí)則按淹沒(méi)流的靜水壓強(qiáng)計(jì)算；旋流有壓孔口出流的流量系數(shù)ξ＝kξ1，ξ1為常規(guī)有壓閘孔出流的流量系數(shù)，k為旋流特性影響系數(shù)。圖4為不同阻塞過(guò)流面積減小率εA情況下ξ隨Hp－H3的變化規(guī)律，其中A3為阻塞孔口面積，A為旋流洞面積。由圖可見(jiàn)，不同A3／A的流量系數(shù)不同，具體參照?qǐng)D4所示。阻塞設(shè)置的位置對(duì)壁面壓強(qiáng)、旋流洞的最大流速和泄流量的影響均較小，但對(duì)旋流空腔直徑、旋流夾角和通氣孔的通風(fēng)量影響較大［3］。

3.4 旋流洞的近壁流速和壁面壓強(qiáng)與阻塞的關(guān)系

圖4 ξ隨Hp－H 3的變化規(guī)律Fig.4 Variation ofξwith Hp－H 3

圖5 近壁最大流速隨εA的變化Fig.5 Change of maximum velocity withεA

圖6 H 1－H p隨εA的變化規(guī)律Fig.6 Change of H 1－H p withεA

圖5 與圖6為旋流洞內(nèi)近壁最大流速和旋流洞作用水頭H1－Hp隨阻塞面積減小率εA的變化規(guī)律?？梢?jiàn)旋流洞內(nèi)近壁最大流速隨εA的增大而減小，而 H1－Hp亦相同。在阻塞面積減小率 εA為0.373，且 H1－Hp＜80 m時(shí)，速度已小于 36 m／s，因此旋流洞作用水頭設(shè)計(jì)取值時(shí)應(yīng)小于80 m。

3.5 旋流擴(kuò)散段的體型設(shè)計(jì)、擴(kuò)散水流流態(tài)及與下游水面的銜接

阻塞孔口與導(dǎo)流洞銜接，既可采用旋流突擴(kuò)形式，也可采用旋流漸變擴(kuò)散形式。在旋流突擴(kuò)段中（基本體型如圖7所示），旋轉(zhuǎn)水流的切向旋流擴(kuò)散和軸向擴(kuò)散相結(jié)合，氣水摻混充分，消能率高，消能區(qū)域較短，但旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散水流在附壁時(shí)對(duì)突擴(kuò)段兩側(cè)壁面和頂部壁面的沖擊力較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需提高旋流突擴(kuò)段附近范圍四周壁面襯砌強(qiáng)度。

圖7 阻塞后旋流突擴(kuò)體型示意圖Fig.7 Sketch of vortex flow sudden expansion section after the vortex flow block

采用漸變擴(kuò)散式銜接時(shí)，銜接處頂部為圓變圓，底部為圓變方。在導(dǎo)流洞有較大的坡度時(shí)，還需要在旋流漸變擴(kuò)散段頂部增加一壓板，在擴(kuò)散段末端導(dǎo)流洞內(nèi)底部?jī)蓚?cè)壁角增加四面體塊并按差動(dòng)式布置，如圖8所示。由于銜接處為旋流漸變擴(kuò)散段，旋轉(zhuǎn)水流沿著壁面漸變擴(kuò)散下泄，能量分散，減小了對(duì)壁面的直接沖擊。在頂部旋轉(zhuǎn)水流擴(kuò)散沿壓板向下，在擴(kuò)散段末端導(dǎo)流洞內(nèi)底部，旋轉(zhuǎn)水流受差動(dòng)布置四面體的干擾，在導(dǎo)流洞底部來(lái)回折流與挑射，紊動(dòng)更充分，整體摻氣濃度很高，消能效果好，水面沿程降低，折沖水流和水翅消除，折流墩后快速形成穩(wěn)定、均勻的氣水混合流，并與導(dǎo)流洞內(nèi)水面自然銜接。兩河口與猴子巖水電站的阻塞和擴(kuò)散段的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖8 旋流漸變擴(kuò)散段頂部增加壓板與四面體差動(dòng)式布置圖Fig.8 Pressure plate at the top of vortex flow expansion section and tetrahedrons differential-type arrangement

表2 經(jīng)過(guò)優(yōu)化后兩河口和猴子巖阻塞與漸變擴(kuò)散段的體型參數(shù)Table 2 Configuration parameters of vortex-flow block and gradual expansion section for the two hydroelectric stations after optimization

4 導(dǎo)流洞出口淹沒(méi)條件下的旋流擴(kuò)散銜接與排氣設(shè)施設(shè)計(jì)

4.1 導(dǎo)流洞出口淹沒(méi)條件下的旋流擴(kuò)散流態(tài)和與導(dǎo)流洞水流的銜接

旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散的氣與水充分混摻的兩相流，在旋流擴(kuò)散段中與導(dǎo)流洞內(nèi)的淹沒(méi)水流呈全斷面無(wú)明顯界面的銜接，這種流態(tài)我們稱(chēng)為旋流淹沒(méi)水躍流態(tài)。在旋流淹沒(méi)水躍后，旋流的強(qiáng)度明顯減小，流速明顯降低，氣體開(kāi)始析出上浮，洞內(nèi)的水流進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)椴恍D(zhuǎn)的、無(wú)氣體的淹沒(méi)流。這是我們需要的流態(tài)，因此對(duì)下游出口為較大淹沒(méi)的小坡度導(dǎo)流洞進(jìn)行旋流消能泄洪洞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證其在運(yùn)行工況范圍內(nèi)為旋流淹沒(méi)水躍流態(tài)。

對(duì)下游出口為較大淹沒(méi)的小坡度導(dǎo)流洞，在旋流擴(kuò)散段，無(wú)論其為突擴(kuò)還是漸擴(kuò)體型，均可能會(huì)出現(xiàn)旋流遠(yuǎn)趨水躍或旋流淹沒(méi)水躍2種基本流態(tài)，與旋流擴(kuò)散的水流能量、通氣孔的通氣量和下游淹沒(méi)程度有關(guān)。在旋流擴(kuò)散的能量一定時(shí)，調(diào)節(jié)通氣量和增大下游水位可使旋流遠(yuǎn)趨水躍轉(zhuǎn)變?yōu)樾餮蜎](méi)水躍流態(tài)。

4.2 導(dǎo)流洞出口淹沒(méi)條件下的排氣設(shè)施設(shè)計(jì)

在旋流淹沒(méi)水躍后，旋流的強(qiáng)度明顯減小，流速明顯降低，氣體開(kāi)始析出并沿程上浮，聚集在導(dǎo)流洞的頂部，分段連成較大的氣囊，引起洞頂壁面壓力的波動(dòng)并在導(dǎo)流洞出口產(chǎn)生氣爆。并在必須在旋流擴(kuò)散段以后導(dǎo)流洞合適的范圍內(nèi)設(shè)置集中或間隔的排氣設(shè)施，以便排除沿程不斷析出的氣體。猴子巖旋流泄洪洞的模型試驗(yàn)表明，排氣位置與范圍須由模型試驗(yàn)確定，采用高于尾水且有一定長(zhǎng)度的集氣室集中排氣和在一定的范圍內(nèi)設(shè)置連通的排氣管與排氣洞均是可行的方案，但相比較而言，從施工的難度、流態(tài)的穩(wěn)定性和排氣效果等方面看，后者更優(yōu)一些。

猴子巖旋流泄洪洞設(shè)置的連通的排氣管與排氣洞的方案與體型如圖9所示。由圖可見(jiàn)，從旋流擴(kuò)散段開(kāi)始斷面算起120 m位置上開(kāi)始間隔20 m設(shè)置排氣管，設(shè)置長(zhǎng)度為200 m，管徑為2～3 m均可。排氣管高度與下游水位高度有關(guān)，猴子巖設(shè)計(jì)為31.2 m。排氣管均與排氣洞連通，排氣洞直徑3～4 m均可，可利用事先設(shè)計(jì)的導(dǎo)流洞施工支洞改建。

圖9 猴子巖旋流泄洪洞排氣管與排氣洞的方案與體型Fig.9 Program and configuration of Houziyan Hyropower Station’s exhaust tubes and exhaust holes

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于導(dǎo)流洞改建為水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計(jì)、研究，特別是工程實(shí)踐還很少，黃河公伯峽水電站右岸導(dǎo)流洞建成后成功進(jìn)行了原型觀測(cè)，為這一類(lèi)型的內(nèi)消能泄洪洞提供研究、設(shè)計(jì)和工程示范的實(shí)例。但對(duì)這一量級(jí)和更大流量、更高水頭和具有較大坡度的后期導(dǎo)流洞或下游淹沒(méi)較深的導(dǎo)流洞，在改建為旋流內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計(jì)時(shí)，均缺少設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)，也缺少對(duì)設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法的研究與討論，本文在此進(jìn)行了嘗試。但因?yàn)槔碚摶A(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和具體工程實(shí)踐均較少，因此本文建議的設(shè)計(jì)原則和具體的設(shè)計(jì)方法的一般性均有待于進(jìn)一步地深入研究、深化和得到進(jìn)一步實(shí)踐的檢驗(yàn)。本文的目的在于為更大流量、更高水頭和具有較大坡度的后期導(dǎo)流洞或淹沒(méi)較深的導(dǎo)流洞改建為旋流內(nèi)消能泄洪洞工程的水力設(shè)計(jì)提供參考，也希望通過(guò)討論與進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究以及更多的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，盡早地開(kāi)始旋流內(nèi)消能泄洪洞設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究規(guī)范的制訂。

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Hydraulic Design of Compound Expression Spillway Tunnel of Inner Energy Dissipation from Vortex-flow Block And Vortex-flow Divergent

NIU Zheng-ming1，YANG Jian1，2，DING Hao-duo1，NAN Jun-hu1，XU Wei3，BAO Li3
（1.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.China Water Resources Pearl River Planning，Surveying＆Designing Co，Ltd，Guangzhou 510610，China；3.Chengdu Hydroelectric Investigation＆Design Institute of SPC，Chengdu 610072，China）

On the basic research of hydraulic characteristics of the compound expression spillway tunnel of inner energy dissipation with vortex-flow block and vortex-flow divergent，when the diversion tunnels are reconstructed from Lianghekou Hydroelectric Station and Houziyan Hydroelectric Station，the principle and method of hydraulic design are researched，and the type of the open intake，vortex-flow generator，block and vortex-flow gradually expanded section are designed and calculated.The result offers a reference about hydraulic design in which the diversion tunnel will be reconstructed as a vortex-flow spillway tunnel with discharge more than 1 000 m3／s and available pressure head 150 m.

vortex-flow block；vortex-flow proliferation；compound expression spillway tunnel of inner energy dissipation；principle and method of hydraulic design

TV651

A

1001－5485（2010）02－0024－07

2009-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金－雅礱聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（50579086）

牛爭(zhēng)鳴（1957-），男，陜西佳縣人，教授，博導(dǎo)，主要從事高速水流和水工水力學(xué)的研究，（電話）029-82313955（電子信箱）niuzm＠xaut.edu.cn。

（編輯：周曉雁）