水平旋流消能泄洪洞方案论证成功

2.6.2.1　体型简介

初步确定的设计推荐方案，经减压试验的验证和进一步优化，设计选定方案的体型见图2.54。溢流堰、竖井、起旋室及连接段体型采用原定方案，详图见图2.47。溢流堰进水口，堰宽12m、竖井直径9m、竖井上部设环形掺气坎，坎坡1∶3，收缩断面直径7.4m，设5个直径0.63m的通气孔。竖井下部采用1／4椭圆曲线同直径10.5m的起旋室偏心相切连接，在起旋室上游端设直径3.3m的通气井。旋流洞进口采用1∶4坡度收缩，收缩断面直径9.9m。

旋流洞由原导流洞城门形断面改建为直径10.50m的圆形断面，末端桩号为导0＋270.00m，旋流洞与水垫塘衔接段长14m，水垫塘为11.0m×14.0m（宽×高）的城门洞形断面，由原导流洞衬砌50cm混凝土形成。水垫塘末端通过两侧及底部的弧形收缩与退水洞连接，收缩尾坎长20m，末端桩号为导0＋335.50m，收缩断面宽6.4m。在导0＋361.22m断面处底、侧以渐变的形式与原导流洞相接，渐变段长5m。

图2.54　水平旋流消能泄洪洞体型图（最终选定方案）（单位：m )

2.6.2.2　试验成果

（1）流态。库水位低于2002.00m时，堰后为自由堰流；当库水位在2002.00m以上时，堰后水流呈淹没流状态，竖井水流平稳。水流在环形掺气坎下均形成掺气空腔，空腔下为自由水面，在减压情况下，掺气坎下的掺气空腔比常压情况明显加长，见表2.43。

设计、校核工况下，竖井内均能形成较厚的水垫，空腔射流冲击水垫，水流产生脉动。

表2.43　竖井掺气坎下掺气空腔长度比较表

高速水流由竖井偏心进入起旋室，形成绕洞轴的旋转运动，水流自起旋室上游端的通气井吸入大量气体，形成空腔旋转流，空腔稳定，边壁水层较薄，为贴壁螺旋流形式，水体呈乳白色。减压情况与常压情况，差别较小，减压情况旋流洞形成螺旋流与常压情况流态完全一致，且清晰。

旋流洞圆形洞变城门洞衔接段，水流侧壁目测无分离。水垫塘内气水混掺，掺气充分，水流充满整个泄洪洞空间，中心小范围水流旋转。减压情况目测水垫塘充满水流，为水流实体，顶部无不良的气腔或气囊现象，收缩段前中心旋转水流很清晰。

水垫塘出口三面弧形收缩段，底、侧水流均无分离现象，收缩末端底部无水流回旋现象。桩号导0＋361.20m之后退水洞段部分为典型的明流，流态沿程渐趋稳定。

（2）沿程时均压力分布。

1）常压时均压力。测点布置见图2.55。

试验对不同库水位、不同闸门开启度时沿程时均压力进行了测试。设计和校核水位时，闸门全开及开启高程在10m及其以上时，堰面均为正压。闸门开启高度为7m时，2号、3号测点出现负压，最大负压为－6.16×9.8kPa，该最大负压值为闸门开启过程瞬间出现的情况，对建筑物影响不大。

竖井内除环形掺气坎下部空腔附近出现小的负压外，其余各测点均为较大的正压。起旋室在圆弧末扭面侧面的j4号测点有最大为2.28×9.8kPa的负压，其余各测点均为正压。

起旋室与旋流洞连接段，试验布置了3圈共34个压力测点，各测点压力均为正压，压力最小为4.5×9.8kPa（4.5m水柱），压力最大近45×9.8kPa水头。旋流洞部分，各测点压力均为正压，11号测点压力较低，设计工况压力为2.98×9.8kPa，校核工况为4.26×9.8kPa。

圆形变城门洞形段布置了28个压力测点，设计及校核工况除右下角11号测点出现负压（设计与校核工况分别为－1.49×9.8kPa和－1.17×9.8kPa）外，其余均为正压。闸门开启过程、开启高度10m及其以下时，测点11号、32号、33号测点出现－2.0×9.8～－3.8×9.8kPa的负压。

水垫塘出口收缩断面布置的测点底7、底8及侧面9～18测点出现不同大小的负压，负压值相对较小，最大负压位于侧面后半部分上层，最大为－2.48×9.8kPa。退水洞在顶22号、24号测点出现负压，22号测点负压最大，设计工况时为－2.1×9.8kPa。2）减压时均压力。试验对设计和校核工况常压情况出现负压的测点进行了减压情况的压力测试，并与常压进行对比，结果汇于表2.44。

图2.55　水平旋流消能泄洪洞时均压力测点布置图（最终选定方案）

表2.44　水平旋流泄洪洞（最终选定方案）闸门全开时、常压为负压测点的减压压力观测结果

由表2.44可知，减压与常压情况压力相比，除旋流洞与水垫塘的衔接段11号测点减压压力比常压压力降低外，其余各点压力普遍升高。水垫塘出口减压最低压力为－1.94×9.8kPa，比常压有明显改善。由此可见，各部位负压不大，可满足要求。

（3）脉动压力。试验对设计洪水位2005.00m和校核洪水位2008.00m两个特征水位、不同的闸门开度时的脉动压力测点（测点位置见图2.56）进行了测试。闸门全开的脉动压力特征值见表2.45及表2.46。闸门不同开度时各部位最大脉动压力标准差见表2.47。

从表2.45及表2.46可以看出：

1）在闸门全开的情况下，各部位最大脉动压力特征值大部分在30kPa（45个测点中设计及校核情况超过30kPa的点为10个及13个；超过50kPa的点为3个及6个），压力脉动较剧烈的主要是水垫塘（包括进口段），该部位结构设计将适当考虑脉动压力的作用。

图2.56　水平旋流泄洪洞脉动压力及掺气测点布置图（最终选定方案）(https://www.xing528.com)

表2.45　水平旋流泄洪洞（最终选定方案）库水位2005.00m、闸门全开时脉动压力特征值

续表

注　表中脉动各测点均采用：采样次数2048次，采用时间间隔0.005s。

表2.46　水平旋流泄洪洞（最终选定方案）库水位2008.00m、闸门全开时脉动压力特征值

续表

注　表中脉动各测点均采用：采样次数2048次，采用时间间隔0.005s。

2）原型主频率在设计水位闸门全开情况均小于2.0Hz，且大部分小于1.0Hz；校核水位闸门全开情况除两个点（竖井及旋流洞底）达4.0Hz和3个点大于2.0Hz外，均小于2.0Hz，且大部分小于1.0Hz。因此，水流脉动基本属于低频振动，不致引起建筑物结构共振。

从表2.47看出，脉动压力随闸门开启过程而变化，一般比闸门全开时的压力增加不到10%；仅竖井M1点及旋流洞末M12点增加达40%，且压力较大（大于40kPa），但开启过程时间较短；水垫塘出口虽压力增加值达一倍左右，但压力值小于30kPa，不会危及建筑物安全。

表2.47　水平旋流泄洪洞（最终选定方案）闸门不同开度时各部位最大脉动压力标准差（均方根值）

注　设计水位2005.00m，校核水位2008.00m。

（4）掺气浓度。在起旋室、旋流洞、水垫塘及各衔接段的顶部、侧面共布置了13个测点（位置见图2.56）。设计与校核工况时，各测点的模型实测掺气浓度列于表2.48。

表2.48　水平旋流泄洪洞（最终选定方案）闸门全开各测点的模型平均掺气浓度　单位：%

从表2.48可知，设计和校核工况的掺气浓度较为接近，仅旋流洞的侧面q5测点相差最大（设计工况掺气浓度为3.0%，校核工况为5.0%）。水垫塘侧面q11测点掺气浓度最小，为1.9%。由于模型掺气浓度与原型不相似，有关水力学原型观测资料表明，原型值要远大于模型值，因此推测原型掺气浓度将大于3%。另外有关研究表明，即使仅有1%的掺气浓度，也有一定的掺气减蚀作用。因此，各部位的掺气浓度基本满足掺气减蚀的要求。

（5）空化特性。采用了突体试验目测法判断各部位体型的空化特性。

突体试验表明：全洞各部位在突体高度为12mm时，基本无空化现象产生。仅水垫塘出口段侧墙中上层在突体高度为12mm时出现弱的空化云，在突体高度为7mm时无空化现象产生。

（6）小结。

1）流态。设计和校核水位工况下，溢流堰、竖井流态良好，起旋室及旋流洞可形成稳定的空腔旋转流，水垫塘内水气混掺，旋流洞与水垫塘的衔接段水流无分离现象；水垫塘出口收缩段采用三面圆弧，趋于流线型，水流无分离现象。

2）掺气及空腔。竖井环形掺气坎可形成一定长度空腔，掺气使边壁受到保护。起旋室上游端的通气井通气量超过200m3／s，形成喇叭形的空腔。整个旋流泄洪洞掺气情况良好，掺气浓度为3%左右，满足掺气减蚀要求。

3）时均压力。设计及校核水位闸门全开时，堰面、竖井、起旋室、旋流洞、水垫塘内的压力分布合理，水垫塘出口收缩段压力升高，最低压力接近－2.5×9.8kPa，满足相关要求。闸门小开度，开启高程低于1999.00m时，负压较大。

4）脉动压力特性。试验结果表明，除个别点出现标准差较大（大于30kPa）及主频率较高（大于2Hz）外，脉动压力特性正常。

5）空化突体试验。水垫塘出口收缩段低于7mm的突体，无空化云出现，其他部位12mm的突体均无空化，空化特性良好；但对导流坎难以观测其空化特性，从水流特性、掺气来分析，空化问题不大。为提高运行的安全性，建议采取选用抗空蚀性能较强的材料，减小过水表面不平整度，进一步增强过流面的抗空蚀性能。

表面不平整度要求，根据突体试验成果及掺气情况，对不同部位控制在12～6mm以内即满足安全运行要求。

6）运行方式。在设计和校核水位情况下，闸门全开可安全运行；闸门开启高程2002.00m以上，水流特性相对较好，但不应长时间运行；应避免闸门小开度（即闸门开启在高程1999.00m以下）运行。