專(zhuān)利名稱(chēng)：明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用壓頂技術(shù)用于明流泄洪洞平面 彎道的壓頂方法。
背景技術(shù)：
利用導(dǎo)流隧洞改建成“龍?zhí)ь^”型式的明流泄洪洞，能節(jié)省工程投資，是目前水利 工程中采用較多的布置型式。其主要特點(diǎn)是第一工作閘門(mén)布置于明流泄洪洞的進(jìn)水口，便 于集中管理；其次明流泄洪洞的水流流態(tài)明確；再就是工程量相對(duì)較小。由于明流泄洪洞 的進(jìn)水口的設(shè)置高程較高，作用在進(jìn)水口工作閘門(mén)上的水頭較小，從而降低了工作閘門(mén)制 作上的技術(shù)難度，而提高了工作閘門(mén)運(yùn)行的安全度和靈活性。按《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5195-2004)要求高流速明流泄洪洞平面上應(yīng)布 置為直線。原因是明流泄洪洞平面彎道的水流流態(tài)差，并影響下游平直段泄流。但受實(shí)際 布置的限制，通常利用導(dǎo)流隧洞改建的明流泄洪洞的前部存在平面彎道，因此有必要尋求 改善平面彎道水流流態(tài)的方法。目前解決此問(wèn)題的途徑主要有兩種第一、明流泄洪洞平面 彎道前設(shè)計(jì)為有壓流，平面彎道后設(shè)計(jì)工作間門(mén)。該方法除了需要增加平面彎道前的工程 量外，還將增加工作閘門(mén)井的工程量。第二、利用導(dǎo)流隧洞改建明流泄洪洞時(shí)，目前大型工 程中常采用進(jìn)水口后增設(shè)豎井旋流消能工，再接工作閘門(mén)，工作閘門(mén)下游平直段按明流泄 洪洞設(shè)計(jì)。該方法需要增加設(shè)置豎井旋流消能工的工程量，增加投資較大，特別對(duì)于中小型 水利水電工程來(lái)說(shuō)很不經(jīng)濟(jì)。能否找到一種其它更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，并能保證下游平直段水流平穩(wěn)，實(shí) 現(xiàn)安全泄洪，這正是本發(fā)明的任務(wù)所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本課題組結(jié)合實(shí)際工 程，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，提出一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法來(lái)完成所提出的發(fā)明任 務(wù)。該方法采用的壓頂技術(shù)解決了明流泄洪洞平面彎道水流流態(tài)差，并影響下游平直段泄 流的問(wèn)題。本發(fā)明的目的是由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，包括以下工藝步驟(1)對(duì)明流泄洪洞平面彎道段采取壓頂技術(shù)降低頂高，當(dāng)明流泄洪洞在最大泄流 量時(shí)平面彎道前有一水深、洞頂余幅；計(jì)算明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前的佛汝 德數(shù)Fr ；(2)定義明流泄洪洞平面彎道段的壓頂系數(shù)K等于壓頂余幅與洞頂余幅之比，根 據(jù)明流泄洪洞洞寬與平面彎道轉(zhuǎn)彎半徑之比，佛汝德數(shù)&及平面彎道轉(zhuǎn)角參數(shù)，確定壓頂 系數(shù)K的數(shù)值，再根據(jù)定義的壓頂系數(shù)，反算出壓頂余幅；(3)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所述明流泄洪洞壓頂余幅小于明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前的洞頂余幅；(4)為保證壓頂出口后平直段的水流流態(tài)平穩(wěn)，設(shè)計(jì)明流泄洪洞壓頂段沿伸至平 直段的壓頂沿伸長(zhǎng)度為2-4倍明流泄洪洞洞寬。上述技術(shù)方案中，所述明流泄洪洞的壓頂余幅小于洞頂余幅，且應(yīng)滿足壓頂系數(shù)K < 1。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益的技術(shù)效果1、本發(fā)明采用的壓頂技術(shù)，通過(guò)降低明流泄洪洞平面彎道的頂高，凹岸水體被控 制在壓頂以下，可避免水流直沖弧形洞頂、出現(xiàn)旋滾的不利流態(tài)，保證了明流泄洪洞下游平 直段水流流態(tài)滿足平穩(wěn)的要求，從而實(shí)現(xiàn)安全泄洪。2、本發(fā)明采用的壓頂技術(shù)，不僅為解決明流泄洪洞平面彎道過(guò)流，提供了一種經(jīng) 濟(jì)實(shí)用、設(shè)計(jì)合理的方法，而且為研究并掌握平面彎道水流提供幫助，進(jìn)而為保證泄洪安全 提供依據(jù)。3、本發(fā)明采用的壓頂技術(shù)，施工簡(jiǎn)便、工程量小，節(jié)省投資顯著，特別適合于中小 型水利水電工程，可以提高導(dǎo)流隧洞改建明流泄洪洞所帶來(lái)的顯著經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(A)為明 流泄洪洞平面彎道的平面示意圖；(B)為明流泄洪洞平面彎道前、平面彎道段、平直段各剖 面水面的示意圖。圖中B為明流泄洪洞洞寬，H_為最大泄流量時(shí)平面彎道起點(diǎn)水深，AH為洞頂余 幅，AHy為壓頂余幅，a為平面彎道壓頂起點(diǎn)，b為平面彎道終點(diǎn)，c為壓頂終點(diǎn)，L為壓頂 沿伸長(zhǎng)度，1為平面彎道前，2為平面彎道段，其中R、6分別為平面彎道段的半徑、轉(zhuǎn)角，3 為平直段，4為壓頂段。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及工程實(shí)例給出實(shí)施例以對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但所給出 的實(shí)施例不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，因而本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的 內(nèi)容和設(shè)計(jì)思想所作出的非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖1中，㈧圖順?biāo)髯呦?，所述明流泄洪洞的平面彎道?，明流泄洪洞平面彎 道壓頂?shù)钠瘘c(diǎn)a，明流泄洪洞平面彎道段2，明流泄洪洞的壓頂段4，平面彎道的終點(diǎn)b，壓頂 段的終點(diǎn)c，平面彎道后明流泄洪洞的平直段3 ； (B)圖順?biāo)髯呦?，所?-1剖面為平面彎 道前水面示意，2-2剖面為壓頂起點(diǎn)水面示意，3-3、4-4和5-5剖面分別為平面彎道段水面 示意，6-6剖面為壓頂沿長(zhǎng)段水面示意，7-7剖面為壓頂終點(diǎn)水面示意，8-8剖面為壓頂出口 后、平直段3水面示意。實(shí)施例本發(fā)明的明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法用于太極水庫(kù)工程中，實(shí)際所用技術(shù)參 數(shù)如下1、所述明流泄洪洞洞寬B = 5. 00m,平面彎道轉(zhuǎn)彎半徑R = 50. 00m,平面彎道轉(zhuǎn)角 e = 51. 16°，最大泄流量時(shí)平面彎道前1水深為Hmax = 3. 00m,洞頂余幅A H = 2. 50m,如圖1(B)圖中1-1所示；2、所述明流泄洪洞的最大泄流量Q_為410. 00m3/S，計(jì)算平面彎道前1的斷面 平均流速V = Q_/(H_B) = 410/(3X5) = 27.33m/s，根據(jù)所述佛汝德數(shù)&的定義，即
Fr = ^v2/(gHmJ = V27.332/(9.81x3.00) = 5.04，明流？世洪洞洞寬B與平ffi彎道轉(zhuǎn)彎半徑R之
比 B/R = 5. 00/50. 00 = 0. 10 ；3、所述明流泄洪洞洞寬B與平面彎道轉(zhuǎn)彎半徑R之比0. 10、佛汝德數(shù)5. 04及平 面彎道轉(zhuǎn)角51. 16°，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究確定相應(yīng)的壓頂系數(shù)K = 0. 40 0. 50，綜合分析取K = 0.44，根據(jù)定義的壓頂系數(shù)K =八辦/八扎反算出壓頂余幅八辦=1(* AH = 0.44X2. 50 =1. 10m，即壓頂?shù)母叨葹?Hmax+AHy = 3.00+1. 10 = 4. 10m，如圖 1(B)圖中 2-2 所示；4、所述明流泄洪洞平面彎道水體受離心力的影響，水體逐漸被逼向凹岸，表現(xiàn)為 凹岸水深大于凸岸，隨著凹岸、凸岸水位差的增大，凹岸水體至壓頂，凸岸水深則進(jìn)一步減 小，受壓頂制約，凹岸水體被控制在壓頂4. 10m以下，如圖1 (B)圖中3-3、4-4和5_5所示；5、水體流出平面彎道段2、進(jìn)入平直段3后，離心力的作用消失，兩岸水深差減小， 為保證壓頂出口后平直段3的水流流態(tài)平穩(wěn)，壓頂沿伸至平直段3的距離L = 2B = 10. 00m, 在壓頂沿伸長(zhǎng)度內(nèi)，凹岸水體受壓頂制約的程度逐漸減弱，如圖1(B)圖中6-6所示；6、水體流出壓頂段4后，壓頂制約消失，凹岸水深保持在壓頂4. 10m以下，如圖 1(B)圖中7-7所示。7、水體從壓頂段4流出后，凹岸水深高于凸岸，如圖1 (B)圖中7-7所示，該水深差 異在平直段3摩擦損失的作用下，會(huì)自動(dòng)調(diào)整、很快平順，從而保證下游平直段3水流平穩(wěn)， 如圖1(B)圖中8-8所示。如果在實(shí)際工程中不采用本發(fā)明的壓頂技術(shù)，即平面彎道段2剖面保持與其上、 下游相同的剖面，如圖1(B)圖中1-1和7-7剖面，水體受平面彎道離心力的作用，凹岸水體 將爬高、沖至弧形洞頂，將導(dǎo)致平面彎道段2出現(xiàn)旋滾流現(xiàn)象，平直段3將表現(xiàn)為水面波動(dòng) 劇烈的不利流態(tài)。本發(fā)明實(shí)施例所述工程中明流泄洪洞平面彎道采用壓頂技術(shù)后，正是由于對(duì)壓頂 段4的控制，使凹岸水體被控制在壓頂以下，避免了水流直沖弧形洞頂、出現(xiàn)旋滾的不利流 態(tài)，從而使得平直段3內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，達(dá)到安全泄洪的目的。
權(quán)利要求
一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，其特征在于包括以下工藝步驟(1)對(duì)明流泄洪洞平面彎道段(2)采取壓頂技術(shù)降低頂高，當(dāng)明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前(1)水深為(Hmax)，洞頂余幅為(ΔH)，計(jì)算明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前(1)的佛汝德數(shù)(Fr)；(2)定義明流泄洪洞平面彎道段(2)的壓頂系數(shù)K＝ΔHy/ΔH，其中(ΔHy)為壓頂余幅，(ΔH)為洞頂余幅，根據(jù)明流泄洪洞洞寬(B)與平面彎道轉(zhuǎn)彎半徑(R)之比(B/R)，佛汝德數(shù)(Fr)及平面彎道轉(zhuǎn)角(θ)參數(shù)，確定壓頂系數(shù)(K)的數(shù)值，再根據(jù)定義的壓頂系數(shù)，反算出壓頂余幅ΔHy＝K·ΔH；(3)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所述明流泄洪洞壓頂余幅(ΔHy)小于明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前(1)的洞頂余幅(ΔH)，即ΔHy＜ΔH；(4)設(shè)計(jì)明流泄洪洞壓頂段(4)沿伸至平直段(3)的壓頂沿伸長(zhǎng)度(L)為2-4倍明流泄洪洞洞寬(B)，即L＝(2-4)B。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，其特征在于所述的壓頂余 幅(AHy)小于洞頂余幅(AH)，應(yīng)滿足壓頂系數(shù)1( < 1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域。該方法對(duì)明流泄洪洞平面彎道段采取壓頂技術(shù)降低頂高。先計(jì)算明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前的佛汝德數(shù)；再根據(jù)明流泄洪洞洞寬與平面彎道轉(zhuǎn)彎半徑之比、佛汝德數(shù)及平面彎道轉(zhuǎn)角參數(shù)，確定壓頂系數(shù)；最后根據(jù)定義的壓頂系數(shù)，反算出壓頂余幅。要求壓頂余幅小于明流泄洪洞在最大泄流量時(shí)平面彎道前的洞頂余幅。為保證壓頂出口后平直段水流流態(tài)平穩(wěn)，設(shè)計(jì)壓頂段沿伸至平直段的沿伸長(zhǎng)度為2-4倍明流泄洪洞洞寬。明流泄洪洞平面彎道壓頂后，受壓頂制約凹岸水體被控制在壓頂以下，可避免水流直沖弧形洞頂出現(xiàn)旋滾的不利流態(tài)，從而保證下游平直段水流平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)安全泄洪。
文檔編號(hào)E02B8/06GK101871204SQ20101021025
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者伍超, 王波, 陳云良 申請(qǐng)人:四川大學(xué)