用于生态流量泄放的竖井旋流内消能技术

陈立秋，王 超

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021)



用于生态流量泄放的竖井旋流内消能技术

陈立秋，王 超

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021)

竖井旋流内消能技术是一种新的生态流量泄放设施，但其设计标准和工程经验较少。介绍了用于生态流量泄放的竖井旋流内消能技术设计思路、方案及水力计算经验公式，并通过模型试验对其体型进行了优化，解决了泄流能力的协调与匹配问题，通气孔的设计、下游水深的影响等问题，以及掺气、脉动、振动、空化空蚀、雾化、下游河床及岸坡的冲刷等问题。

消能；涡室；竖井旋流；消力池；生态流量

1 研究背景

在水电站建设过程中，因工程引起的下游河段水环境问题已引起社会各界的关注，尤其是引水式及混合式水电站。由于大坝与发电厂房之间形成一定的减(脱)水段，给下游生态环境造成一定的影响，故为维护河流的基本生态需求，须下泄一定的生态流量，以满足下游生态环境的需水量，实现水资源开发与保护、人与自然的和谐发展。

国外对生态流量需水量的研究始于20世纪40年代，近些年国内针对这方面开展了较多研究工作。一般多采取在大机组之外单独设置小机组泄放生态流量，并发挥一定的经济效益；或单独设置生态流量泄放通道，通常在泄放通道末端设置消能闸室；或结合枢纽工程的引水、泄流等永久设施，修建、改建生态流量泄放设施。生态流量泄放涉及到泄水消能的问题，应用于泄水建筑物内部的旋流式内消能技术是解决消能的有效途径，国外已开展了相关的研究，并取得良好的效果。但这些工程应用的泄流量和水头范围还不能完全适应我国水利水电工程多处于狭窄河谷地区所具有的水头、流量等特点。

关于旋流式内消能工的研究与工程应用在国外始于20世纪50～60年代，最大落差已达142 m，虽然国外开展这方面工作较早，但迄今仍缺乏系统的实践经验。在国内，旋流式内消能工的研究始于20世纪80年代末，并逐渐成为研究与工程方案论证的热点，一些科研机构和高校在不同程度上对旋流式内消能工做了大量的研究，1995年由中国水利水电科学研究院结合四川沙牌工程对适合于超临界流的竖井体型结构进行了试验研究并得到应用，最大泄流量为240 m3/s，这是我国最早利用竖井旋流式泄洪洞作为泄水建筑物的工程。在此之后，中国水科院在国家“九五”重点科技攻关项目“小湾工程大型导流洞改建为泄洪洞的关键技术研究”中，通过模型试验研究导流洞改建旋流式竖井泄洪洞的工程布置，提出了适应工程特点的上下游水力衔接方式，从而论证了其在小湾工程中的可行性，提出了一些具有建设性的思想。竖井旋流式内消能工是利用在竖井中使水流旋转消除部分能量的一种消能措施。旋转水流可有效地降低泄水道的流速，可避免超高速水流发生，并可消煞部分或大部分水流能量，减轻下游的消能负担。这对改善大坝下游流态，保护下游环境，保障下游河道安全，岸坡稳定及防止有关建筑物的淘刷破坏等均有积极作用，并把大面积承受高速或超高速水流的区域变为小面积承受，有利于采用工程措施解决超高速水流所带来的问题。竖井旋流式内消能工改变了将水流所携带的巨大能量传递到下游的传统思维，而是将水流的部分或大部分能量消煞在建筑物内，仅使极小部分能量传递至下游，这是消能观念上的一个转变。

竖井旋流内消能工技术均用于泄洪消能建筑物的布置上，迄今为止国内外还没有将此技术应用在生态流量泄放建筑物布置上的先例，消能设施的运用工况与泄洪消能工程有很大差异，用于泄洪建筑物时使用的频率不是很高，但用于生态流量泄放时则需要不间断运行。

2 竖井旋流内消能技术设计思路

为减缓水利水电工程建设所带来的不利环境影响，实现生态流量的合理下泄。结合水电站工程枢纽布置情况，利用导流洞工程进行改建，布置一条泄水隧洞通过竖井消能段与导流洞相连，在导流洞下部布置淹没式消力池。竖井旋流式内消能工作为一种新型的消能工，可解决高速水流带来的诸多问题，特别适合于较高高程的进水口与较低高程的导流洞之间的衔接，在布置上不要求进口与出口在一条直线上，能够以竖井轴线为原点，进行灵活布置，是一种适于深山峡谷中高水头、大流量的新型消能措施，是高坝施工导流洞改建为永久泄放通道的最佳可行方案，对工程地质条件的适应性强，消能率高。通过几个工程的试验及运用，证实具有较好的消能效果和水力特性，抗空化能力强，工程造价低。但竖井旋流式内消能工作为生态流量泄放设施，需研究解决的技术难题有：

(1)在竖井消能建筑物的设计中，各部分连接体型参数是根据已建工程的一些经验公式确定，这些经验公式是国内外学者基于大流量竖井旋流条件下建立起来的，其研究结果是否适用于生态流量泄放(小流量)工程，需要通过水工模型试验来确定。

(2)竖井旋流消能结构水力特性极其复杂，理论计算尚处于发展阶段，在国内已用于工程实践的竖井旋流消能仅有沙牌水电站、小湾水电站两例，泄流量分别为240、1 400 m3/s，而本技术方案生态流量泄放量仅为4.4 m3/s，竖井旋流消能技术是否适用于小流量，有待于进一步研究。

水流由上游引水道进入涡室，受初始环向速度和轴向速度(由重力引起)共同作用在涡室内作螺旋运动，起旋后经涡室进入竖井并以螺旋形式向下运动。水流在作螺旋运动过程中受离心力作用形成稳定的自由面，沿涡室和竖井中心线形成稳定的气核空腔。随着流量的增大，在离心力作用下将有更多的水体向井壁聚集，井壁压力将随之增大。涡室的泄流能力主要由其最小空腔断面控制，空腔过小可能导致“呛水”现象，使涡室内全断面壅水，螺旋流自然消失，水流直接跌落，此处呛水封堵使引水道变成有压流，过流能力迅速降低甚至危及建筑物安全。因此涡室直径必须足够大，泄流能力还受涡室内的旋流回旋角度的影响，如果旋流回旋至来流处与引水道内来流夹角过大，则旋流与来流就会交汇和冲击，受旋流阻挡来流被迫变缓甚至产生界面水跃使过流能力降低。由于受离心力和重力作用，涡室和竖井内螺旋流合成速度较高，为避免空化空蚀，井壁压力应足够大。竖井井壁压力由旋流离心力产生并沿程降低，故应尽可能提高螺旋流的环向速度。涡室内水流的环向速度与引水道来流速度和涡室直径大小有关，引水道水流进入涡室时的速度切向分量即为初始环向速度。在初始环向速度一定时要提高涡室内螺旋流的环向速度就需要涡室直径尽可能的小。因此选择合理、有效、经济的涡室尺寸，对工程实际的运行有重要意义。

从水力学角度讲，竖井是一种很好的消能设施，它具有消能效果好，结构布置灵活，抗空化能力强，工程造价低等优点，能适应复杂的地形、地质条件，利用反井钻机施工也较简单。竖井消能的机理是利用旋流的离心力作用，在壁面上形成正压力，不易发生空化现象，而且由于水流的旋转作用，形成较稳定的空腔，有利于空气掺混，减轻了空蚀作用，同时还由于水流的旋转，加大了水流流程与紊动，提高了消能率，消能率可达85%以上，经济效益高，且可避免导流洞出口冲刷和雾化现象。竖井尺寸在满足泄流时宜选用较小的直径，可以改善壁面的压力分布特性，减少空化空蚀的可能性，还能节省开挖和衬护的工程量。

3 竖井旋流内消能技术设计方案

竖井旋流内消能建筑物由常规的压力短进水口、明流引水洞同涡室连接的体型，由进口引水段、竖井消能段、退水洞段组成。其中，进口引水段包括短压力进水口及后面的明渠引水道段，同时创造性地提出进口平面转弯段布设弯道消力池结构；竖井消能段包括涡室段、竖井收缩段、竖井直段以及下部消力池，竖井段的过流量主要取决于竖井进口尺寸，此处断面直径的大小由不发生呛水的临界状态所决定，可采用半经验法进行近似计算；退水洞段即利用导流洞，同时创造性地提出在消力池下游设置多级跌水消能结构，在导流洞内形成明流流态，在竖井下部设消力池，池内设水垫层，用以消除余下的能量，从而达到保护导流洞底板的目的。

以上各组成部分之间的衔接段在水流流态控制和消能方面起着关键的作用，也是建筑物泄流能力和结构安全的瓶颈，是体形优化的重点。

4 竖井旋流内消能技术水力计算方法[1- 3]

(1)竖井直径。可按经验公式估算，即

(1)

(2)涡室直径。根据已建成的几个工程试验研究成果，涡室直径Dv约为竖井直径D的1.2～1.4倍，当引水道与涡室的连接形式采用椭圆收缩型时，可使涡室直径减小15%～20%。取Dv=1.4D，涡室内直径为1.8 m。

(3)涡室与竖井连接渐变段长度。渐变段长度对竖井周壁的压力影响较大，渐变段越长，竖井周壁的最小压力越大。渐变段长度常用经验公式计算，即

Ls=η(Dv-D)

(2)

式中，Ls为渐变段长度；η为系数，经几个工程的竖井旋流泄洪洞水工模型试验，取η=5.0～6.0较适宜，若η<4.0，则渐变段后竖井周壁易出现负压，若η>6.0，渐变段后竖井周壁的最小压力越大。取η=5.0，涡室与竖井连接渐变段长度为2.0 m。

(4)涡室进口引水段的水力设计。涡室进口引水段为闸门井后的明流引水隧洞，与涡室的连接形式采用椭圆收缩型。涡室同明流引水隧洞的一侧边墙采用1/4椭圆曲线连接，椭圆长轴a=1.2Dv，短轴b=0.75Dv，涡室进水口开口高度根据经验公式取y=1.4D。椭圆长轴a=2.16 m，短轴b=1.35 m，涡室进水口开口高度y=1.85 m，该经验值对于小流量竖井旋流消能明显偏小，后根据模型试验成果进行了调整，涡室进水口开口高度取y=3.1D=4.0 m。

(5)通气孔的设计。为了保持旋流空腔为大气压力，防止竖井壁面产生负压，通常设通气孔，通气孔的位置应在距涡室顶拱中心的上游处，以避免水流封堵孔口。在引水道为高佛氏数的情况下，涡室进口将被水跃封堵，必须在涡室顶部设通气孔，向旋流空腔通气，以维持空腔压力为大气压力，否则，竖井壁面会产生负压，通气孔的通气量与引水道的佛氏数和水跃的补气量有关。目前尚未有通用的计算公式，但佛氏数是主要的影响因素，可按下式估算最大通气量：

Qa=0.1Q(Fr-1)0.2

(3)

式中，Qa为通气量，m3/s；Q为设计流量，m3/s；通气孔直径取φ100 mm。

5 竖井旋流内消能技术模型试验成果

按重力相似准则，采用1∶15大比尺模型进行了竖井旋流内消能技术的研究，包括体型优化的重点与方向问题，泄流能力的协调与匹配问题，通气孔的设计、下游水深的影响等问题，以及掺气、脉动、振动、空化空蚀、雾化、下游河床及岸坡的冲刷等问题。

(1)有压进水口和明流洞段水流平稳，沿程水深分布均匀，进入陡坡收缩段后，水深开始有所增加，水流进入涡室后顺利起旋，在涡室及竖井中央形成稳定的空腔，水流流态稳定，结构振动小，未发生空化空蚀现象。

(2)根据模型试验观测，试验空腔半径与竖井半径之比Ra/R>0.60，大于经验值0.40，在小流量竖井旋流中，半经验公式临界值Fr=1.61偏小，涡室进口流速较大流量条件下流速要小很多，有跌流的现象，为了使水流充分起旋，涡室进口水流Fr要更大，而在进口流速增加的情况下，竖井内空腔直径也相应增加，因此Ra/R>0.40的临界条件需相应调整，有待于进一步研究，在小流量竖井旋流工程的半经验公式临界值要大于大流量的临界值。

(3)进口平面转弯段布设弯道消力池，消能作用明显，消除了弯道效应产生的冲击波，弯道下游水流流态稳定，水面线沿程下降。

(4)根据经验公式，涡室进口开口高度通常取1.4D，涡室高度通常取1.8D，该经验值对于小流量竖井旋流消能明显偏小，后根据模型试验成果进行了调整，涡室进口开口高度调整为3.1D，涡室高度调整为3.7D。

(5)涡室进口“瓶颈”对泄流能力的制约，为了使涡室在小流量也能起旋，在进入涡室前的一小段的渠道宽度收缩，相应渠道底坡加陡以适应水深的增加，底坡由上平段的i1=0.01加陡至i2=0.10。收缩涡室进口断面宽度，增加了涡室进水口宽度B=0.5Dv的规定，增加引水渐变段底坡可有效改善渐变段出口跌流现象。水流进入涡室后充分起旋，使涡室在小流量也能起旋，竖井内水流形成稳定的旋流，消力池底板冲击压强较小，溢流堰及下游流速较小。

(6)消力池下游设置多级跌水与原隧洞底坡用缓坡连接，降低了溢流堰出口流速，并有效降低了消力池下游水位，稳定了水流流态。

(7)弯道消力池消能率85%以上，竖井消能率97%以上、消力池消能率96%以上，综合消能率99%以上，满足系统消能率85%以上的要求。

6 结 语

基于大流量竖井旋流条件下建立起来的经验公式及其理论计算方法，建立起用于生态流量泄放(小流量)的竖井旋流内消能方法，同时创造性地提出进口平面转弯段布设弯道消力池及加高溢流堰并在消力池下游设置多级跌水结构。消除了弯道效应产生的冲击波，对改善弯道水流流态效果显著，弯道下游水流流态稳定，水面线沿程下降，出口水流充分起旋，竖井内水流形成稳定的旋流，消力池底板冲击压强较小，有效降低了消力池底板压强，明显降低了溢流堰出口流速，多级跌水采用台阶式与导流洞底坡用缓坡连接，有效降低了消力池下游水位，稳定了水流流态。

竖井旋流内消能技术用于生态流量泄放建筑物，属国内外首创，为小流量竖井旋流消能应用的先例。作为新型的生态流量泄放设施，在借鉴国内外已有工程经验的基础上，做了大量的、系统的和全面的模型试验，建立起用于生态流量泄放(小流量)的竖井旋流内消能方法，为竖井旋流内消能技术的推广以及后续大型工程的生态流量泄放提供了第一手的资料及工程实践经验。在国内外尚缺少实践经验，尚没有经过长期的运行考验，对于涡室竖井内的水流噪声、掺气浓度、建筑物结构振动、钢筋混凝土的结构应力应变等仍需进行深入细致的研究，并进行振动效应监测、空化空蚀监测、动水压力监测、底流速监测及流量监测，进一步优化体形和相关设计理论。通过对竖井旋流内消能技术的试验研究，对类似工程有重要的推广应用价值和指导作用，也促进了该技术的应用，在设计、研究与工程应用中具有里程碑的意义，将有力地推动竖井旋流内消能技术在工程上的应用，为解决高坝建设中生态流量泄放建筑物的高速水流问题与导流洞改建的技术问题提供工程实例。

[1]卫勇， 匙召君， 常晓琴. 竖井旋流泄洪洞的水力设计[J]. 水力发电学报， 2007(3)： 88- 92．

[2]董兴林， 肖白云. 高水头大泄量旋涡竖井式泄洪洞的设计研究[J]. 水利学报， 2000(11)： 27- 33.

[3]董兴林， 杨开林， 冯宾春， 等. 旋流竖井式泄洪洞关键技术问题研究[J]. 水利水电技术， 2006(5)： 37- 40.

[4]宗原, 王智, 王影， 等. 吉林松江河梯级双沟水电站生态流量泄放工程水工模型试验报告[R]. 吉林： 中水东北勘测设计研究院有限责任公司， 2012．

(责任编辑 王 琪)

Application of Internal Energy Dissipation Technology in Shaft Spillway with Whirling Current for Ecological Flow Discharge

CHEN Liqiu, WANG Chao

(China Water Northeastern Investigation, Design & Research Co., Ltd., Changchun 130021, Jilin, China)

Internal energy dissipation of shaft spillway with whirling current is a new facility of ecological flow discharge, but there is few design standard and practical project to reference. The design ideas, scheme and hydraulic calculation empirical formulas of internal energy dissipation technology in shaft spillway for ecological flow discharge are introduced. The shape of shaft spillway is optimized by model tests. These results solve the problems of the coordination and matching of discharge capacity, the design of ventilation hole, the influence of downstream water level, as well as the aeration, pulsation, vibration, cavitation, atomizing and the erosion of downstream river bed and banks．

energy dissipation; volute chamber; shaft whiling current; stilling pond; ecological flow

2015- 12- 01

陈立秋(1974—)，女，辽宁葫芦岛人，高级工程师，主要从事水利水电工程管理工作．

TV653.9

A

0559- 9342(2016)09- 0060- 04