消涡隔栅在泄洪排沙洞进水口的应用

消涡隔栅在泄洪排沙洞进水口的应用

摘要：水库泥沙分析计算及坝体挡水期间泄洪排沙洞在汛期与导流洞联合进行泄洪，满足度汛要求。由于枢纽整体布置进水口底板高程不宜下降，进水口最小淹没深度S未能满足规范要求时，在泄洪排沙洞进水口布置消涡隔栅，用以破漩涡，防止产生贯通式漏斗漩涡收到了良好的效果。

关键词：泄洪排沙洞；消涡隔栅；吸气漏斗；漩涡

1工程概述及泄洪建筑物

黑河三道湾水电站地处甘肃省肃南裕固族自治县境内，是黑河水能规划的第四座梯级电站。工程主要任务是发电，采用引水式开发，工程由引水枢纽、引水发电系统及发电厂区三部分建筑物组成。电站总装机容量112mw，年发电量4.003亿kw·h,属中型三等工程。工程枢纽区泄洪建筑物由右岸的正常溢洪洞、泄洪排沙洞和左岸的非常溢洪洞组成。本工程泄洪系统建筑物组合中，为了有效利用深孔泄洪排沙洞排沙和泄洪的双重作用，在工程建成运行期间，当上游来水小于1000m3／s洪峰流量时，首先启动泄洪排沙洞闸门，以利于排沙，使引水发电洞进水口前形成“门前清”；当上游来水小于50年一遇的洪峰疯量，大于1000m3／s洪量时，在泄洪排沙洞闸门全部打开的前体下，开启正常溢洪洞闸门宣泄洪量。当上游来水大于50～1000年一遇的洪峰流量时，非常溢洪洞闸门最后开启，使泄洪建筑物全部投入使用。

2泄洪排沙洞布置

为防止库内泥沙淤积后对引水发电洞进水口的影响，泄洪排沙洞有压式进水口布置在正常溢洪道的右侧，引水发电洞进水口的左侧，平面上紧靠引水发电洞进水口。从水库泥沙淤积、坝体挡水施工期与导流洞共同泄洪的度汛要求以及运行期排沙的效果，泄洪排沙洞进口底板高程设置为2338m,比引水发电洞进水口底板高程低12m。水库正常蓄水位2370m，设计洪水位2368.21m，校核洪水位2372.41m，极限死水位2364m,闸顶高程2373.70m。泄洪排沙洞为有压短管进水口和无压洞洞身。进口采用塔式结构，由有压喇叭口段、闸室段组成，总长度37m，其中喇叭口段长8.40m，闸室长28.06m，孔口尺寸8m×8m，闸室内设平板检修钢闸门和弧形工作钢闸门，采用钢筋混凝土结构浇筑；无压洞身长367.50m，纵坡i=1.315％，洞身为城门洞形断面，洞宽8m，直墙段高10.50m，

拱高2.31m，最大泄洪流量为1270m3／s，最大流速22.73m／s，采用厚0.80m 的钢筋砼衬砌。底板及边直墙采用抗冲耐磨混凝土，其余为C25混凝土衬砌。泄槽出口设消能段，长度为19m，宽度由8m扩散至18m。采用连续鼻坎挑流将水流挑入下游河床，鼻坎末端高程为2336.58m。

3泄洪排沙洞进口最小淹没深度计算

由于泄洪排沙洞为有压进口方案，故其进口淹没深度需满足相应规范要求。根据《水利水电工程进水口设计规范》(SL285-2003)的规范规定，其有压进水口最小淹没深度按照B.2的计算公式进行计算。其计算过程如下：S=CVd1／2

式中：S-最小淹没深度(闸孔顶以上)(m)；d-闸孔高度(m)，d=8m；V-闸孔断面平均流速(m／s)，V=19.84m／s；C－系数，库内取水，对称水流，取C=0.55。

根据以上计算结果，S=30.86m。在设计洪水位2368.21m泄洪时，其淹没深度为2368.21-(2338+8)=22.21m，不满足淹没深度要求，泄洪可能形成漩涡或漏斗，形成掺气通道，影响泄洪能力，并造成泄流流态的不稳定，对建筑物结构造成危害。在正常蓄水位2370m泄洪时，其淹没深度为2370-(2 338+8)=24m，不能满足淹没深度要求，且由于进水口孔口尺寸较大，且上游来水方向不是正对泄洪排沙洞进口，其水流方向和洞轴线方向形成30°的夹角，在泄洪时进水口上部水面可能还会形成漩涡或漏斗，形成掺气通道，影响泄洪能力，并造成泄流流态的不稳定，对建筑物结构造成危害。在校核洪水位2372，41m泄洪时，其淹没深度为2372.41-(2338.0+8.0)=26.41m,也不满足淹没深度要求。

根据以上计算分析，泄洪排沙洞进水口必须采取相应消涡工程措施，以解决泄洪排沙洞的正常泄流问题。为了解决此问题，设计委托西北农林科技大学水利与建筑工程学院进行了模型试验复核和验证。

4水工模型试验复核及问题提出

4.1 水工模型试验复核成果原设计方案没有设防涡设施，由于受到上游来水不均匀的影响，在泄洪排沙洞进水口左侧上方前产生较大的横向流速，导致水流的旋转，随着流量的增加进口漩涡直径及强度亦逐渐加大，并且产生逆时针间隙性吸气漏斗旋涡。泄洪排沙洞单独全开，电站正常发电，极限死水位2360.0m 以上工况运行时，泄洪排沙洞进口上方产生逆时针间隙性吸气漏斗旋涡。极限死水位一设计洪水位时，吸气漏斗旋涡首先在进水口左侧上方形成，漏斗旋涡位置

由左侧向右侧移动，然后消失；漏斗旋涡的直径由小变大，然后由大变小，水面最大直径2.0m；随着水位的升高，漏斗旋涡持续时间缩短。设计洪水位时，漏斗旋涡间隔时间为10～15min，持续时间为0.50～3min，或在3min内发生2～3次。正常水位时，首先在泄洪排沙洞左侧形成逆时针旋涡，但大部分旋涡在向底孔推进过程中逐渐消失，只有个别旋涡发展为吸气漏斗旋涡，持续时间20～30s，间隔时间达3.50～4.50h，最大直径0.50m。校核洪水位时，泄洪排沙洞左侧偶尔形成逆时针方向小旋涡，但进水口前无贯通性吸气漏斗旋涡产生。

4.2问题提出在枢纽整体布置确定了泄洪排沙洞有压式进水口底板高程为2338m后，由于枢纽布置及汛期与导流洞共同进行泄洪，满足度汛要求，进水口底板高程不宜下降，根据规范要求，当难以达到最小淹没深度要求时，应在水面以下设置防涡梁(板)和防涡栅等防涡措施；鉴于上述原因及水工模型试验复核结果，在泄洪排沙洞左侧形成间隙性吸气漏斗旋涡，由于泄洪排沙洞进口进流分布不均匀，在泄洪排沙洞进口椭圆曲线x2／10.52+y2／3.52=1和1:4.50、1:4压坡表面上产生局部负压，对建筑物结构及运行不利，因此提出了在泄洪排沙洞进口布置消涡隔栅的思路。

4.3设计方案调整在有压式进水口2360m高程处布置了消涡隔栅，用以破旋涡，以防止产生贯通式漏斗漩涡，在各种运行水位宣泄不同洪水流量时，均形成正压，以免产生空蚀破坏。如：隔栅长度15m与进口下部连为一体，结构上易于处理，隔栅最小间隙 1.313m×2m，被漂浮物堵塞的可能性不大，即使发生堵塞现象，对泄流能力也无太大的影响。泄洪排沙洞进口上方设置消涡格栅后，极限死水位以上各工况，泄洪排沙洞进口无旋涡产生，流态良好，泄量与原设计基本相同。模型试验结果表明进水口前布置了消涡隔栅后没有在出现有害的立轴旋涡，满足设计要求。