旋流式竖井泄洪洞洞内压力特性的试验研究
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壁水流， 而 在大 流 量 的情 况下 就 有 可 能 在 壁 面形 成 空蚀 空化 的 现象 。有 鉴 于此 ， 笔 者 在 总 结 前 人
Ｆ， ∞ ＝ １
．
０ ３ ６ ， 其中Ｆ ， 为涡室进 口前行近水流
佛汝 德数 。
根据工程经验 ， 考虑到需 留有一定裕度 ， 设计
的竖 井 直径 Ｄ＝１ ２ ． ４ ｍ。
压力 与 消 力 井 侧 壁 、 底板 压 力 （ 即 竖 井 洞 内 压
力） 。
２ 涡室、 锥 形段及 竖 井侧壁 压力
本文所 依 据 的模 型 试验 是按 重力 相似 准则设
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ０６ － ０６ －
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ圜
在 导流 洞改 建 为 永 久 式 泄洪 建 筑 物 过 程 中 ， 旋 流式 竖井 泄洪 洞具 有结 构简 单 、 布置灵 活 、 消能 率 高 的特 点 ， 它 能 适应 复 杂 的地形 、 地 质条 件 ， 利
用 反井 钻机 施工 也较 简单 。由于 消能后 流速 明显
计、 模 型 比尺为 １ ： ４ ０的正态 模型 。竖井 旋 流泄 洪
＝
为 旋流 竖井 泄洪 洞 的体 型设计 和优 化提 供 了重要 的参考 依 据 。高 速 水 流 进 入 涡 室 后形 成 旋 转 水 流， 在 水流 离心 力 的作用 下 ， 沿 涡 室边壁 法 向形 成 较 大 的动水 压 力 ＿ ３ Ｊ 。壁 面 压 力 的升 高 ， 有 利 于 防 止 空化 。然 而 ， 随着 高程 的 降低 ， 水 流 的径 向速度 减小 ， 壁面压 力也 逐 步 降 低 。小 流 量 时 会 形成 脱
规律 ， 提出了以冲击压力作为消 力井底板 失稳 的标准 。根据对试验数据进行分析得知 ， 与时均压力相 比， 脉动 压力较小且频 率较低 ， 对竖井的稳定性影响不大 ； 消力井侧 壁及底板峰值频率较竖井突 出。 关键词 ： 旋流式竖井 ； 压力 ； 脉动 ； 试 验研究 中图分类号 ： Ｔ Ｖ ５ ５ ４ ； Ｔ Ｖ ２ ２ 文献标识码 ： Ｂ 文章 编号： １ ０ ０ １ — ２ １ ８ ４（ ２ ０ １ ３ ） 增－ ０ １ ３ ５ － ０ ５
李 生 庆 ， 黄 涛。
（ １ ． 云南鲁布革顾 问有 限公司 ， 云南 昆明 摘 ６ ５ ０ ０ ５ １ ； ２ ． 中国水电顾问集 团昆明勘测设计研究院 ， 云南 昆明 ６ ５ ０ ０ ５ １ ） 要： 通过模型试 验 ， 对旋流式竖井泄洪洞洞 内的压力进行 了测量 ， 分析了涡室 、 竖井侧壁及 消力井侧壁 、 底板 的压力变化
第３ ２卷增刊
２ ０ １ ３年 １ ２月
四
川
水
力
发Hale Waihona Puke 电 Ｖ ｏ １ ． ３ ２，Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
Ｄｅ ｃ ．， ２ ０ １ ３
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ
Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｐｏ ｗｅ ｒ
旋 流 式 竖 井 泄 洪 洞 洞 内压 力 特 性 的 试 验 研 究
压 力分 布特 性是 旋流 式竖 井泄 洪洞 中一 个非
常 重要 的水 力要 素 ， 它能 够 很 好 地 反 映 泄 水建 筑 物 各个 部位 所受 压 力 的大 小 ， 在 一 定 程 度 上 反 映
…
式中
× （ 卜 ０ ． ２ ２ ２ ｃ …
Ｑ为最 大 流 量 （ ｍ ／ ｓ ） ， 根据 整 体模 型 中超
方 案 ’ 。
０ ８ ７ ． ４开 始为 １ ： ８的顺 坡 ， 以保 证 水 流 获 得 更 大
的速 度 ， 进 入 涡 室 后 能够 正 常 起旋 。上 平段 进 入
涡室 的高 程 为 ９ ６ ７ ． ４ ６ ｍ， 收 缩 段 的 起 点 高 程 为 ９ ５ １ ． １ ５ ｍ。旋 流 竖 井 的 直 径 一 般 由经 验 公 式 ｌ ４ Ｊ 估算 ：
降低 ， 导流洞作为永久泄洪洞时 ， 衬砌工程简化 ， 降低 了工程造价 ， 加快 了施工进度并 减轻了隧洞
出 口的冲刷 和 雾 化 现 象 。 因此 ， 旋 流 式 内消 能工 是 一种 适 于深 山峡 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
１ 模 型布 置及 尺寸
其合理直径是竖井直径 的 １ ． ３ — １ ． ７倍 ， 本工程取 为 １ ８ ｍ。锥 形段 长度 为 １ ９ ． ６ ｍ， 坡 比为 １ ： ７ 。竖
井 出 口处宽度 为 ７ ． ５ ｍ， 高８ ｍ。 本 次研究 对象 主要 是 涡室 、 锥 形段 、 竖井 壁面
了水 流的紊 动特 性 ， 以判 断其是 否 会发 生空 化 、 空
蚀 现象 ， 是 否需 要增设 必 要 的掺气 减蚀设 施 等 ， 它
泄能 力试 验结 果 ， 校 核水 位 时的泄 流 量 Ｑ约 为
１ ２ ０ ８ ｍ ／ ｓ ； ｇ 为 重力 加速 度 （ ｍ ／ ｓ ） ； ｋ为参 变 量 ，
涡 室和竖 井 要保 持 过 流 通 畅 ， 必 须使 涡室 和 竖井 内的漩 涡空 腔 保持 通 畅 ， 否 则 可 能 导致 涡室
呛水 。大量 的研究 表 明 ， 涡 室 内水 流能顺 利起 旋 ，
研 究 成果 的基 础之 上 ， 结 合实 际 工程 ， 进 一 步对 旋
流 的时均压 力 及脉 动压 力特性 进 行 了一些 有针对 性 的研 究 。
洞包 括无 压 段 、 上平段、 变坡 段 、 涡室 、 锥形段、 竖
井、 消力井 、 压 坡段及 下平 段 （ 图１ ） 。上 平 段宽 度 为８ ｍ， 并从桩号 （ 左泄 ） ０＋０ ８ ７ ． ４处 开 始 收缩 ， 至涡 室入水 处 收缩 为 ７ ｍ， 底板 从桩 号 （ 左泄） ０＋
Ｆ， ∞ ＝ １
．
０ ３ ６ ， 其中Ｆ ， 为涡室进 口前行近水流
佛汝 德数 。
根据工程经验 ， 考虑到需 留有一定裕度 ， 设计
的竖 井 直径 Ｄ＝１ ２ ． ４ ｍ。
压力 与 消 力 井 侧 壁 、 底板 压 力 （ 即 竖 井 洞 内 压
力） 。
２ 涡室、 锥 形段及 竖 井侧壁 压力
本文所 依 据 的模 型 试验 是按 重力 相似 准则设
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ０６ － ０６ －
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ圜
在 导流 洞改 建 为 永 久 式 泄洪 建 筑 物 过 程 中 ， 旋 流式 竖井 泄洪 洞具 有结 构简 单 、 布置灵 活 、 消能 率 高 的特 点 ， 它 能 适应 复 杂 的地形 、 地 质条 件 ， 利
用 反井 钻机 施工 也较 简单 。由于 消能后 流速 明显
计、 模 型 比尺为 １ ： ４ ０的正态 模型 。竖井 旋 流泄 洪
＝
为 旋流 竖井 泄洪 洞 的体 型设计 和优 化提 供 了重要 的参考 依 据 。高 速 水 流 进 入 涡 室 后形 成 旋 转 水 流， 在 水流 离心 力 的作用 下 ， 沿 涡 室边壁 法 向形 成 较 大 的动水 压 力 ＿ ３ Ｊ 。壁 面 压 力 的升 高 ， 有 利 于 防 止 空化 。然 而 ， 随着 高程 的 降低 ， 水 流 的径 向速度 减小 ， 壁面压 力也 逐 步 降 低 。小 流 量 时 会 形成 脱
规律 ， 提出了以冲击压力作为消 力井底板 失稳 的标准 。根据对试验数据进行分析得知 ， 与时均压力相 比， 脉动 压力较小且频 率较低 ， 对竖井的稳定性影响不大 ； 消力井侧 壁及底板峰值频率较竖井突 出。 关键词 ： 旋流式竖井 ； 压力 ； 脉动 ； 试 验研究 中图分类号 ： Ｔ Ｖ ５ ５ ４ ； Ｔ Ｖ ２ ２ 文献标识码 ： Ｂ 文章 编号： １ ０ ０ １ — ２ １ ８ ４（ ２ ０ １ ３ ） 增－ ０ １ ３ ５ － ０ ５
李 生 庆 ， 黄 涛。
（ １ ． 云南鲁布革顾 问有 限公司 ， 云南 昆明 摘 ６ ５ ０ ０ ５ １ ； ２ ． 中国水电顾问集 团昆明勘测设计研究院 ， 云南 昆明 ６ ５ ０ ０ ５ １ ） 要： 通过模型试 验 ， 对旋流式竖井泄洪洞洞 内的压力进行 了测量 ， 分析了涡室 、 竖井侧壁及 消力井侧壁 、 底板 的压力变化
第３ ２卷增刊
２ ０ １ ３年 １ ２月
四
川
水
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发Hale Waihona Puke 电 Ｖ ｏ １ ． ３ ２，Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
Ｄｅ ｃ ．， ２ ０ １ ３
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ
Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｐｏ ｗｅ ｒ
旋 流 式 竖 井 泄 洪 洞 洞 内压 力 特 性 的 试 验 研 究
压 力分 布特 性是 旋流 式竖 井泄 洪洞 中一 个非
常 重要 的水 力要 素 ， 它能 够 很 好 地 反 映 泄 水建 筑 物 各个 部位 所受 压 力 的大 小 ， 在 一 定 程 度 上 反 映
…
式中
× （ 卜 ０ ． ２ ２ ２ ｃ …
Ｑ为最 大 流 量 （ ｍ ／ ｓ ） ， 根据 整 体模 型 中超
方 案 ’ 。
０ ８ ７ ． ４开 始为 １ ： ８的顺 坡 ， 以保 证 水 流 获 得 更 大
的速 度 ， 进 入 涡 室 后 能够 正 常 起旋 。上 平段 进 入
涡室 的高 程 为 ９ ６ ７ ． ４ ６ ｍ， 收 缩 段 的 起 点 高 程 为 ９ ５ １ ． １ ５ ｍ。旋 流 竖 井 的 直 径 一 般 由经 验 公 式 ｌ ４ Ｊ 估算 ：
降低 ， 导流洞作为永久泄洪洞时 ， 衬砌工程简化 ， 降低 了工程造价 ， 加快 了施工进度并 减轻了隧洞
出 口的冲刷 和 雾 化 现 象 。 因此 ， 旋 流 式 内消 能工 是 一种 适 于深 山峡 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
１ 模 型布 置及 尺寸
其合理直径是竖井直径 的 １ ． ３ — １ ． ７倍 ， 本工程取 为 １ ８ ｍ。锥 形段 长度 为 １ ９ ． ６ ｍ， 坡 比为 １ ： ７ 。竖
井 出 口处宽度 为 ７ ． ５ ｍ， 高８ ｍ。 本 次研究 对象 主要 是 涡室 、 锥 形段 、 竖井 壁面
了水 流的紊 动特 性 ， 以判 断其是 否 会发 生空 化 、 空
蚀 现象 ， 是 否需 要增设 必 要 的掺气 减蚀设 施 等 ， 它
泄能 力试 验结 果 ， 校 核水 位 时的泄 流 量 Ｑ约 为
１ ２ ０ ８ ｍ ／ ｓ ； ｇ 为 重力 加速 度 （ ｍ ／ ｓ ） ； ｋ为参 变 量 ，
涡 室和竖 井 要保 持 过 流 通 畅 ， 必 须使 涡室 和 竖井 内的漩 涡空 腔 保持 通 畅 ， 否 则 可 能 导致 涡室
呛水 。大量 的研究 表 明 ， 涡 室 内水 流能顺 利起 旋 ，
研 究 成果 的基 础之 上 ， 结 合实 际 工程 ， 进 一 步对 旋
流 的时均压 力 及脉 动压 力特性 进 行 了一些 有针对 性 的研 究 。
洞包 括无 压 段 、 上平段、 变坡 段 、 涡室 、 锥形段、 竖
井、 消力井 、 压 坡段及 下平 段 （ 图１ ） 。上 平 段宽 度 为８ ｍ， 并从桩号 （ 左泄 ） ０＋０ ８ ７ ． ４处 开 始 收缩 ， 至涡 室入水 处 收缩 为 ７ ｍ， 底板 从桩 号 （ 左泄） ０＋