简要信息

    【获奖类型】应用一等奖
    【任务来源】黄河上游开发公司建设分公司
    【课题编号】水020353
    【课题起止时间】2001年10月～2004年10月
    【完成单位】水力学所
    【主要完成人】董兴林、杨开林、韩  昆、陈文学、王  涛、郭永鑫、付  辉、崔  巍、郭新蕾、乔清松

    立项背景

    传统泄洪洞，如“龙抬头”式泄洪洞，通常由压力短进水口、斜井、反弧段出口挑流坎组成，洞内消能率低，流速高，其致命缺点是：高速水流极易在反弧段末端引起空蚀，造成结构物严重破坏，而出口挑流雾化则引起岸边滑坡和破坏生态环境。例如，美国的胡佛、黄尾和格林峡坝等泄洪洞均发生空蚀破坏；我国刘家峡泄洪洞建成试水时，雾化携带泥沙，使高压变电站短路，中断了电力输送，同时破坏了进厂公路，接着在1972年发生了严重的空蚀破坏；二滩水电站1999年进行的泄洪雾化原型观测表明，雾化形成的降雨量竟达1000mm/h，对山体和植被产生极大的破坏力，接着2001年二滩1#泄洪洞也发生了严重空蚀破坏。鉴于上述原因，我们把高速水流泄水建筑物的重点研究转移到防蚀、生态保护和经济目标上。
    黄河公伯峡水电站右岸泄洪洞由于基岩破碎，施工时出现多起塌方，业主担心原设计“龙抬头”式泄洪洞的斜洞段难以成型，严重影响施工进度。我们趁此机遇，提出了新型竖井－旋流泄洪洞方案（水流绕水平轴旋转），被业主和设计单位采用。于2004年10月完成了最终研究报告，工程于2006年建成，同年8月通过了原型观测验证。

    研究内容

    （1）结构体型
    竖井－旋流泄洪洞是由溢流堰、竖井、起旋室－旋流洞、水垫塘－阻水墩和出水洞（原导流洞）组成的洞内消能泄水结构物。其中起旋室－旋流洞、水垫塘－阻水墩都设在导流洞内，充分利用了导流洞的空间。竖井－旋流泄洪洞的运行程序是：水流从溢流堰进入竖井，经下部起旋室旋转（从通气井吸气），在旋流洞形成空腔螺旋流运动，然后在水垫塘内进行旋转扩散，使水气强力掺混紊动作用，总消能率达85％以上，对于公伯峡总水头110m的洞内流速只有14m/s。
    （2）竖井－旋流泄洪洞关键技术问题 
    1）竖井同旋流洞连接升坎的负压问题
    本工程主要采用洞内旋流＋掺气消能的研究思路，旋流离心力使壁面压力升高再加上掺气的保护，整体泄洪洞可以完全避免发生空蚀。但是，水流从竖向转向水平方向时，在竖井与旋流洞连接坎处，发生水流分离产生负压，容易引起局部空蚀。消除连接坎负压最有效的措施是：在靠近起旋室进口的竖井一壁面上浇注折流坎，增加起旋室水流的旋转动量矩，使旋流穿过低压区，可完全消除负压，此法工程量小，施工简单，这一新技术曾发表在2003年4月的《水力发电》和2006年5月的《水利水电技术》期刊上。但设计方根据公伯峡的特殊条件选定了我们的另一方案，并且补充研究出在竖井上设置环形掺气坎，向低压区补气防止空蚀。
    2）水垫塘技术问题
    水垫塘是利用阻水墩雍水形成的一种压力消能工。在水垫塘试验中发现，由侧墩和中墩组成的开敞式过流孔口，较全封闭孔板或洞塞消能效果好，下游流态平稳。但要求收缩墩过流面积 （ 旋流洞直径），否则，A太大消能效果差；A太小会产生不稳定涡带引起振动，同时泄流能力降低。
    阻水墩不管是三角体型或流线型，虽然其背坡面出现的负压不同，但都不会发生空蚀，因为该区域掺气浓度较大。
    3）竖井环形掺气坎问题
    在有压流竖井上设置环形掺气坎，要想不影响泄流量，并能形成射流空腔掺入大量空气，在技术上要求：孔径比 ，坎坡3:1和坎的棱角角度要小于120度。环形掺气坎的射流空腔掺气可增加竖井消能作用，同时对连接坎低压区掺入少量的空气，起到一定的减免空蚀作用。
    （3）掺气相似律
    根据气水二相流连续方程、运动方程和气体状态方程推导出原、模型掺气浓度相似比尺的理论计算公式。此算式表明，当原、模型按几何相似和弗汝德数相等设计时，掺气浓度的比尺换算同测点处的压力有关，正压区测得的掺气浓度，原型比模型小；相反负压区测得的掺气浓度，原型要比模型大。公伯峡模型旋流洞进口段测得压力＋11m（原型），模型掺气浓度2.7％，原型实测约1％，表明掺气浓度相似公式是合理的。

    创新点

    竖井－旋流泄洪洞结构体型满足了运行安全、生态环保和经济实惠的要求，是国内自主创新的科研成果，也是世界上唯一通过原型观测检验的新型泄洪洞。
在结构体型创新方面
    （1）旋流洞＋水垫塘联合消能工，结构简单，消能率高，出口可免去挑流坎或其它任何消能工程，彻底消除雾化现象。这是竖井－旋流泄洪洞区别于传统泄洪洞，也不同于小浪底多级孔板泄洪洞的主要创新点。
    （2）竖井下部采用椭圆曲线同起旋室连接，施工简化（很容易用三条折线代替椭圆曲线），流态好，在任何库水位下都能形成稳定的空腔旋转流。
    （3）根据旋流的动量矩原理，在起旋室进口前增设折流坎，可以彻底消除竖井与旋流洞连接段的负压，避免发生空蚀，对今后推广竖井－旋流式泄洪洞的设计和应用极为重要。
    （4）在有压流竖井上，不开槽也不扩大竖井直径，设置环形掺气坎，使竖井内能形成射流空腔和掺入大量空气，尚属首次。此成果对常规的竖井式泄洪洞防止空蚀和提高消能率也具有较大的适用价值。
    （5）起旋室、旋流洞、水垫塘和阻水墩全设置在导流洞内，充分利用导流洞的空间，施工简易，造价少。不像传统泄洪洞必须另外开挖一条斜井或在洞底下开挖消力井，施工难，增加工程投资。

    在理论研究方面

    （1）提出了竖井－旋流泄洪洞系统的设计原理和计算方法。
    （2）结合竖井－旋流泄洪洞模型掺气试验，首次推导出掺气模型相似律流理论公式，并通过原型观测验证。

    应用前景及社会经济效益

    公伯峡竖井－旋流泄洪洞通过理论探索和三年的试验研究，达到了运行可靠、消能率高、投资少的目的，经设计和施工单位最终经济概算结果，比原“龙抬头”式泄洪洞节省投资5,000余万圆，具有重大的经济效益和良好的环境效益。采用新型竖井－旋流泄洪洞不仅解决了公伯峡水电站施工中的燃眉之急，弥补了失去的工期，节省了投资，更重要的是为今后泄水建筑物的设计开创了新出路。之后广东和新疆等设计院纷纷来京搜集有关资料，可见具有广泛的应用前景。

竖井－旋流洞模型试验流态



竖井－旋流泄洪洞纵剖面及原型遂洞出口流态