螺旋对冲消能方式的探究

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摘 要：该方案针对狭窄河谷地区泄洪消能设施难以布置及消能效果难以控制的问题，设计了一套水库泄洪时，水流在泄洪管道内部、底部消力池两处消能的泄洪消能的结构。消能分为3个不同的消耗模块：螺旋管道内部消能、动态调节对冲消能、对冲后的消能垫池消能；以螺旋管道的上端为泄洪闸门，将洪水引入螺旋消能管道进行一次消能；另通过在坝下（或山体内）铺设有压对冲管道，并在消能池内水面以上设置出口以一定角度产生水流，与经过螺旋消能的水流进行对冲，使下泄水体能量受垫塘水深和回射水流的双重控制分别实现二次和三次消能，由此达到增加消能率的目的。其中对冲管道部分将根据三级消能的最终效果来反馈调节对冲管道阀门开合程度，控制对冲管道的流量流速大小实现动态消能，达到最佳的消能效果。此方案适用于狭窄河谷地区泄洪消能，减少泄洪时强大的水流对下游的危害。

关键词：水能 泄洪 螺旋式引流 对冲式消能

中图分类号：TV13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0103-03

从国内外目前的研究进展来看，螺旋式内部消能布置是一种适用于深山和峡谷中高水头、大流量的新型消能措施，是高坝施工导流洞改建为泄洪洞的可行方案之一。它将洪流携带的巨大动能和势能传递到下游消能的传统思维，改变为将洪流的部分或大部分能量在泄水建筑物内部消减，仅使剩余能量传递至下游，这是消能观念上的一个较大变化。国外进行了一些研究与实践，国内也先后在一些大中型工程，如拉西瓦水电站、李家峡水电站等开展了旋流式内消能工的试验探究和设计方案对比。通过实践，对这一消能形式的水力特性和消能机理有了些许认识。

国内目前在水利上泄洪时水流对冲消能的研究也有很大的局限性，在已有的资料里提及对冲消能的特点在于消力池的泄洪陡槽中沿水平方向布置有至少一道呈波折状的消力坎，而且消力坎的高度低于收缩水的深度，靠近上游部分的高度低于位于下游部分的高度。利用带有波折状的消力坎，改变陡槽中水流的流动方向和对水流进行挑流。泻下的水流在空中对冲碰撞，从而达到消能的效果，这就是现行措施的缩影。通过理论验证适用于泄洪陡槽下游，抗冲刷能量弱的工程。

面对两种消能方式的各自局限性，国内对螺旋和对冲消能方式的研究都处在初级阶段，更几乎没有对两种消能方式相结合的研究，这也吸引着人们努力在这方面进行探索。

传统的坝顶泄流、坝身孔口泄流、坝面泄流方式在高水头、大流量、高流速运行条件下，会受到空化空蚀及流动失稳等问题的困扰，修建螺旋式竖井泄洪洞是解决上述难点的有效方法之一。由于它的综合消能率在50%以上，如果在洞内充气不仅能更好地防止空蚀现象而且能进一步提高消能效率，有效地降低洞内水的流速。

因而选用螺旋对冲溢洪道是一种修建泄洪洞的较好选择。

1 设计原理

1.1 设计思路

此次研究的思路为螺旋式竖井消能泄洪洞尾部加装流量流速监控器，通过监控器调节另取水口的管道开关调节水流大小来与螺旋式竖井尾部流出的水对冲进行消能。此装置通过螺旋、对冲和水垫塘消能3种方式进行组合消能对洪水有极大的应对能力。

1.2 结构设计

在上游其中一侧的山体设置一个取水口，取水口处有分支结构。其中一个分支横向开挖一段距离后，向下开挖螺旋式竖井，达到螺旋消能的功能。在螺旋管道末端设置水流监测器检测流量和流速。另一分支在取水口的下方，并在出水处设置水流调节阀，两分支水道最下端处于同一水平线，在泄洪时，打开闸门，水流通过螺旋管道第一次消能。在螺旋管道末端触发监测器调节对冲管道水流大小，两管道的出水口相对，两股水流形成对冲第二次消能，并且利用流水垫塘再次对水体能量进行第三次消能。最终尾水流出消能结束。

2 创新特色

2.1 螺旋式泄洪洞消能

螺旋式消能属于内部消能，泄洪口处设螺旋竖井管道，螺旋管道末端对冲管道出水口相对。和已有的竖井泄洪相比，螺旋式泄洪管道中的洪水由于绕螺旋管道竖向轴心旋转贴壁做离心运动，在中心形贴壁处成稳定空腔，使管道中水流保持稳定的流态，而且形成较佳的气体通行条件。该方案在原有单圈阻塞式旋流管道基础上进行改进，在保持较高消能效率的情况下增加过流能力。设计合理的条件下，可以高效地消耗大多数水体能量。

2.2 采用对冲的方式进行二次消能

对冲式消能属于外部消能。将通过螺旋管道已经损失部分动能的水流，在对冲口与引水管道水流进行对冲形成二次消能，使消能效率进一步增强。在对冲消能时利用了垫塘的水深进一步加大了消能效率。

2.3 动态消能

根据螺旋消能流速来动态调节对冲流量，达到动态消能效果。使螺旋消能和对冲消能二者有效的结合达到二次消能的效果。螺旋式竖井管道下端加装流量流速监控器，通过监控器所测数据来调节另一取水口管道内水流大小使其与螺旋式竖井内经过一次消能的水流对冲进行二次消能。

针对动态调节机制提出了，自动化调节设想如图1、图2。

3 实验探究

3.1 实验方案

方案一：通过相同长度的直管道和螺旋管道在相同静水压力进行过水实验。通过测量在相同高度下两管道出水口的出水口初速度，进而初步计算螺旋管道的动能消能效率。

方案二：利用模型在相同水头下，对螺旋管道和对照组进行对照试验；通过压力差来推算对冲结构的压能消能效率。

3.2 实验数据

实验数据详见表1～表3。

3.3 实验结论及分析

（1）通过流态观测，在无对冲管时，下游入水点附近形成较大的旋滚及尾水波动，并对河岸造成较强拍击；在对冲管开启一定程度后，下游水流明显受控，尾水波动减小，河岸受拍击程度减轻。

（2）通过两组对比实验，螺旋管道较同长度直管道动能消能效率为51%左右，对冲管道部分压能率为62%左右，再通过消能垫塘进行消能得到了理想的消能效果。

4 应用前景

螺旋式对冲消能结构消能效率高，结构可靠性强，布置紧凑。尤其在我国西南地区地形陡峻、河谷狭窄、消能设施不易布置的情况下，传统消能设施不易布置的缺陷尤为突出。而此种新型消能方案，为我国下一时期加大西部水利开发提供了一种可取的新设想。这一消能方式消能效率高，符合当下实际，可以提高水工建筑的防洪等级，保障水安全。并且此种消能方式可以利用部分导流洞遗留设施，节约成本。对于某些特殊坝型（如面板堆石坝），在本就需要在两岸山体设置防洪O施的情况，提出了合理解决的方案。

参考文献

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