水工建筑物 水工隧洞.pptx

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1、（a）第1页/共20页4.4.旋流消能旋流消能 洞内旋流消能：是在隧洞内设置造旋设施，使水流洞内旋流消能：是在隧洞内设置造旋设施，使水流产生产生旋转，利用水流的离心力增加过流壁面压强，以防止过流旋转，利用水流的离心力增加过流壁面压强，以防止过流壁壁面空蚀破坏。按其消能方式可分为螺旋流沿流程均匀消能面空蚀破坏。按其消能方式可分为螺旋流沿流程均匀消能和和螺旋流在消能室中集中消能；按消能工结构可分为旋流式螺旋流在消能室中集中消能；按消能工结构可分为旋流式竖竖井消能和水平螺旋流消能。井消能和水平螺旋流消能。优：有利于高水头泄洪洞防止过水壁面空蚀破坏，优：有利于高水头泄洪洞防止过水壁面空蚀破坏，有利有利

2、于洞中水流与下游衔接，有利于泄流量变化时消除明满流于洞中水流与下游衔接，有利于泄流量变化时消除明满流过过渡流态，有利于导流洞改建为泄洪洞。渡流态，有利于导流洞改建为泄洪洞。如：沙牌导流洞改建的泄洪洞如：沙牌导流洞改建的泄洪洞H=88mH=88m，Qmax=242m3/sQmax=242m3/s，经水工模型试验，采用了有压短管型进水口、旋流竖井、经水工模型试验，采用了有压短管型进水口、旋流竖井、明明流洞的布置方案（流洞的布置方案（图图8 81818）。由于采用了适合急流的涡）。由于采用了适合急流的涡室体室体形，使水流在涡室和竖井内形成旋流，从而增大过流壁面形，使水流在涡室和竖井内形成旋流，从而增

3、大过流壁面压压力，并在竖井内形成稳定和贯穿的中心空腔，使水流大量力，并在竖井内形成稳定和贯穿的中心空腔，使水流大量掺掺气、紊动强烈，提高了消能率。公伯峡电站的泄洪洞也采气、紊动强烈，提高了消能率。公伯峡电站的泄洪洞也采用用了这种消能方式。了这种消能方式。第2页/共20页图818 沙牌水电站旋流消能竖井布置（单位：m）第3页/共20页8-68-6高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀高流速泄水隧洞的水流脉动压力与空蚀 高水头泄水隧洞的流速很高，有的高水头泄水隧洞的流速很高，有的v v50m/s50m/s。是是否否诱诱发发隧隧洞洞结结构构振振动动，应应视视脉脉动动压压力力大大小小、频频率率特特性性、隧

4、洞结构形状、尺寸和自振特性等因素，做具体分析。隧洞结构形状、尺寸和自振特性等因素，做具体分析。一、脉动压力、空化与空蚀一、脉动压力、空化与空蚀1.1.脉动压力脉动压力 脉动压力：脉动压力：或：P=3（分析是否发生空化）P=2（结构设计）第4页/共20页2.2.空化与空蚀 发生部位：溢流面及挑流鼻坎附近、龙抬头的反弧段及其下游、有压段的岔洞、弯道、进、出口及门槽附近和消力墩上，以及表面存在着突体、错缝、错台和残留钢筋头等不平整的部位。例1 1：美国胡佛坝泄洪洞，Z=157mZ=157m，D=15.3mD=15.3m，v=46m/sv=46m/s，19411941年以无压初期宣泄Q=380 m3/

5、sQ=380 m3/s运行4 4个月后，经泄放1070m3/s1070m3/s流量（Q Q设5500 m3/s5500 m3/s）数小时，占设计的1919，在龙抬头下部与导流洞结合的反弧段就遭到了严重的空蚀破坏（图819819），剥蚀坑长35m35m，宽9.2m9.2m，深13.7m13.7m，冲去砼和基岩共4500 m34500 m3。空蚀原因：衬砌表面施工放线不准确，砼存在突体、冷缝、蜂窝等缺陷。第5页/共20页例例2 2：刘家峡泄洪洞，城门洞刘家峡泄洪洞，城门洞13m13.5m13m13.5m，19721972年运行年运行315h315h，Z=105mZ=105m，v=38.5m/sv=

6、38.5m/s，在龙抬头下部的反弧段及其，在龙抬头下部的反弧段及其下游整个洞宽范围内遭到空蚀，冲成长下游整个洞宽范围内遭到空蚀，冲成长24m24m、深、深3.5m3.5m的大的大坑并卷起洞身后底板坑并卷起洞身后底板190m190m。空蚀原因：残留钢筋头、突体等。空蚀原因：残留钢筋头、突体等。第6页/共20页二、减蚀措施 体形设计。做好体形设计是指选好进口、门槽、渐变段、弯道、龙抬头曲线段、岔洞及出口等体形。控制不平整度。掺气、通气。选用抗空蚀材料。1.不平整度的控制要求 水工隧洞设计规范（SL2792002）提出，过流表面的不平整度控制和处理要求应根据水流空化数的大小确定，见表81。第7页/共

7、20页表81 81 表面不平整度控制和处理标准 碧口右岸泄洪洞：在v=36m/sv=36m/s处，水流的【】3mm3mm，水流的为【】7mm7mm，流速为28m/s28m/s的部位，相应为【】4mm4mm、【】7mm7mm，磨平i=1/50i=1/50；刘家峡泄洪洞：空蚀破坏后修复时，水流【】2mm2mm，水流【】4mm4mm，超过者要求处理，磨平i=1/501/100i=1/501/100。这样的要求是相当严格的。第8页/共20页2.掺气减蚀设施 当v3540m/s时，对不平整体的处理，花费多，且施工也难达到要求。20世纪60年代初以来，不少国家采用掺气减蚀设施。如：格兰峡、黄尾、麦加泄洪洞

8、。【中】冯家山、乌江渡、石头河、石砭峪泄洪洞，其中，冯家山、乌江渡等泄洪洞还进行过原型观测，证明掺气减蚀效果十分显著。第9页/共20页图820 黄尾泄洪洞掺气槽布置（单位：m）1掺气槽；2挑坎，高度从洞底至水平中心线以上3.8cm处，由7.6cm渐变到0第10页/共20页 【USA】黄尾泄洪洞反弧末端Z=147.7m，D=9.75m，1967年泄洪时多处遭到空蚀破坏，其中，最严重的一段是在龙抬头反弧段下游，坑长14m，宽5.95m，深2.14m，穿入岩层。后在反弧起点上游4.9m处设一道掺气槽并将破坏部位回填修补，经1969、1970年两次过水原型观测，再未发生空蚀破坏。冯家山左岸泄洪洞是我国

9、首先在隧洞中采用掺气设施的试点工程，该隧洞反弧处流速达29.6m/s，在反弧上切点上游6.4m处设上掺气槽，在下切点处设0.3m高的掺气挑坎。后经三次放水进行原型观测，虽布置了一些人工突体，经声测，监听到突体下游已发生空穴，但事后检查，没有任何空蚀痕迹。第11页/共20页 石头河泄洪洞最大泄量为850m3/s，反弧末端的水头为93.25m，最大流速为40.6m/s，其掺气设施的布置见图821，上掺气槽设于反弧起点前9.37m处，在反弧末端设下掺气槽。根据水工模型试验，在各级流量下，掺气槽均能充分供气，形成稳定的空腔，自1981年运行以来，效果良好。第12页/共20页图821 石头河泄洪洞掺气槽

10、布置（单位：m）1通气孔；2掺气槽第13页/共20页 根据试验，掺气量为2%左右时，其空蚀破坏就可减轻至清水情况的1/10，而掺气量达到7%8%时，就足以消除空蚀。最常用的掺气设施如图822所示，其中，（a）为上游边设挑坎的组合掺气槽（简称掺气槽）、（d）为挑坎跌坎式、（e）为突扩突跌式。掺气设施一般都设在过流底面的边界上（图820，图821），这不仅可以防止底板的空蚀，也能对边墙起减蚀作用。两侧边墙设置挑坎或突扩掺气，会形成水翅，恶化流态。但突扩突跌掺气可与偏心铰弧形闸门的压紧止水门框相结合图822（e），如：东江水电站右岸二级放空洞两侧突扩0.4m，底部跌坎0.8m；努列克第三层导流洞偏心

11、铰弧形门处两侧突扩0.5m，底部跌坎0.6m。第14页/共20页图822 常用的掺气设施类型（a）掺气槽式；（b）挑坎式；（c）跌坎式；（d）挑坎跌坎式；（e）突扩突跌式第15页/共20页 掺气槽和挑坎布置简单，施工方便，掺气槽和挑坎布置简单，施工方便，可用于改建工程或新建工程。黄尾泄洪洞可用于改建工程或新建工程。黄尾泄洪洞修复时就采用了掺气槽，我国的冯家山、修复时就采用了掺气槽，我国的冯家山、石头河、乌江渡等工程采用了掺气槽和挑坎。跌坎及突扩石头河、乌江渡等工程采用了掺气槽和挑坎。跌坎及突扩突跌式掺气设施一般只适用于新建工程。突跌式掺气设施一般只适用于新建工程。掺气设施要起到减蚀作用，应当做

12、到：掺气设施要起到减蚀作用，应当做到：有足够的通气量；有足够的通气量；在设计运行的水头范围内能形成稳定的空腔，保证在设计运行的水头范围内能形成稳定的空腔，保证供气；供气；水流流态较平稳，不影响正常运行；水流流态较平稳，不影响正常运行；空腔内不出现较大的负压，一般负压不超过空腔内不出现较大的负压，一般负压不超过0.5m0.5m水水柱。柱。第16页/共20页 挑坎单独使用或与掺气槽结合时，其高度多在挑坎单独使用或与掺气槽结合时，其高度多在585 585 cmcm，有的资料认为高度为最大水深的，有的资料认为高度为最大水深的1/151/121/151/12时较好，时较好，一般情况下单宽流量大时采用较高

13、的挑坎。挑坎的挑角可一般情况下单宽流量大时采用较高的挑坎。挑坎的挑角可取取5757。当挑坎与跌坎结合时，挑坎高度可采用当挑坎与跌坎结合时，挑坎高度可采用1020cm1020cm。掺气槽以通气顺畅，满足通气孔出口布置为。掺气槽以通气顺畅，满足通气孔出口布置为准，常用梯形断面。准，常用梯形断面。跌坎高度在跌坎高度在0.62.75m0.62.75m之间，也有更高的跌坎如之间，也有更高的跌坎如麦加泄洪洞反弧末端的跌坎高达麦加泄洪洞反弧末端的跌坎高达4.33m4.33m。第17页/共20页突扩突跌掺气设施若与偏心铰弧形闸门门框相结合，侧向突扩还要满足压紧止水门框的要求。一般两侧各突扩0.41.0m，也有

14、达到1.5m的，大多数每边扩宽与孔宽之比在0.060.16范围内。据研究，为保证供气畅通并减小水翅高度，每边扩宽与孔宽之比以在0.060.09范围为好。掺气跌坎的下游宜采用较大的坡度，以避免低水位时回水填满底部空腔，但也不能过陡，否则将产生较强的冲击波，恶化流态。因此，有人建议可在1.5倍空腔长度的范围内将坡度变陡，其后再接较缓的底坡。图823为石砭峪泄洪洞掺气跌坎的布置，跌坎高95cm，跌坎下游30m以内的底坡i=0.143，30m以外，i=0.095。第18页/共20页掺气设施的通气量 根据冯家山、乌江渡等工程原形观测通气量资料的统计，当qw=10220m3/(sm)时，通气系数=qa/qw=0.70.045。qw虽变化幅度较大而qa却在710 m3/（sm）范围内。通气孔的面积可用式（85）计算。式中 Qa总通气量，等于Bqa，m3/s，B为过水断面的宽度，m；通气孔的风速系数，常用0.670.820.670.82；、水及空气的密度，空腔中的允许负压值，应不超过0.5m0.5m水柱。通气孔中的风速【v】60m/s。第19页/共20页感谢您的观看！第20页/共20页