发布于：2006-01-19 21:16:19
来自：水利工程/水利工程设计
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环形溢洪道的设计与试验研究
摘 要 利用旋流场理论分析，大胆、巧妙地将环形堰与消力井结合使用，设置防涡墩和外防涡墙的环形溢洪道泄流消能方式，成功地解决了进口流速较大且流速分布极不均匀，水力条件较为复杂的泄流和消能问题。经过两个水文年的溢洪实践，表明该设计与研究在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果，并比常规的设计可节约工程投资的１／４～１／３，且安全可靠。对在城市防洪排涝、中小型水利水电工程的泄流及一洞多用中，山区狭长水库行近流速比较大或切向流速比较大的水库中，均具有较好的推广价值。
关键词 环形溢洪道 旋流 消能 防涡设施
一、工程概况
贵州省贵阳市贯城河是一条由北向南纵贯贵阳市城区的河流，流域面积为２１ｋｍ２，为山区雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，涨峰历时短的特点。城市的发展导致地面硬化，水流下渗量减少，加大了短时地表径流。由于历史的原因，贯城河河道过水断面减小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地势低洼，致使上游地区及市区暴雨强度较大时，极易形成内涝，尤以喷水池附近地区最为严重，给人民生命财产带来巨大的损失。
１９９８年贵阳市政府为解决贯城河的水环境问题，拟在化龙桥附近修建一条排污分洪隧洞。工程的主要任务是分泄化龙桥以上河道汛期大部分洪水，提高喷水池附近繁华商业区的防洪能力。枢纽工程由环形溢洪道、隧洞等两大部分组成，其最大排洪量为１００ｍ３／ｓ。该工程于２０００年建成。
二、进口方案比较
由于贯城河贯穿贵阳市，为减少洪水对市中心的影响，该工程进口位置只能选择在人口较密、商业较繁华的化龙桥至沙河桥一带。这一带受地形及规划用地的限制，加之泄洪流量较大，这给进口的设计带来了一定的难度。在布置设计时研究过竖井式溢洪道、环形溢洪道、龙抬头式溢洪道加消力池消能三种可能的布置形式。
竖井式溢洪道与环形溢洪道相比虽然工程投资相当，但其水垫较浅，消能效果没有环形溢洪道好；再加上渐变段、竖井，尤其弯管的曲率半径不能满足２～５倍控制段直径要求，使得输水隧洞内会出现不稳定的流态，甚至在弯管部位会出现很大的负压。而环形溢洪道正好克服了这些缺点被确定为实施方案。环形溢洪道与龙抬头式溢洪道加消力池消能相比减少占地约４０％。
三、环形溢洪道的设计
１．环形堰设计
该工程按２００年一遇洪水标准设计，按《防洪标准》（ＧＢ５０２０１－９４）的规定，本工程等别为Ⅱ等，环形溢洪道等永久建筑的级别为２级。环形溢洪道由引渠、环形堰、消力井三部分组成。
由于本工程地处市区内，受其用地的限制，进口引渠位于距河道转弯上游凸岸一侧约２５ｍ的河道上，该处河道水流流速约４ｍ／ｓ，使得进口引渠的水流有偏流现象，水面高差０．５～０．８ｍ。在水力旋流场中，流体运动通常可以认为是稳定的轴流对称流动，其质量力可以忽略不计。水流旋流场的边界相当复杂，完全准确地给出这些条件至少目前是不可能的，它的求解问题相当复杂。鉴于边界条件的复杂性，难以得到完全满意的结果，因此需进行水力学试验来研究确定。
（１）定型水头的确定
现行《溢洪道设计规范》ＳＬ２５３－２０００明确规定：当采用低堰时其定型水头取Ｈｄ＝０．６５～０．８５Ｈｍａｘ，结合本工程大多数情况是在低水头运行和洪水有陡涨陡落的特点，同时考虑到引渠内有４ｍ／ｓ左右的初始流速，为增加泄流量，确定采用定型水头Ｈｄ＝０．８０８Ｈｍａｘ的定型水头。
（２）圆形控制段半径的计算
已知该工程的分洪流量为１００ｍ３／ｓ，根据堰流流量公式：
式中：Ｑ为设计流量，本工程 Ｑ＝１００ｍ３／ｓ；ε为侧收缩系数，本工程取ε＝０．９；ｍ为流量系数，本工程取ｍ＝０．３６；Ｒ为堰顶半径；ｎ为防涡墩数；ｄ为堰顶高程处的防涡墩厚度，本工程ｄ＝０．４７２ｍ；ｇ为重力加速度；Ｈ０为堰上水头，本工程为Ｈ０＝２．５ｍ。
通过试算可确定控制段的直径为３．５ｍ。
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只看楼主 我来说两句-
liuxiaodan306
沙发
:) ,正要做一个类似的竖井进水口，为与导流洞相结合，做放空洞，但受地质条件限制，不太好做龙抬头式，要求做竖井式，真是头痛啊，苦于找不到资料，非常感谢！！:handshake :call:
2009-03-26 17:29:26
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-
wnb
板凳
２．防涡设施的确定
2006-01-19 21:17:19
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该工程环形溢洪道来流流速较大，偏流现象严重，流速分布极不均匀，在环形溢洪堰前产生较大的横向绕流，水流流态更加紊乱，影响泄流。设计时拟在堰顶上布置了４个防涡墩的工程措施，但对于其防涡效果如何，还需进行试验研究。
（１）不设防涡设施
不设防涡设施时，由于受到上游来水极不均匀的影响，在环形溢洪道前产生较大的横向流速，导致水流的旋转，随着流量的增加进口漩涡直径及强度亦逐渐加大，溢流能力较低。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝６１．００ｍ３／ｓ时，进口旋涡直径５．６０ｍ，并伴随着巨大的声响，上游河道水位１０６７．１４ｍ，已超过最高防洪水位。
（２）环形溢洪道周边设３个防涡墩
在环形溢洪道周边设３个防涡墩，墩与墩之间夹角１２０°，墩的位置经试验调整确定，＃１墩轴线与引渠对称中线的夹角２５°。
受水力条件的影响，环形溢洪道周边存在旋转水流，流态紊乱，环形溢洪道周边进水不均匀。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．２４ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，环形溢洪道后侧的横向流速为１０．８９ｍ／ｓ，上游河道水位１０６７．４２ｍ，超过校核水位０．４２ｍ。
（３）环形溢洪道周边设４个防涡墩
在环形溢洪道周边设４个防涡墩，墩与墩之间夹角９０°，＃１墩轴线与引渠对称中线的夹角４５°（该方案为原设计方案）。
在环形溢洪道周边存在旋转水流，流态紊乱，环形溢洪道周边进水不均匀，在环形溢洪道上游的右侧＃１防涡墩下游溢流面上产生负压。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．３０ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６７．５０ｍ，超过校核水位０．５０ｍ。
（４）设３个防涡墩和１个外防涡墙
根据在环形溢洪道周边设３个防涡墩方案与设４个防涡墩的方案试验结果比较，选定在设３个周边防涡墩方案的基础上，经不同位置和尺寸的比较试验在环形溢洪道的横向对称线上的右侧边墙布置一宽为１．９０ｍ的外防涡墙。
外防涡墙截挡了右侧的较大偏向水流流速，减小了环形溢洪道周边的横向绕流流速，但环形溢洪道周边还存在旋转水流，流态紊乱，环形溢洪道周边进水不均匀，该方案水流条件较其他方案均有较大的改善。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．１８ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，环形溢洪道后侧的横向流速为５．３４ｍ／ｓ，上游河道水位１０６６．８８ｍ，低于校核水位０．１２ｍ。
（５）设３个防涡墩和２个外防涡墙
在环形溢洪道周边设３个防涡墩、１个外防涡墙方案的基础上，在环形溢洪道＃１防涡墩的边墙上布置一宽为１．９０ｍ的外防涡墙，成为３个周边防涡墩和２个外防涡墙方案（该方案为终结方案）。
由于２个外防涡墙截挡了右侧的较大偏向水流流速和环形溢洪道周边的横向绕流，调整了整个水流分布，环形溢洪道周边进水均匀，整个环形溢洪道表面未出现负压，增大了环形溢洪道的泄流能力，在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，由于外防涡墙的设置，水流分布趋于均匀，宽顶堰出口左右流速差为０．１１ｍ／ｓ，上游河道水位１０６６．１８ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．３８ｍ，低于校核水位０．６２ｍ，满足了工程要求。
五、试验研究成果分析
１．试验成果
对贯城河排污分洪隧洞工程的进口枢纽，进行了五种大方案１０余种防涡墩布置方案的试验研究，对于环形溢洪道要使来水均匀地进入环形溢洪道，不发生旋转流动，仅仅具有适合的引水渠轮廓尚不能获得成功，还要根据工程的具体水力边界条件，必须采用相应的防止漩涡的设施。
环形溢洪道仅在周边设置防涡墩方案与环形溢洪道周边设置防涡墩和外防涡墙共同使用方案比较：在环形溢洪道单独泄流情况下，在Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，宽顶堰出口平均流速，左右侧流速差从１．８３ｍ／ｓ减至０．１１ｍ／ｓ；在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，宽顶堰出口平均流速，左右侧流速差从４．０４ｍ／ｓ减至１．５７ｍ／ｓ。在环形溢洪道单独泄流Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位从１０６６．２４ｍ降至１０６６．１８ｍ；在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位从１０６７．４２ｍ降至１０６６．３８ｍ，效果明显。
根据试验结果，将原设计环形堰上布置有４个防涡墩减少为３个，为更好地防止涡流的产生，在引渠边墙增加两道防涡墙。
２．试验研究成果分析
鉴于水流边界的特殊性和环形溢洪道是一项较为新颖的结构，国内未见有类似的工程实例。对于防涡设施、消力井的布置没有成功的经验可以借鉴。其中仅环形堰的孔口尺寸可以由堰流公式进行计算。为此本设计与试验研究对此作了如下的分析工作。
本工程落差为２１ｍ，消力井井深为５．２１ｍ。结合表１可知，在布置设计时只要满足消力井的长是环形堰的０．８倍，深度为０．５倍，同时满足落差的０．２５倍，防涡墩和防涡墙是环形堰的０．２倍，即可满足要求。
六、结 语
利用旋流场理论分析，结合工程实例大胆、巧妙地采用环形堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙环形溢洪道的泄流消能方式。通过试验论证，成功地解决了进口流速较大且流速分布极不均匀，水力条件较为复杂的泄流和消能问题。经具体工程实例的两个水文年度溢洪实践，表明该工程设计与研究的布置形式在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果。本设计与试验研究成果，比常规的设计可节约工程投资的１／４～１／３，而且更为安全可靠，同时大大降低泄洪的声响及水雾，减少因工程的建设对环境的不利影响。
本设计与试验研究提出了简单易行的设计参数和成果。对在城市防洪排涝、中小型水利水电工程的泄流及一洞多用中，山区狭长水库行近流速比较大或切向流速比较大的水库中，均具有较好的推广价值。
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