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环型溢洪道的设计与试验研究(1)

2017-08-28 02:14 摘要：利用旋流场理论分析，大胆、巧妙地将环型堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙的环型溢洪道泄流消能方式。成功地解决了进口流速较大且流速分布极不均匀，水力条件较为复杂的泄流和消能问题。再经两个水文年的溢洪实践，表明该设计与研究在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果。并比常规的设计可节约工程投资的1/4∽1/3；而且更为安全可靠。对在城市防洪排涝；中小型水利水电工程的泄流及一洞多用中；山区狭长水库行近流速比较大或切向流速比较大的水库中，均具有良好的推广价值。
关键词：环型溢洪道 旋流 消能 防涡设施 设计与试验研究 一、工程概况贵阳市贯城河是一条由北向南纵贯贵阳市城区的河流，流域面积为21km2，为山区雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，涨峰历时短的特点。城市的发展导致地面硬化，水流下渗量减少，加大短时地表径流。由于历史的原因，贯城河河道过水断面减小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地势低洼，致使上游地区及市区暴雨强度较大时，极易形成内涝，尤以喷水池附近地区最为严重，给人民生命财产带来巨大的损失。 为解决贯城河的水环境问题，拟在化龙桥附近修建一条排污分洪隧洞。工程的主要任务是分泄化龙桥以上河道汛期大部分洪水，提高喷水池附近繁华商业区的防洪能力。枢纽工程由环型溢洪道、隧洞等两大部分组成，其最大排洪量为100m3/s。二、进口方案比较 由于贯城河贯穿贵阳市，为减少洪水对市中心的影响，该工程进口位置只能选择在人口较密、商业较繁华的化龙桥至沙河桥一带。这一带受地形及规划用地的限制；并结合隧洞的选线，进口只能选择化龙桥上游距联云桥约60m的上游河段上。分洪隧洞的进口引渠与贯城河河道呈83°的交角；该河道河槽底部高程1062m，设计水位时的流速为v0=4.97m/s，这有别于水库近似v0=0m/s行进流速。加之出口处南明河河道河床高程1041m左右，进出口高差近21m。泄洪流量较大，这给进口的设计带来了一定的难度。在布置设计时研究过三种可能的布置形式：1、竖井式溢洪道 传统的竖井式溢洪道由环型堰、渐变段、竖井、弯管及泄水隧洞进口四部分组成。其消能机理是，当环型堰进口曲线下端的高速水流脱离井壁时，挟带空气射入消力井中，与井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根据其消能机理在布置设计其需要一段较长的渐变段、竖井、弯管来控制水流，使水流在其中充分消能。2、环型溢洪道 环型溢洪道由环型堰、消力井和消力井三部分组成。与竖井式溢洪道相比其少了渐变段、竖井、弯管，增加了消力井。其消能机理是，经过引渠引入的水流，进入环型堰进口时，在环型堰曲线下端形成高速射流，脱离环型堰壁后，挟带空气射入消力井中，与消力井的水垫相互碰撞消能。3、龙抬头式溢洪道 消力池消能采用龙抬头式实用堰引流，使水流进入消力池消能。竖井式溢洪道与环型溢洪道相比虽然工程投资相当，但其水垫较浅，消能效果没有环型溢洪道的好；再加上受渐变段、竖井，尤其弯管的曲率半径r不能满足2-5倍控制段直径要求，使得输水隧洞内会出现不稳定的流态，甚至在弯管部位会出现很大的负压。而环型溢洪道正好克服了这些缺点被确定为实施方案。环型溢洪道与龙抬头式溢洪道 消力池消能相比减少占地约40%。综上所述，从经济和社会效益上分析，采用较安全可靠的环型溢洪道比采用竖井式溢洪道、龙抬头式溢洪道 消力池消能均节约投资1/4∽1/3，并减少占地约40%。而且更为安全可靠，大大降低泄洪的声响及水雾，尤其处于城市的繁华中心区，其本工程的建成不仅大大提高贯城河一带的防洪能力，工程的建成并不对周边的环境带来不利的影响。三、环型溢洪道的设计 该工程按200年一遇洪水标准设计，按《防洪标准》（gb50201-94）的规定，本工程等别为ii等，环型溢洪道等永久建筑的级别为2级。环型溢洪道由引渠、环型堰、消力井三部分组成。见附图。1、环型溢洪道的理论分析 由于本工程地处市区内，受其用地的限制，进口引渠位于距河道转弯上游凸岸一侧的约25m的河道上，该处河道水流流速约4m/s，使得进口引渠的水流有偏流现象，水面高差0.5∽0.8m。由于偏流的存在，环型溢洪道水力学参数的求解必须借助于旋流理论根据质量守恒及动量守恒导出的连续性方程与动量方程（又称n-s方程）：