竖井泄洪洞在某水电站的应用

吴迪

【摘  要】竖井旋流消能是一种新型消能设施，适用于窄河谷、高落差、大流量等比较复杂的地质地形条件。本文介绍了某水电站右岸竖井泄洪洞应用，通过改变进水口位置，达到安全运行效果，试验结果表明，将导流洞改建为竖井泄洪洞方案可行，导流洞得到合理运用。

【关键词】竖井;泄洪洞;水电站

1、引言

竖井旋流消能是一种新型消能设施，具有消能效率高、掺气量大的特点，布置灵活，适用于窄河谷、高落差、大流量等比较复杂的地质地形条件。进入井壁的旋转水流与空腔中的空气产生巨大的摩擦力，再加上环状水流紊动以及水垫区水与气的混掺，使竖井产生较好的消能效果。某水电站右岸泄洪洞采用竖井旋流消能，通过改变进水口位置，达到安全运行效果，并使导流洞得到合理运用。

2、工程概况

某水电站工程建筑物组成包括混凝土面板堆石坝、左岸电站进水口、左岸泄洪冲沙洞、左岸溢洪道、左岸引水隧道、右岸泄洪洞、压力管道及附属建筑物等。右岸竖井旋流泄洪洞利用废弃的导流洞，将竖井与导流洞连接而形成，包含城门洞连接段、竖井旋流段和导流洞段。

3、泄洪洞与导流洞的联合应用

3.1地形条件

右岸泄洪洞进口段地形较陡，基岩裸露，没有三级及以上断层，岩体主要发育组层面节理、组、、組、。原导流洞段岩体为弱风化至新鲜，岩体局部为碎裂状结构，主要是次块至镶嵌状结构，洞口上下游附近有少量崩塌堆积体。

导流洞为水电站在右岸的主要建筑物，在地形位置上利用了河道拐弯形成右岸为凸岸的有利条件，布置成总长833m，断面尺寸为8.5*12.5m的城门洞型，导流洞进口与河道接近垂直，出口与河道形成的交角较小，有利于改建成竖井旋流泄洪洞。

3.2水力条件

该水电站以泄洪道、左岸泄洪洞和右岸泄洪洞共同承担泄洪作业，根据泄洪量分配，右岸泄洪洞设计最大过流能力为1220，设计方案有两个，一个设计为出洞点流速为29.0，反弧段流速为41.0;另一个为竖井旋流洞方案，进入导流洞后最大流速为23，出洞流速为19，消能率可以达到70%。在进口布置上，第一个方案流速高，进口段需要与导流洞在一条直线上，进口地形较陡，因此为了达到闸室布置要求，需要进行大面积开挖，边坡处理工程量也较大。第二个方案进口位置选择较灵活，可以在施工便捷的位置施工。根据现场勘察，进口段与导流洞交角为60°，进口开挖边坡高度仅为40m，地质条件良好。

3.3联合利用方式

对两种设计方式进行对比，从工程量和投资成本以及经济效益综合考虑后，决定使用竖井旋流方式与导流洞结合的方式，充分利用导流洞，采用竖井旋流方案进行改建。

4、竖井旋流泄洪洞布置方案

泄洪洞进口布置在面板堆石坝上游右岸，在进口位置设置溢流表孔，溢流堰顶高程986m，设置弧形工作闸门尺寸为8*12m，溢流堰后反弧段半径为15m，与涡室通过连接段进行连接，涡室高度为44.238m，直径为18.0m，连接段使用方圆形断面，长宽高为60*8*13m。涡室和竖井间设置收缩段，高20.3m;导流洞底板以下竖井段为消力池，高度15.5m。竖井出口段采用原导流洞方圆形断面，后50m为长压波段。

图4.1竖井旋流泄洪洞布置方案图

5、竖井旋流模型试验分析

5.1过流能力

对竖井旋流模型进行力学试验分析，结果表明洪水最大泄洪量为1208，随水位升高流量系统有所下降，这是因为流量增加使进水口附近流速明显增大，因此收缩更加明显。最大泄洪量试验值略小于计算值，满足设计要求。

5.2流态分析

在水位工况校核时，闸门全开，在上平段沿程水面平稳，水深均匀，进入涡室后顺利起旋。起旋后在涡室内小挑坎的作用下，与上游进入的水流以较小的角度相交。由于流量大，涡室内水流在起旋后获得新的水面高度超过了上平段水面高程，因此有一部分水流会叠加在上平段进入涡室的水流中，在这一区域中水流大量掺气，由于水流在上平段流速较高，因此这部分掺气水流可以被主流推进涡室，上平段水流可以顺利进入涡室。

水流在涡室内起旋后，沿竖井壁以螺旋流的形式流动，水流切向流速较大，垂向流速较小，旋转速度快，在重力作用下，随着水流不断向下流动，，切向流速在向下流动过程中不断减损，垂向流速增加，高程逐渐降低，水流旋转作用变缓。

涡室与竖井内腔通气充分，水流以高速进入竖井消力池中，大量空气也被随之卷入，形成高浓度掺气水流。消力池中的水随高速度水流的涡量作用一起旋转，这种旋转动力有利于清除消力池中的泥沙、碎石等较小的杂物。竖井出口流速方向垂直与进流方向，因此流线变化剧烈，在压坡前端的圆弧段，该区域水流的掺气浓度较高，可以认为此处可通过掺气作用得到保护而不被破坏（掺气浓度高于目前普遍认为的可保护壁面免遭空蚀破坏的8%掺气浓度）。

通过对水流流态的试验，水流经过压坡段运动调整，进入下平段后，水面没有出现窜顶现象，但是由于水中的大量气泡溢出，使水面具有较大波动，随着水流向下游流动，波动逐渐减小。试验过程中没有出现水流自由跌落至涡室底部的情况，均能正常起旋，说明涡室和竖井设计合理。

5.3沿程压力分布

竖井泄洪洞在校核工况下，溢流堰顶部出现轻微负压，其余测点均为正值压力，虽然出现负压，但水流速度低，根据实测最大负压和可能的最大流速，计算得到水流空化数达到0.477，因此堰面轻微负压不会造成空化空蚀破坏。

水流通过反弧段进入上平段，为明渠流，底板压力基本为静水压力。水流进入涡室，在水流的旋转作用下，当闸门全开，壁面压力为正，当闸门局部开户时，竖井壁面测出部分负压值，实测最大负压为-0.5，位于收缩段下部，这是由于这时水流量较小，壁面水深小，随闸门开度增加，壁面压力也随水流增加而加大。竖井壁面设计最小压力为1.3Pa，校核工况时最小压力约为1.1Pa。在大水流作用下，竖井出口压坡段全部為正压力，随水流量减小，压坡上的压力逐渐减小，消力池水位下降。

5.4沿程水面线

试验中可以看到，竖井旋流洞在最大流量时上平段还有一定洞顶余量，因此水流进入涡室段不会出现进口封闭的情况。水流进入涡室后竖井壁被水流覆盖，旋转两圈进入竖井底部，水流在竖井出口流速较大，虽有气泡溢出，但没有出现窜顶现象，仍有洞顶余幅。随泄流量减少，竖井泄洪洞沿程水深逐渐减小，洞顶余幅增加，泄洪洞运行更加平稳和安全，因此竖井出口段压坡段长度满足泄洪要求。

6、结论

本文介绍了某水电站右岸竖井泄洪洞应用，试验结果表明，将导流洞改建为竖井泄洪洞方案可行，导流洞得到合理运用。竖井旋流泄洪洞具有较好的消能效果和水力特征，可以适应复杂地形条件，在类似水电工程项目中可以借鉴使用。

参考文献：

[1]邵敬东，旋流式竖井泄洪洞在沙牌工程中的应用[J]，水电站设计，2003，12

[2]郭新蕾，夏庆福等，新型竖井泄洪洞自调流机理和特性研究[J]，水动力学研究与进展，2016，11

（作者单位：云南省水利水电勘测设计研究院）