豎井泄洪洞在某水電站的應用

吳迪

【摘??要】豎井旋流消能是一種新型消能設施，適用于窄河谷、高落差、大流量等比較復雜的地質地形條件。本文介紹了某水電站右岸豎井泄洪洞應用，通過改變進水口位置，達到安全運行效果，試驗結果表明，將導流洞改建為豎井泄洪洞方案可行，導流洞得到合理運用。

【關鍵詞】豎井;泄洪洞;水電站

1、引言

豎井旋流消能是一種新型消能設施，具有消能效率高、摻氣量大的特點，布置靈活，適用于窄河谷、高落差、大流量等比較復雜的地質地形條件。進入井壁的旋轉水流與空腔中的空氣產生巨大的摩擦力，再加上環狀水流紊動以及水墊區水與氣的混摻，使豎井產生較好的消能效果。某水電站右岸泄洪洞采用豎井旋流消能，通過改變進水口位置，達到安全運行效果，并使導流洞得到合理運用。

2、工程概況

某水電站工程建筑物組成包括混凝土面板堆石壩、左岸電站進水口、左岸泄洪沖沙洞、左岸溢洪道、左岸引水隧道、右岸泄洪洞、壓力管道及附屬建筑物等。右岸豎井旋流泄洪洞利用廢棄的導流洞，將豎井與導流洞連接而形成，包含城門洞連接段、豎井旋流段和導流洞段。

3、泄洪洞與導流洞的聯合應用

3.1地形條件

右岸泄洪洞進口段地形較陡，基巖裸露，沒有三級及以上斷層，巖體主要發育組層面節理、組、、組、。原導流洞段巖體為弱風化至新鮮，巖體局部為碎裂狀結構，主要是次塊至鑲嵌狀結構，洞口上下游附近有少量崩塌堆積體。

導流洞為水電站在右岸的主要建筑物，在地形位置上利用了河道拐彎形成右岸為凸岸的有利條件，布置成總長833m，斷面尺寸為8.5*12.5m的城門洞型，導流洞進口與河道接近垂直，出口與河道形成的交角較小，有利于改建成豎井旋流泄洪洞。

3.2水力條件

該水電站以泄洪道、左岸泄洪洞和右岸泄洪洞共同承擔泄洪作業，根據泄洪量分配，右岸泄洪洞設計最大過流能力為1220，設計方案有兩個，一個設計為出洞點流速為29.0，反弧段流速為41.0;另一個為豎井旋流洞方案，進入導流洞后最大流速為23，出洞流速為19，消能率可以達到70%。在進口布置上，第一個方案流速高，進口段需要與導流洞在一條直線上，進口地形較陡，因此為了達到閘室布置要求，需要進行大面積開挖，邊坡處理工程量也較大。第二個方案進口位置選擇較靈活，可以在施工便捷的位置施工。根據現場勘察，進口段與導流洞交角為60°，進口開挖邊坡高度僅為40m，地質條件良好。

3.3聯合利用方式

對兩種設計方式進行對比，從工程量和投資成本以及經濟效益綜合考慮后，決定使用豎井旋流方式與導流洞結合的方式，充分利用導流洞，采用豎井旋流方案進行改建。

4、豎井旋流泄洪洞布置方案

泄洪洞進口布置在面板堆石壩上游右岸，在進口位置設置溢流表孔，溢流堰頂高程986m，設置弧形工作閘門尺寸為8*12m，溢流堰后反弧段半徑為15m，與渦室通過連接段進行連接，渦室高度為44.238m，直徑為18.0m，連接段使用方圓形斷面，長寬高為60*8*13m。渦室和豎井間設置收縮段，高20.3m;導流洞底板以下豎井段為消力池，高度15.5m。豎井出口段采用原導流洞方圓形斷面，后50m為長壓波段。

圖4.1豎井旋流泄洪洞布置方案圖

5、豎井旋流模型試驗分析

5.1過流能力

對豎井旋流模型進行力學試驗分析，結果表明洪水最大泄洪量為1208，隨水位升高流量系統有所下降，這是因為流量增加使進水口附近流速明顯增大，因此收縮更加明顯。最大泄洪量試驗值略小于計算值，滿足設計要求。

5.2流態分析

在水位工況校核時，閘門全開，在上平段沿程水面平穩，水深均勻，進入渦室后順利起旋。起旋后在渦室內小挑坎的作用下，與上游進入的水流以較小的角度相交。由于流量大，渦室內水流在起旋后獲得新的水面高度超過了上平段水面高程，因此有一部分水流會疊加在上平段進入渦室的水流中，在這一區域中水流大量摻氣，由于水流在上平段流速較高，因此這部分摻氣水流可以被主流推進渦室，上平段水流可以順利進入渦室。

水流在渦室內起旋后，沿豎井壁以螺旋流的形式流動，水流切向流速較大，垂向流速較小，旋轉速度快，在重力作用下，隨著水流不斷向下流動，，切向流速在向下流動過程中不斷減損，垂向流速增加，高程逐漸降低，水流旋轉作用變緩。

渦室與豎井內腔通氣充分，水流以高速進入豎井消力池中，大量空氣也被隨之卷入，形成高濃度摻氣水流。消力池中的水隨高速度水流的渦量作用一起旋轉，這種旋轉動力有利于清除消力池中的泥沙、碎石等較小的雜物。豎井出口流速方向垂直與進流方向，因此流線變化劇烈，在壓坡前端的圓弧段，該區域水流的摻氣濃度較高，可以認為此處可通過摻氣作用得到保護而不被破壞（摻氣濃度高于目前普遍認為的可保護壁面免遭空蝕破壞的8%摻氣濃度）。

通過對水流流態的試驗，水流經過壓坡段運動調整，進入下平段后，水面沒有出現竄頂現象，但是由于水中的大量氣泡溢出，使水面具有較大波動，隨著水流向下游流動，波動逐漸減小。試驗過程中沒有出現水流自由跌落至渦室底部的情況，均能正常起旋，說明渦室和豎井設計合理。

5.3沿程壓力分布

豎井泄洪洞在校核工況下，溢流堰頂部出現輕微負壓，其余測點均為正值壓力，雖然出現負壓，但水流速度低，根據實測最大負壓和可能的最大流速，計算得到水流空化數達到0.477，因此堰面輕微負壓不會造成空化空蝕破壞。

水流通過反弧段進入上平段，為明渠流，底板壓力基本為靜水壓力。水流進入渦室，在水流的旋轉作用下，當閘門全開，壁面壓力為正，當閘門局部開戶時，豎井壁面測出部分負壓值，實測最大負壓為-0.5，位于收縮段下部，這是由于這時水流量較小，壁面水深小，隨閘門開度增加，壁面壓力也隨水流增加而加大。豎井壁面設計最小壓力為1.3Pa，校核工況時最小壓力約為1.1Pa。在大水流作用下，豎井出口壓坡段全部為正壓力，隨水流量減小，壓坡上的壓力逐漸減小，消力池水位下降。

5.4沿程水面線

試驗中可以看到，豎井旋流洞在最大流量時上平段還有一定洞頂余量，因此水流進入渦室段不會出現進口封閉的情況。水流進入渦室后豎井壁被水流覆蓋，旋轉兩圈進入豎井底部，水流在豎井出口流速較大，雖有氣泡溢出，但沒有出現竄頂現象，仍有洞頂余幅。隨泄流量減少，豎井泄洪洞沿程水深逐漸減小，洞頂余幅增加，泄洪洞運行更加平穩和安全，因此豎井出口段壓坡段長度滿足泄洪要求。

6、結論

本文介紹了某水電站右岸豎井泄洪洞應用，試驗結果表明，將導流洞改建為豎井泄洪洞方案可行，導流洞得到合理運用。豎井旋流泄洪洞具有較好的消能效果和水力特征，可以適應復雜地形條件，在類似水電工程項目中可以借鑒使用。

參考文獻：

[1]邵敬東，旋流式豎井泄洪洞在沙牌工程中的應用[J]，水電站設計，2003，12

[2]郭新蕾，夏慶福等，新型豎井泄洪洞自調流機理和特性研究[J]，水動力學研究與進展，2016，11

（作者單位：云南省水利水電勘測設計研究院）