一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能方法與裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能方法與裝置。本發(fā)明專利技術(shù)包括：底部與水平泄洪洞連接的使洪水豎直下落的旋流豎井，旋流豎井的頂端連接喇叭形堰下的小口端，喇叭形堰上的大口端的外圍繞旋流豎井中心軸線均勻布置多個(gè)起旋墩，起旋墩的水平截面是細(xì)長的多邊形，多邊形最長的邊與喇叭形堰大口外圓周的切線成α≤１５°夾角連接，起旋墩從堰頂算起的高度≤堰頂最高水深的３／４。本發(fā)明專利技術(shù)使用小夾角連接的起旋墩，可以產(chǎn)生有效的起旋作用。用調(diào)整起旋墩高度的方式，巧妙的既能保證了最大設(shè)計(jì)流量，又能保證了旋流增壓、免蝕和消能的要求，使豎井泄洪洞的設(shè)計(jì)大為簡化，運(yùn)行更加安全可靠。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能方法與裝置，是一種水工方法和裝置，是一種用于泄洪洞入水口的水工方法和設(shè)施。
技術(shù)介紹
傳統(tǒng)喇叭形堰豎井泄洪洞，在二十世紀(jì)四、五十年代美國修建較多。這種泄洪洞通常不設(shè)閘門，正常蓄水位即堰頂高程，自動(dòng)泄洪，因此，適用于無人操作的非常泄洪洞，特別是在人煙稀少的水工程采用這種泄洪洞最有利。當(dāng)具有修建喇叭形堰的開闊地形時(shí)，它的最大泄流能力可達(dá)3000m3/s。傳統(tǒng)的喇叭形堰豎井泄洪洞存在許多缺點(diǎn)：如進(jìn)水口易產(chǎn)生漩渦，影響泄流能力，和出現(xiàn)不穩(wěn)定渦帶引起結(jié)構(gòu)物振動(dòng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向氣爆現(xiàn)象（如美國俄勒岡州阿威希壩豎井泄洪洞）。在溢流堰同豎井連接段處易產(chǎn)生負(fù)壓，特別是靠近豎井下部的負(fù)壓能達(dá)到氣化壓力，引起豎井空蝕。由于上述原因，使高水頭大泄量豎井泄洪洞的應(yīng)用受到了很大限制。解決漩渦問題的傳統(tǒng)方法是采用防漩墻或分流墩等措施。為了防止豎井空蝕，在溢流堰下設(shè)突擴(kuò)摻氣坎，或?qū)⒇Q井下部修成收縮段提高井壁壓力，或在豎井與隧洞轉(zhuǎn)彎連接段設(shè)收縮摻氣坎（如俄國的洽爾瓦克泄洪洞）等。由于慘氣保護(hù)長度有限，不能保證豎井全長不發(fā)生空蝕。采取述上措施不僅使結(jié)構(gòu)復(fù)雜也給施工帶來很大的難度。為解決傳統(tǒng)豎井空蝕的問題，曾提出在溢流堰的周圍使用起旋墩的方式使水流在進(jìn)入豎井之前產(chǎn)生旋流，水流在豎井中以旋流的方式下落，利用離心力和自動(dòng)摻氣，消減負(fù)壓防止豎井發(fā)生空蝕，同時(shí)又能提高消能率。旋流在豎井中產(chǎn)生旋流空腔和環(huán)形水躍，以及氣水混合體墊層，可以產(chǎn)生強(qiáng)力的消能作用。但是原起旋墩的設(shè)計(jì)都是起旋墩的高度高于最高洪水水位，這樣就產(chǎn)生了起旋墩的個(gè)數(shù)和起旋墩與環(huán)形堰圓周之間的夾角的角度難以確定問題。要獲得滿意的旋流效果，起旋墩與環(huán)形堰圓周之間的夾角的角度必須較小，起旋墩的個(gè)數(shù)多一些效果好。但角度過小，起旋墩過多，雖然可以產(chǎn)生滿意的旋轉(zhuǎn)水流，但限制了流量。增大角度或減少起旋墩的數(shù)量，雖然可以增大流量，但旋轉(zhuǎn)水流的旋轉(zhuǎn)量不夠，不能有效防止豎井的空蝕。在設(shè)計(jì)上，如何平衡旋流效果和流量之間的關(guān)系，即如何選擇起旋墩的個(gè)數(shù)以及擺放角度，成為一個(gè)難題。雖然可以通過某一條件下的精確設(shè)計(jì)達(dá)到要求，然而泄洪洞的設(shè)計(jì)必須經(jīng)得起五十年一遇、百年一遇和千年一遇等各種條件下的洪水量校核。而各種條件都在臨界狀態(tài)下的設(shè)計(jì)無法符合大范圍的參數(shù)變動(dòng)，特別是流量的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，造成的后果都將是嚴(yán)重的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本專利技術(shù)提出一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能方法與裝置。根據(jù)旋流增壓和摻氣消能的原理，在喇叭口外緣以小角度軸對(duì)稱的布置若干個(gè)低短的起旋墩，使溢流堰和旋流豎井在堰上各種水頭下均能產(chǎn)生穩(wěn)定的空腔旋轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保-->證在給定的堰上水頭下能滿足最大泄流量的要求。本專利技術(shù)的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能裝置，包括：底部與水平泄洪洞連接的使洪水豎直下落的旋流豎井，所述的旋流豎井的頂端連接喇叭形堰下的小口端，所述的喇叭形堰上的大口端的外圍繞旋流豎井中心軸線均勻布置多個(gè)起旋墩，所述的起旋墩的水平截面是細(xì)長的多邊形，所述的多邊形最長的邊與喇叭形堰頂大口的圓周的切線成α≤15°夾角連接，所述的起旋墩從喇叭形堰頂算起的高度≤堰頂最高水深的3/4。使用上述裝置的潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能方法，所述方法的步驟如下：洪水水位低于起旋墩頂?shù)墓r：水流流入各個(gè)相鄰起旋墩之間；在各個(gè)相鄰起旋墩的導(dǎo)流作用下，水流以環(huán)形堰圓周切線與起旋墩之間夾角α的方向進(jìn)入喇叭形堰；水流流入喇叭形堰的縮口坡，在重力和起旋墩導(dǎo)向的共同作用下水流形成旋流水流，旋流水流沿縮口坡旋轉(zhuǎn)下落；旋流水流進(jìn)入旋流豎井旋流下落，在旋流豎井上段中心軸周圍形成旋流空腔；旋流水流在旋流豎井中、下段形成環(huán)形水躍和氣水混合體墊層進(jìn)行強(qiáng)力的消能，水流繼續(xù)下落轉(zhuǎn)彎進(jìn)入水平泄洪洞；洪水水位高于起旋墩的工況，洪水水流分為沒有漫過起旋墩的低層水流和漫過起旋墩的上層水流：低層水流的狀態(tài)：低層水流流入各個(gè)相鄰起旋墩之間；在各個(gè)相鄰起旋墩的導(dǎo)流作用下，低層水流以環(huán)形堰圓周切線與起旋墩之間夾角α的方向進(jìn)入喇叭形堰；上層水流的狀態(tài)：上層水流在接近起旋墩時(shí)，在低層旋流的拖曳下，上層水流做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并以大于環(huán)形堰圓周切線與起旋墩之間夾角α的角度流入喇叭形堰；低層水流和上層水流流入喇叭形堰的縮口坡，在重力和起旋墩導(dǎo)向的共同作用水流形成旋流水流，旋流水流沿縮口坡旋轉(zhuǎn)下落；旋流水流進(jìn)入旋流豎井旋流下落，在旋流豎井上段中心軸周圍形成旋流空腔；旋流水流在旋流豎井中、下段形成環(huán)形水躍和氣水混合體墊層進(jìn)行強(qiáng)力的消能，水流繼續(xù)下落轉(zhuǎn)彎進(jìn)入水平泄洪洞。本專利技術(shù)產(chǎn)生的有益效果是：本專利技術(shù)使用小夾角連接的起旋墩，可以產(chǎn)生有效的起旋作用，使水流有效的旋轉(zhuǎn)，而在高水位工況下小夾角的起旋墩不會(huì)影響泄洪流量，而底層水流可以有效的拖曳上層水流旋轉(zhuǎn)，同樣可以產(chǎn)生有效的起旋作用。這樣用降低起旋墩的方式，巧妙的達(dá)到了即保證了最大設(shè)計(jì)流量，又保證了旋流增壓、免蝕和消能的要求，本研究成果使設(shè)計(jì)大為簡化。雖然目前尚無精確的流量系數(shù)，但對(duì)各種設(shè)計(jì)流量，可以給出流量系數(shù)的估值，通過試驗(yàn)改變起旋墩的高度便能給出期望的流量值。經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證和一真實(shí)工程1：30的實(shí)體模型驗(yàn)證，本專利技術(shù)所述方法和裝置適用于各種泄流量，最大泄量和總水頭可以達(dá)到2000m3/s，和200m，有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在大型土石壩水庫若修建潛-->水起旋墩的旋流喇叭形堰豎井泄洪洞渲泄PMF（最大可能降雨量）洪水，就完全可以避免潰壩的災(zāi)難。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明。圖1是專利技術(shù)實(shí)施例一所述潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是專利技術(shù)實(shí)施例三所述裝置的四個(gè)起旋墩的示意圖，是圖1中A向視圖；圖3是專利技術(shù)實(shí)施例三所述裝置的五個(gè)起旋墩的示意圖；圖4是專利技術(shù)實(shí)施例三所述裝置的九個(gè)起旋墩的示意圖；圖5是專利技術(shù)實(shí)施例四所述裝置的起旋墩水平剖面示意圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例一：本實(shí)施例是一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能裝置，如圖1所示。本實(shí)施例包括：底部與水平泄洪洞1連接的是洪水豎直下落的旋流豎井2，旋流豎井的頂端連接喇叭形堰下的小口3，喇叭形堰上的大口5外圍繞旋流豎井中軸線均勻布置多個(gè)起旋墩4。起旋墩的水平截面是細(xì)長的多邊形。細(xì)長的多邊形的最長邊（最窄的一端）與喇叭形堰頂?shù)耐鈭A周的切線成≤15°的夾角連接，如圖2中α所示的角度。起旋墩在堰頂上的高度是堰頂最高水頭6的3/4（根據(jù)流量大小可以調(diào)節(jié)）。本實(shí)施例所述的潛水起旋墩自調(diào)流豎井是一種喇叭形堰，是無閘門控制的，通過改變起旋墩的高度調(diào)節(jié)堰口最大設(shè)計(jì)入流量。洪水可以從沒有漫過起旋墩，在起旋墩之間流入旋流豎井，也可以漫過起旋墩，從起旋墩之間和起旋墩上流入旋流豎井。水流在進(jìn)入旋流豎井時(shí)希望水流緊貼井壁，這樣不會(huì)產(chǎn)生空蝕。如果水流豎直落下，特別容易在豎井周邊產(chǎn)生空蝕。為了防止豎井周邊的空蝕，本實(shí)施例采用起旋墩使水流在進(jìn)入豎井時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣可以在離心力的作用下消除負(fù)壓，有效的防止豎井空蝕，并在豎井的中、下部產(chǎn)生環(huán)形水躍和氣水混合體墊層，增強(qiáng)消能作用。為了在豎井中產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)，起旋墩必須與喇叭形堰頂外圓的切線成小角度連接。起旋墩的數(shù)量越多和連接角度越小，水流的旋轉(zhuǎn)力度越大，易消除豎井負(fù)壓，但泄流能力降低；反之墩子越少和夾角越大，旋轉(zhuǎn)力度越小，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能裝置，包括：底部與水平泄洪洞連接的使洪水豎直下落的旋流豎井，所述的旋流豎井的頂端連接喇叭形堰下的小口端，所述的喇叭形堰上的大口端的外圍繞旋流豎井中心軸線均勻布置多個(gè)起旋墩，所述的起旋墩的水平截面是細(xì)長的多邊形，其特征在于，所述的多邊形最長的邊與喇叭形堰頂大口的圓周的切線成α≤１５°夾角連接，所述的起旋墩在堰頂上的高度≤喇叭形堰頂最高水深的３／４。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能裝置，包括：底部與水平泄洪洞連接的使洪水豎直下落的旋流豎井，所述的旋流豎井的頂端連接喇叭形堰下的小口端，所述的喇叭形堰上的大口端的外圍繞旋流豎井中心軸線均勻布置多個(gè)起旋墩，所述的起旋墩的水平截面是細(xì)長的多邊形，其特征在于，所述的多邊形最長的邊與喇叭形堰頂大口的圓周的切線成α≤15°夾角連接，所述的起旋墩在堰頂上的高度≤喇叭形堰頂最高水深的3/4。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的喇叭形堰的縮口坡的截面曲線為1/4橢圓曲線。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的起旋墩的墩數(shù)為4～9個(gè)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述的起旋墩水平截面形狀的細(xì)長多邊形是矩形連接楔形，所述的多邊形的各個(gè)邊的連接部位呈渾圓的連接。5.使用上述裝置的潛水起旋墩自調(diào)流豎井消能方法，其特征在于所述方法的步驟如下：洪水水位低于起旋墩頂?shù)墓r：水流流入各個(gè)相鄰起旋墩之間；在各個(gè)相鄰起旋墩的導(dǎo)流作用下，水流以環(huán)形堰圓周切線與起旋墩之間夾角α的方向進(jìn)入喇叭形堰；水流流...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董興林，楊開林，郭新蕾，郭永鑫，王濤，付輝，賈順鐘，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國水利水電科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：11[中國|北京]