無壓隧洞平面轉(zhuǎn)向水流銜接建筑物的制作方法

本發(fā)明涉及水利水電工程，具體為一種施工方便，過彎后水流平面平穩(wěn)的無壓隧洞平面轉(zhuǎn)向水流銜接建筑物。

背景技術：

水利水電工程中，無壓隧洞是經(jīng)常使用的一種泄水建筑物。一般地，對于高流速無壓隧洞平面上應布置為直線，但受實際工程地形地勢的限制，通常的無壓泄洪隧洞在平面上都需要通過具有一定轉(zhuǎn)彎半徑的圓弧來實現(xiàn)隧洞軸線的轉(zhuǎn)向。而對于轉(zhuǎn)彎段來說，一方面因為平面轉(zhuǎn)彎設置的彎道對于施工來說具有較大的難度；另一方面由于隧洞內(nèi)水流通常都處于急流狀態(tài)，過流壁面的變化將產(chǎn)生菱形沖擊波并向下游傳播，造成下游直段洞室內(nèi)水面波動較大；同時，急流在轉(zhuǎn)彎段內(nèi)受離心力的作用，將使得彎道內(nèi)水面呈外側(cè)高而內(nèi)側(cè)低的流態(tài)，嚴重時外側(cè)水面甚至超過拱頂最高點并向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)，嚴重威脅洞室的結(jié)構(gòu)安全，因此有必要尋求改善平面彎道水流流態(tài)的方法。

目前解決此問題的途徑主要有兩種：第一種是將無壓隧洞平面彎道前設計為有壓流，平面彎道結(jié)束位置設置工作閘門，然而該法除了造成平面彎道前的工程量大幅增加外，還將增加工作閘門井的工程量及其后期的運行難度。第二種是目前導流隧洞后期改建成無壓隧洞常用的一種方式，即采用進水口后增設豎井旋流消能工的方法，然而旋流豎井消能工的工程量往往較大，尤其對于一些中小型水利水電工程來說很不經(jīng)濟。ZL101871204A公布了一種明流泄洪洞平面彎道的壓頂方法，該法能夠有效降低急流彎道外側(cè)水面高度并顯著減弱流出彎道進入下游直段的水流自由面波動，但是該方法并沒有解決平面彎道轉(zhuǎn)彎施工困難的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的就是現(xiàn)有無壓隧洞的轉(zhuǎn)彎段施工難度高，危險系數(shù)大的問題，提供一種施工方便，過彎后水流平面平穩(wěn)的無壓隧洞平面轉(zhuǎn)向水流銜接建筑物。

本發(fā)明的無壓隧洞平面轉(zhuǎn)向水流銜接建筑物，設置在泄洪洞的轉(zhuǎn)彎段，其特征在于該銜接建筑物包括上游直流段、消力池、有壓段以及下游直流段，上游直流段設置在轉(zhuǎn)彎段上游入口處，下游直流段設置在轉(zhuǎn)彎段下游出口處，消力池入水口與上游直流段出水口連接，有壓段出水口與下游直流段連接，有壓段進水口與消力池出水口連接，有壓段與消力池之間夾角α為鈍角，消力池出水口設置在消力池尾端下部。

所述的消力池尺寸計算方法如下：

1）上游直流段水深為h₀，水流剛進入消力池時發(fā)生水躍現(xiàn)象前水深為h₃，水躍現(xiàn)象產(chǎn)生后水深為h₄，上游直流段底部與消力池底部高度差為a ，則h₃=（0.6～0.9）h₀+a ，根據(jù)水躍方程計算h₄，得到水躍后水深h₄；

2）上游直流段寬度為b ，計算水躍長度L₁，， 消力池出水口寬度B=b/sinα；

3）根據(jù)上述計算，得到消力池高度H=（1.1～1.4）h₄，消力池長度L=（0.7～0.8）L₁+B 。

根據(jù)上述計算，可以保證消力池尾端下部銜接的有壓孔口始終處于淹沒狀態(tài)，消力池池長L通常取大值；銜接于消力池尾部的有壓段進水口安裝于水躍發(fā)生完全后的近似靜水區(qū)域。

所述的有壓段進水口高度h₁=（0.4～0.8）h₄，出水口高度h₂通過有壓流流量計算公式Q=μbh₂（2gh₄）^0.5，反算得到，其中Q為流量，μ為孔口流量系數(shù)，通常取0.7～0.8，g為重力加速度，取9.81m/s²，有壓段長度S=（4～10）h₂。

所述的消力池頂部還設置有補氣孔，補氣孔半徑R為（0.05～0.25）b ，由于消力池自由表面需要摻入大量的空氣，而水工隧洞往往都位于山體內(nèi)部，所以需要在消力池頂部開設一定尺寸的孔洞直通外界大氣，以滿足消力池的吸氣需求。

本發(fā)明的無壓隧洞平面轉(zhuǎn)向水流銜接建筑物，結(jié)構(gòu)簡單，設計科學，使用方便，使原本需要通過圓弧曲線實現(xiàn)無壓隧洞平面轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)調(diào)整為兩直洞平面相交的形式，同時下游直段通過有壓段與消力池尾端相接，消力池內(nèi)水體通過有壓段后自由面基本與底板平行，從而有效克服了常規(guī)無壓隧洞通過彎道實現(xiàn)平面轉(zhuǎn)向而造成的內(nèi)外兩側(cè)水面高差較大的問題；同時，由于本發(fā)明提出的用消力池取代常規(guī)無壓隧洞圓弧轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，大大減小了洞室的施工難度；另外，消力池結(jié)構(gòu)也能夠較大程度地實現(xiàn)水體的能量耗散，提高泄洪隧洞的消能效率，控制無壓隧洞的水流流態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖4為本發(fā)明水流流態(tài)示意圖。

其中，上游直流段1，補氣孔2，消力池3，有壓段4，下游直流段5，自由水面6。

具體實施方式

實施例1：一種無壓隧洞平面轉(zhuǎn)向水流銜接建筑物，設置在泄洪洞的轉(zhuǎn)彎段，該銜接建筑物包括上游直流段1、消力池3、有壓段4以及下游直流段5，上游直流段1設置在轉(zhuǎn)彎段上游入口處，下游直流段5設置在轉(zhuǎn)彎段下游出口處，消力池3入水口與上游直流段1出水口連接，有壓段4出水口與下游直流段5連接，有壓段4進水口與消力池3出水口連接，有壓段4與消力池3之間夾角α為鈍角，消力池3出水口設置在消力池3尾端下部。

消力池3尺寸計算方法如下：

1）上游直流段1水深為h₀，水流剛進入消力池3時發(fā)生水躍現(xiàn)象前水深為h₃，水躍現(xiàn)象產(chǎn)生后水深為h₄，上游直流段1底部與消力池3底部高度差為a ，則h₃=（0.6～0.9）h₀+a，根據(jù)水躍方程計算h₄，得到水躍后水深h₄，其中q 為單寬流量

2）上游直流段1寬度為b ，計算水躍長度L₁，， 消力池3出水口寬度B =b/sinα；

3）根據(jù)上述計算，得到消力池3高度H=（1.1～1.4）h₄，消力池3長度L=（0.7～0.8）L₁+B。

根據(jù)上述計算，可以保證消力池3尾端下部銜接的有壓孔口始終處于淹沒狀態(tài)，消力池3池長L通常取大值；銜接于消力池3尾部的有壓段4進水口安裝于水躍發(fā)生完全后的近似靜水區(qū)域。

有壓段4進水口高度h₁=（0.4～0.8）h₄，出水口高度h₂通過有壓流流量計算公式Q=μbh₂（2gh₄）^0.5，反算得到，其中Q為流量，μ為孔口流量系數(shù)，通常取0.7～0.8，g為重力加速度，取9.81m/s²，有壓段4長度S=（4～10）h₂；

消力池3頂部還設置有補氣孔2，補氣孔2半徑R為（0.05～0.25）b ，由于消力池3自由表面需要摻入大量的空氣，而水工隧洞往往都位于山體內(nèi)部，所以需要在消力池3頂部開設一定尺寸的孔洞直通外界大氣，以滿足消力池3的吸氣需求。

無壓洞室為城門洞斷面型式，直墻高4.2m，洞寬b =4.2m，拱頂半徑2.2m，圓心角142°，上下游洞室直段平面交角α=134°，上游直流段1內(nèi)水深h₀為3.0m，消力池3跌坎a 為2.0m，補氣洞內(nèi)徑R =1.0m，流量Q=80m³/s，從而得到單寬流量q =19.05m³/（m·s）。躍前水深h₃=2.5m，通過計算得到躍后水深h₄=4.3m，消力池3高度H=6m；水躍躍長L₁=36.12m，另外消力池3出水口寬度B= b/sinα=5.8m，從而可得整個消力池3長度L =33.8m；有壓段4進水口下緣與消力池3底板同一高度，有壓段4出口高度h₁取0.6h₄為7.0m，有壓段4出口高度h₂按計算得到為2.756m，取2.8m，其中流量系數(shù)μ取0.75，有壓段4長度S取5h₂=14.0m，補氣洞半徑R=0.1b =0.42m。