專利名稱：一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法及裝置，是一種水利防 洪泄水的方法和裝置，是一種用于水庫泄洪洞防蝕和消能的方法和裝置。
背景技術(shù)：
修建大壩主要是為了防洪、發(fā)電、城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉等目的，而泄洪結(jié) 構(gòu)設(shè)施是汛期保證大壩安全的重要樞紐組成部分。對于一個(gè)好的泄水結(jié)構(gòu)設(shè)施 它必需滿足運(yùn)行安全可靠、工程投資少和不破壞下游生態(tài)環(huán)境的要求。我國的
大、中型水庫有^:萬座，其中大部分是土石壩，達(dá)不到防洪標(biāo)準(zhǔn)的工程為數(shù)不 少，特大洪水到來時(shí)，往往因泄洪能力不足，或因閘門打不開，發(fā)生洪水漫溢 潰壩現(xiàn)象，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成滅頂之災(zāi)，如1975年8月河南的板橋和石漫灘 水庫绔壩事件對我國政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來極大的負(fù)面影響，廣西石大開水庫 在洪水來臨時(shí)，閘門打不開，洪水位猛漲，正在水流要漫壩的瞬間，閘門被洪 水沖垮，避免了一場大災(zāi)難。國內(nèi)外蜂壩事件很多，特別是中小型水庫不計(jì)其 數(shù)。為防止垮壩事件的發(fā)生，除在水壩附近建造溢流設(shè)施外。有時(shí)需增建一條 非常溢洪道，這種溢流設(shè)施通常利用建造水壩時(shí)的導(dǎo)流洞(水壩完成后即廢棄) 增加一條豎井，在豎井上設(shè)環(huán)形堰的進(jìn)水口形成泄洪洞。堰頂高程即水庫正常 水位，當(dāng)水位高于正常水位時(shí)泄洪洞開始泄洪。種種傳統(tǒng)的環(huán)形溢流堰豎井式 泄洪洞(美國稱Morning-glory spillway )，在20世紀(jì)40 ~ 50年代美國修建4艮 多，其主要缺點(diǎn)是
(l)為了適應(yīng)設(shè)計(jì)流量，在環(huán)形堰頂設(shè)分流墩，而為了防止由于開挖地形引起的漩渦對泄流能力的影響，還需要專門設(shè)置防漩墩。
(2) 環(huán)形堰下的豎井普遍存在較大的負(fù)壓，除此之外，豎井與出水洞連接
的頂部負(fù)壓更大易發(fā)生空蝕破壞，還有洞內(nèi)流速高(總水頭100~ 200m，流速 38~50m/s)，也易發(fā)生空蝕破壞，而在洞的出口采用挑流坎射流產(chǎn)生霧化現(xiàn)象， 破壞生態(tài)環(huán)境。
(3) 已往為了解決豎井的空蝕問題，將整體豎井從上到下改成逐漸收縮斷 面，以增加壓力(美國)，或在豎井上部設(shè)置環(huán)形通氣坎，在出水洞的進(jìn)口頂部 和底板設(shè)置摻氣坎和通氣槽(前蘇聯(lián))。
(4) 雖然多處設(shè)置了摻氣設(shè)施，在與出水洞連接段的底板上也有發(fā)生空蝕 破壞的可能性(如我國二灘1#泄洪洞)。
(5) 通氣管道系統(tǒng)復(fù)雜，增加施工困難，不經(jīng)濟(jì)。
在導(dǎo)流洞中也要設(shè)置消能設(shè)施，傳統(tǒng)的消能設(shè)施是在豎井的洞底部位開挖 消力井，在豎井與導(dǎo)流洞連接的部位的導(dǎo)流洞頂設(shè)置反向收縮坎(或稱壓板)， 同時(shí)設(shè)通氣井，目的是增加消能效果和保持下游形成穩(wěn)定的明流流態(tài)。通過許 多試驗(yàn)證明這種設(shè)施對消能率的增加甚小(不到2%),洞內(nèi)水面波動(dòng)也較大。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方 法及裝置，或者稱為旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪設(shè)施。所述的方法和設(shè)施的 目的是為水電站水庫提供一種可靠的高效率防蝕、消能的新型泄洪建筑物。本 發(fā)明所述方法是利用環(huán)形堰易發(fā)生漩渦的機(jī)理，巧妙地利用幾個(gè)導(dǎo)流墩使環(huán)形 堰進(jìn)水口和豎井形成穩(wěn)定的螺旋流流態(tài)，增加壁面壓力并摻入大量空氣，在豎 井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍，與洞內(nèi)水墊聯(lián)合消能，達(dá)到防蝕和提高消能率的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，所述的裝置包括 一個(gè)豎井，所述豎井底部與水平的消能洞相貫連接，所述消能
洞與導(dǎo)流洞貫通連接，所述的豎井的進(jìn)口處設(shè)置環(huán)形堰，所述環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與
豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環(huán)形堰外設(shè)置幾個(gè)導(dǎo)流墩，所述導(dǎo)流墩 的中心線與環(huán)形堰的切線成大于或等于0°小于45°的夾角；所述的豎井與消 能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；所述的消能洞設(shè)置有集水墩和 收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。
一種使用上述裝置的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法，所述方法的步驟
水流漫過環(huán)形堰；
水流在導(dǎo)流墩的作用下與環(huán)形堰切線成一定角度的方向進(jìn)入環(huán)形堰；
在多個(gè)導(dǎo)流墩的作用下，水流在環(huán)形堰內(nèi)緣與豎井連接的光滑的收縮型曲 面上形成繞垂直軸的旋流；
旋流中部帶有空腔，帶有空腔的水流p及入大量空氣進(jìn)入豎井；
帶有大量空氣的旋流沿豎井下落，在豎井下部位形成環(huán)形水躍和氣水混合 墊層，消耗大量能量；
在豎井與消能洞結(jié)合的部位，水流在消能洞進(jìn)口與消能洞相對的空間中形 成旋滾流，與原繞垂直軸的旋流形成復(fù)雜的摻氣流動(dòng)，進(jìn)行消能；
水流進(jìn)入消能洞，在集水墩的作用下，高速摻氣水流從集水墩的頂部敞口 射入水墊塘，在水墊塘內(nèi)水流產(chǎn)生旋滾流進(jìn)^f亍強(qiáng)力的氣水剪切作用繼續(xù)消耗大 量能量，再次消能；
當(dāng)水流流出收縮墩時(shí)，兩側(cè)墩誘發(fā)出立軸旋渦再次摻氣，和底板上的中墩 產(chǎn)生的橫向漩滾水流互相碰撞剪切作用又消耗掉大量能量，再次消能；
消能后水流經(jīng)導(dǎo)流洞排出。
本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是使環(huán)形堰產(chǎn)生穩(wěn)定的帶有空腔的螺旋流運(yùn)動(dòng)是本發(fā)明的基礎(chǔ)，它不同于現(xiàn)有的渦室或起旋室需要修建一專門的起旋結(jié)構(gòu)物， 而是利用幾個(gè)導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊相切或成一小角度連接，使水流旋轉(zhuǎn)，在豎 井內(nèi)形成螺旋流運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，投資少，不用維修，防蝕和消 能效果好，泄洪洞出口不產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。
本發(fā)明所述的旋流環(huán)形堰豎井式泄洪道是最靈活的防洪泄水設(shè)施，它很適
用于緊急泄洪，防止洪水漫壩，其主要特點(diǎn)是
(1) 環(huán)形堰頂高程為正常高水位(堰上水頭一般小于5m),不設(shè)置閘門， 洪水到達(dá)堰頂時(shí)自動(dòng)下泄流量。
(2) 利用幾道導(dǎo)流墩使環(huán)形堰產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流進(jìn)入豎井，形成帶有空腔的螺旋 流運(yùn)動(dòng)，吸入大量空氣，消能效果好，并可防止結(jié)構(gòu)物發(fā)生空蝕破壞。
(3) 豎井底部不用開挖消力井，可節(jié)省開支。
(4) 在消能洞中有集水墩、水墊塘、收縮墩組成的消能設(shè)施十分有效。 采用環(huán)形堰和豎井的旋流加消能洞內(nèi)水墊旋滾流聯(lián)合消能的結(jié)果，消能率
高，總消能率可達(dá)90%,泄洪洞出口無霧化現(xiàn)象，可防止河床沖刷和生態(tài)植被
破壞，出口不用澆筑挑流坎，整個(gè)設(shè)施更加筒化。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖l是本發(fā)明實(shí)施例一所述的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例五所述的集水墩示意圖，是圖1的C-C剖面圖3是本發(fā)明實(shí)施例七所述的收縮墩示意圖，是圖1的D-D剖面圖4是圖1的A-A剖面示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例二所述的五個(gè)導(dǎo)流墩的示意圖6是本發(fā)明實(shí)施例二所述的八個(gè)導(dǎo)流墩的示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例九所述的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法的水流示
意圖8是圖7的E-E剖面圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一
本實(shí)施例是一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，如圖1、 4所示。本實(shí) 施例所述的裝置包括 一個(gè)豎井10,豎井底部與水平的消能洞相貫連接，消能 洞與導(dǎo)流洞9貫通連接，豎井的進(jìn)口處設(shè)置環(huán)形堰1,環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成 光滑的收縮型曲面連接，形成縮口2。環(huán)形堰外"&置若干導(dǎo)流墩3，導(dǎo)流墩的中 心線與環(huán)形堰的切線成大于或等于0° ,小于45°的夾角。豎井與消能洞連接 的部位與消能洞相對的位置有一空間5，見圖1、 4所示。消能洞設(shè)置有集水墩 6和收縮墩8,集水墩和收縮墩之間是水墊塘7。
本實(shí)施例由旋流環(huán)形堰、豎井、消能洞和導(dǎo)流洞組成。其中的導(dǎo)流洞是原 水壩施工時(shí)建造的，用于將上游的水流引到下游，以1更水壩施工，水壩建造完 工即廢棄。這種導(dǎo)流洞的截面通常是城門洞型，即頂部為半圓形，下部為矩形。 導(dǎo)流洞改造為水平旋流泄洪洞時(shí)通常要對城門洞型的截面進(jìn)行改造，例如改造 為圓形截面，但本實(shí)施例無需對導(dǎo)流洞的截面進(jìn)行任何改造。本實(shí)施例在大壩 上游開挖豎井，與原導(dǎo)流洞相貫連接，在連接部位將上游的一段導(dǎo)流洞用混凝 土塞4堵死，并在下游的導(dǎo)流洞中簡單的改造，形成消能洞和出水引導(dǎo)水道， 為方j(luò)更起見將出水引導(dǎo)水道還稱為導(dǎo)流洞?；炷寥⒉皇蔷o挨在豎井的井壁 設(shè)置，而是留有一定的空間，以便下落的水流在這個(gè)空間中產(chǎn)生旋滾流，有一
8定的消能作用。
本實(shí)施例的進(jìn)水口采用環(huán)形堰，而不需要采用專門的渦室或起旋室。傳統(tǒng) 的環(huán)形堰總是擔(dān)心產(chǎn)生影響泄洪的旋渦水流，因此，往往設(shè)置防旋墩阻止水流 在進(jìn)入豎井時(shí)產(chǎn)生凝渦。而本實(shí)施例反其道而行之，利用導(dǎo)流墩產(chǎn)生狻渦水流， 利用漩渦水流進(jìn)行摻氣和形成環(huán)形水躍，產(chǎn)生消能作用。只要豎井的直徑設(shè)計(jì) 合理，不會(huì)影響泄洪能力。本實(shí)施例采用數(shù)道導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊相切或成一 角度布置，導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)和平面布置遵守流體力學(xué)的原理和規(guī)律。環(huán)形堰導(dǎo)流墩 的數(shù)量越多旋流效果越好，但流量系數(shù)相應(yīng)會(huì)減小，即流量會(huì)減少， 一般墩的
數(shù)量取4 8個(gè)，導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊切線的夾角對流量系數(shù)影響也較大，角度 越大流量系數(shù)越大，反之就越小，通常夾角取0~30°,(圖4中采用10°角)如 墩子數(shù)量多時(shí)，為了增加流量系數(shù)可將角度放大一些。環(huán)形堰上水頭i/與堰半 徑i h之比對流量系數(shù)也影響較大，當(dāng)i//i h>0.5時(shí)開始變成淹沒流，而當(dāng)7/// h<0.4 時(shí)開始形成自由流，前者的流量系數(shù)小于0.3，后者要大于0.35,視導(dǎo)流墩的數(shù) 量和夾角而變化。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)在環(huán)形堰和豎井的聯(lián)系部位使用復(fù)雜的曲面形狀，建造比較復(fù) 雜，而本實(shí)施例采用環(huán)形堰斷面為1/4橢圓曲線同豎井連接。由于旋流離心力的 作用使壁面壓力升高，可防止發(fā)生空蝕，同時(shí)在豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍加大了 消能力度。
豎井下部直接與原導(dǎo)流洞相貫連接，在原導(dǎo)流洞與豎井相貫處附近澆注集 水墩形成水墊，而在集水墩下游澆注收縮墩形成水墊塘，總稱為消能洞，消能洞下游直接連接原導(dǎo)流洞。集水墩是設(shè)在消能洞進(jìn)口的底板上，自然形成一水 墊，高速水流從集水墩頂部射流到由收縮墩構(gòu)成的水墊塘內(nèi)，而收縮墩的兩側(cè)
墩產(chǎn)生立軸漩渦，中墩產(chǎn)生橫向旋滾流，致使壓力消能洞的消能率達(dá)40%左右， 再加上豎井旋流和環(huán)狀水躍的消能作用，泄洪洞總消能率可達(dá)90% 。
為說明下面舉一個(gè)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)例假設(shè)某水利樞紐的擋水壩為堆石面板壩， 除修建泄洪和放空洞外，按MPF (最大可能洪水量)洪水標(biāo)準(zhǔn)需要利用導(dǎo)流洞 改建一條環(huán)形堰豎井式非常泄洪洞。該工程基本資料最大泄量Q=1300m3/s， 堰上水頭H^4.8m,總水頭Z420m，導(dǎo)流洞尺是寬13m、高15mi成門洞形斷面。
根據(jù)旋流環(huán)形堰防蝕、消能泄洪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，首先按四個(gè)導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)
旋流環(huán)形堰，墩子與環(huán)形堰圓周切線夾角取10°,當(dāng)H/Rh=0.22時(shí)，流量系數(shù)
w 0.4,計(jì)算環(huán)形堰半徑Rh:
及,(.『g— 一)2" =(_」T____"6.66附
一 g )w 醒 04 一
、—、m27rV^(i//i A)3/2 — 0.4x6.28x 4.43 x0.415 一 ,取J A = 16.5附
環(huán)形堰直徑A =33w， 豎井直徑
環(huán)形堰斷面尺寸采用1/4橢圓曲線(x2/a2+/M2 =1 ),首先確定橢圓曲線 短半軸("-豎井直徑)，長半軸a 26。 消能洞的集水墩和收縮墩的特點(diǎn)是
l)墩的體型為三角形，其背水坡為垂直面，使負(fù) 渦脫離結(jié)構(gòu)物，再加上 自然摻氣，確保結(jié)構(gòu)物不發(fā)生空蝕；2)保持各墩的過流面積約等于豎井截面積的一半，若過流面積太小，由于 雍水在豎井和出水洞進(jìn)口段將會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定渦線流態(tài)，可能引起結(jié)構(gòu)物振動(dòng)， 同時(shí)降低泄流能力，若收縮面積太大，則進(jìn)口洞段不能形成壓力消能工，使消 能率大為降低。
實(shí)施例二
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于導(dǎo)流墩的改進(jìn)。本實(shí)施例所 述的導(dǎo)流墩數(shù)為4~8個(gè)。
圖4所示的是4個(gè)導(dǎo)流墩的情況。圖5是五個(gè)導(dǎo)流墩的情況。圖6是八個(gè) 導(dǎo)流墩的情況。
實(shí)施例三
本實(shí)施例是實(shí)施例二的改進(jìn)，是實(shí)施例二關(guān)于導(dǎo)流墩的改進(jìn)。本實(shí)施例所 述的截面形狀是矩形303連接楔形302,導(dǎo)流墩離環(huán)形堰近端的楔形頭部301呈 鈍圓型，導(dǎo)流墩的矩形尾部304呈圓形，如圖4所示。
導(dǎo)流墩更準(zhǔn)確的說應(yīng)該是導(dǎo)流墻，類似一堵短墻。短墻的截面形狀是矩形 的。為使導(dǎo)流效果更好，本實(shí)施例采用的一種頭部為楔形，楔形的角度比較尖 銳，楔形的尖端以一段圓弧過渡。為使水流順暢，導(dǎo)流墩的所有棱角均使用圓 弧過渡。
實(shí)施例四
本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)，是實(shí)施例三關(guān)于環(huán)形堰的改進(jìn)。本實(shí)施例所 述的環(huán)形堰外緣102的斷面呈圓形曲線形，環(huán)形堰內(nèi)緣101與豎井連接的斷面曲線呈橢圓曲線形，見圖1所示。
環(huán)形堰的外緣使用簡單的圓弧曲線，建造方便。環(huán)形堰的內(nèi)緣與豎井的連 ，接面使用四分之一橢圓曲線回轉(zhuǎn)獲得的曲面，形成收縮口 。環(huán)形堰內(nèi)緣的斷面 的橢圓曲線(？/"2+//62=1)十分簡單，施工方便。
實(shí)施例五
本實(shí)施例是實(shí)施例四的改進(jìn)，是實(shí)施例四關(guān)于集水墩的改進(jìn)，如圖2所示。 本實(shí)施例所述的集水墩設(shè)置在消能洞的底板上。集水墩截面呈三角形，頂部截 去，形成小斜坡601。集水墩的迎水面與水平線呈30~45°角，背水面與水平 線垂直。
實(shí)施例六
本實(shí)施例是實(shí)施例五的改進(jìn)，是實(shí)施例五關(guān)于集水墩的改進(jìn)。本實(shí)施例所 述的集水墩的截流面積等于豎井截面積的 一半。 實(shí)施例七
本實(shí)施例是實(shí)施例六的改進(jìn)，是實(shí)施例六關(guān)于收縮墩的改進(jìn)，如圖3所示。 本實(shí)施例所述的收縮墩設(shè)置在消能洞的底板803和兩側(cè)墻壁上801。收縮墩截面 呈三角形，頂部截去，形成小斜坡802。收縮墩的迎水面與水平線呈30~45。 角，背水面與水平線垂直。
實(shí)施例八
本實(shí)施例是實(shí)施例七的改進(jìn)，是實(shí)施例七關(guān)于導(dǎo)流墩的改進(jìn)。本實(shí)施例所 述的收縮墩的截流面積等于豎井截面積的 一半。實(shí)施例九
本實(shí)施例是一種使用上述實(shí)施例所述裝置的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪
方法如圖7、 8所示。本實(shí)施例所述方法的步驟如下 水流漫過環(huán)形堰1101;
水流在導(dǎo)流墩的作用下與環(huán)形堰切線成一定角度的方向進(jìn)入環(huán)形堰1108;
在多個(gè)導(dǎo)流墩的作用下，水流在環(huán)形堰內(nèi)緣與豎井連接的光滑的收縮型曲 面上形成繞垂直軸的i走流1102;
旋流中部帶有空腔，帶有空腔的水流帶入大量空氣進(jìn)入豎井；
帶有大量空氣的旋流沿豎井下落，在豎井下部位形成環(huán)形水躍和氣水混合 墊層1103,消耗大量能量；
在豎井與消能洞結(jié)合的部位，水流在消能洞進(jìn)口與消能洞相對的空間中形 成旋滾流，與原繞垂直軸的旋流形成復(fù)雜的摻氣流動(dòng)1104，進(jìn)行消能；
水流進(jìn)入消能洞，在集水墩的作用下，高速摻氣水流從集水墩的頂部敞口 射入水墊塘，在水墊塘內(nèi)水流產(chǎn)生旋滾流進(jìn)行強(qiáng)力的氣水剪切作用繼續(xù)消耗大 量能量1105，再次消能；
當(dāng)水流流出收縮墩時(shí)，兩側(cè)墩誘發(fā)出立軸漩渦再次摻氣1109,和底板上的
中墩產(chǎn)生的橫向漩滾水流1106互相碰撞剪切作用又消耗4卓大量能量，再次消能； 消能后水流經(jīng)導(dǎo)流洞排出1107。
本實(shí)施例所述泄洪洞運(yùn)行過程水流經(jīng)導(dǎo)流墩起旋進(jìn)入環(huán)形堰和豎井，形 成帶有空腔的螺旋流，在豎井下部產(chǎn)生環(huán)狀水躍和氣水混合墊層，消耗大量能 量，接著高速摻氣水流從集水墩頂部敞口射入水墊塘內(nèi)，產(chǎn)生旋滾流進(jìn)行強(qiáng)力的氣水剪切作用繼續(xù)消耗大量能量，當(dāng)水流流出收縮墩時(shí)，兩側(cè)墩誘發(fā)出立軸 漩渦再次摻氣，和中墩產(chǎn)生的橫向漩滾水流互相碰撞剪切作用又消耗掉大量能
量，致使殘留的動(dòng)能所剩無幾，洞內(nèi)流速急劇降低(總水頭100 ~ 200m的泄洪 洞流速降至" 18m/s),導(dǎo)流洞內(nèi)水面平穩(wěn)，出口無沖刷，亦無霧化現(xiàn)象，完 好地保護(hù)下游生態(tài)。
最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照 較佳布置方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可 以對本發(fā)明的技術(shù)方案(比如導(dǎo)流墩和環(huán)形堰的外形、大小，集水墩和收縮墩 的外形、安排等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和 范圍。
1權(quán)利要求
1.一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪裝置，所述的裝置包括一個(gè)豎井，所述豎井底部與水平的消能洞相貫連接，所述消能洞與導(dǎo)流洞貫通連接，其特征在于，所述的豎井的進(jìn)口處設(shè)置環(huán)形堰，所述環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環(huán)形堰外設(shè)置幾個(gè)導(dǎo)流墩，所述導(dǎo)流墩的中心線與環(huán)形堰的切線成大于或等于0°，小于45°的夾角；所述的豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；所述的消能洞設(shè)置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)流墩數(shù)為4 8個(gè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的截面形狀是矩形 連接楔形，導(dǎo)流墩離環(huán)形堰近端的楔形頭部呈鈍圓型，導(dǎo)流墩的矩形尾部呈圓 形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的環(huán)形堰外緣的斷 面呈圓形曲線形，環(huán)形堰內(nèi)緣與豎井連接的斷面曲線呈橢圓曲線形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的集水墩設(shè)置在消 能洞的底板上；所述的集水墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡；所述集 水墩的迎水面與水平線呈30~45°角，背水面與水平線垂直。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的集水墩的截流面 積等于豎井截面積的 一半。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的收縮墩設(shè)置在消 能洞的底板和兩側(cè)洞壁上；所述收縮墩截面呈三角形，頂部截去，形成小斜坡；所述收縮墩的迎水面與水平線呈30 45。角，背水面與水平線垂直。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的泄洪裝置，其特征在于，所述的收縮墩的截流面 積等于豎井截面積的一半。
9. 一種使用上述權(quán)利要求之一的裝置的旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法， 其特征在于，所述方法的步驟水流漫過環(huán)形堰；水流在導(dǎo)流墩的作用下與環(huán)形堰切線成一定角度的方向進(jìn)入環(huán)形堰；在多個(gè)導(dǎo)流墩的作用下，水流在環(huán)形堰內(nèi)緣與豎井連接的光滑的收縮型曲 面上形成繞垂直軸的旋流；旋流中部帶有空腔，帶有空腔的旋流吸入大量空氣進(jìn)入豎井；帶有大量空氣的旋流沿豎井下落，在豎井下部位形成環(huán)形水躍和氣水混合 墊層，消耗大量能量；在豎井與消能洞結(jié)合的部位，水流在消能洞進(jìn)口與消能洞相對的空間中形 成旋滾流，與原繞垂直軸的旋流形成復(fù)雜的摻氣流動(dòng)，進(jìn)行消能；水流進(jìn)入消能洞，在集水墩的作用下，高速摻氣水流從集水墩的頂部敞口 射入水墊塘，在水墊塘內(nèi)水流產(chǎn)生旋滾流進(jìn)行強(qiáng)力的氣水剪切作用繼續(xù)消耗大 量能量，再次消能；當(dāng)水流流出收縮墩時(shí)，兩側(cè)墩誘發(fā)出立軸旋渦再次摻氣，和底板上的中墩 產(chǎn)生的橫向漩滾水流互相碰撞剪切作用又消耗掉大量能量，再次消能；消能后水流經(jīng)導(dǎo)流洞排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋流環(huán)形堰防蝕、消能的泄洪方法及裝置。所述的裝置包括一個(gè)豎井，豎井底部與水平的消能洞相貫連接，消能洞與導(dǎo)流洞貫通連接，豎井的進(jìn)口處設(shè)置環(huán)形堰，環(huán)形堰的內(nèi)環(huán)與豎井形成光滑的收縮型曲面連接；所述環(huán)形堰外設(shè)置幾個(gè)導(dǎo)流墩，所述導(dǎo)流墩的中心線與環(huán)形堰的切線成0°≤θ＜45°的夾角；豎井與消能洞連接的部位與消能洞相對的位置有一空間；消能洞設(shè)置有集水墩和收縮墩，集水墩和收縮墩之間是水墊塘。本發(fā)明利用幾個(gè)導(dǎo)流墩與環(huán)形堰周邊相切或成一小角度連接，使水流旋轉(zhuǎn)，在豎井內(nèi)形成螺旋流運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，投資少，不用維修，防蝕和消能效果好，泄洪洞出口不產(chǎn)生霧化現(xiàn)象，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。
文檔編號(hào)E02B8/06GK101638888SQ20091008956
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者輝 付, 楊開林, 濤 王, 董興林, 郭新蕾, 郭永鑫 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院