3)彎道消力池進口斜坡坡度與水流入射角度一致，可通過模型試驗進行觀測確 定。在進口斜坡下部布設臺階，臺階高度為1/2~3/4消力池池深；
[0070] 4)彎道消力池寬度與隧洞洞身一致；
[0071] 5)彎道消力池出口斜坡段應布置在下游直線段上。消力池出口斜坡段同樣布設臺 階狀斜坡，臺階高度宜為消力池池深的1/2,斜坡坡度一般為1:3或1:4。
[0072] 6)以上布置完成后，計算消力池總長；
[0073] 彎道消力池中的水力現(xiàn)象有順彎道軸線方向的水躍、垂直彎道軸線方向的彎道平 衡水面、垂直沖擊波擾動線方向的沖擊波，這三種水力現(xiàn)象相互疊加、形成復雜的彎道消力 池水流運動，從工程應用角度，彎道消力池內(nèi)某處的水深可以認為是這三種水力現(xiàn)象的線 性置加；
[0074] 對于彎道消力池躍前水深，可以采用棱柱體渠道消力池躍前水深；
[0075] 對于彎道消力池躍后水深，可以采用直道消力池躍后水深、彎道平衡水面超高、沖 擊波超高三者的線性疊加；
[0076] 彎道消力池的計算公式：
[0085] 式中dw--彎道消力池深度（m);
[0086] σ。--水躍淹沒系數(shù)，采用1. 05~I. 10 ;
[0087] h。/ 一一彎道消力池躍后水深（計入彎道平衡水面超高、沖擊波超高）（m);
[0088] K" 一一棱柱體渠道消力池躍后水深（m);
[0089] Ahp一一彎道躍后斷面平衡水面超高（m);
[0090] r〇--彎道轉彎半徑（m);
[0091] V一一彎道躍后斷面平均流速（m/s);
[0092] Ahj--彎道躍后斷面沖擊波水面超高（m);
[0093] k--沖擊波超高系數(shù)，彎道消力池軸線為簡單圓曲線時k = 1 ;彎道消力池軸線 為前后帶有過渡圓弧段的三段復合圓弧曲線時k = 0. 2 ;
[0094] hc--彎道躍前斷面收縮水深（m);
[0095] α--水流動能校正系數(shù)，可采用I. 0~1. 05 ;
[0096] q--過閘單寬流量（m2/s);
[0097] Id1-一彎道矩形消力池首端寬度（m);
[0098] b2一一彎道矩形消力池末端寬度（m);
[0099] T0一一由彎道消力池底板頂面算起的總勢能（m);
[0100] Δ Z--彎道消力池出池水位落差（m);
[0101] hsr 一一彎道消力池出池出池隧洞水深（m);
[0102] 彎道消力池長度計算公式：
[0105] 式中Lsj--彎道消力池長度（m);
[0106] Ls一一彎道消力池斜坡段水平投影長度（m);
[0107] β 一一水躍長度校正系數(shù)，可采用0· 7~0· 8 ;
[0108] Lj--水躍長度（m)。
[0109] 下邊通過工程實例來進一步說明本發(fā)明的效果。
[0110] 本發(fā)明在松江河梯級雙溝水電站生態(tài)流量泄放工程取得了成功的應用，生態(tài)流量 泄放工程下泄流量為4. 4m3/s，隧洞內(nèi)為無壓隧洞，隧洞洞徑為I. 5m，轉彎半徑為6. 0m，轉彎 角為99. 5°，即工程設計曲線段轉彎半徑與洞徑之為4,小于《規(guī)范》規(guī)定的轉彎半徑與洞 徑之為不小于5,轉彎角度大于《規(guī)范》規(guī)定的轉彎角度不大于60°。
[0111] 在兩種工況下運行，工況一為死水位567. 0m，弧門全開，工況二為正常蓄水位 585. 0m，弧門開度為20cm，下文簡稱工況一、工況二。在工況二下水流出閘時最大流速為 18. 9m/s，屬高速水流，根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，高速水流無壓隧洞不宜布設曲線段。
[0112] 采用專利方法后，其詳細布置圖見圖1和圖2。主要尺寸確定方法如下：
[0113] 1)消力池上游要與弧門支鉸距離為2. Om以上，消力池進口斜坡段起點為粧號 0+006. 48m ；
[0114] 2)通過計算彎道消力池的池深為2m ;
[0115] 3)彎道消力池進口斜坡段坡度為1:5. 4,斜坡段粧號為0+006. 48m~0+009. 18m， 臺階高I. 5m ;
[0116] 4)彎道消力池寬度與隧洞洞身一致；
[0117] 5)彎道消力池出口斜坡段布置在彎道下游直線段上，粧號0+020.09m~ 0+023. 09m ；
[0118] 6)彎道消力池出口斜坡段布設臺階狀，臺階高度為I. 00m，斜坡坡度為1:3。
[0119] 7)通過計算，彎道消力池池長為16. 61m，粧號為0+006. 48m~0+023. 09m
[0120] 在原方案（不采用本發(fā)明）布置兩個工況條件下，從流態(tài)上來看，彎道段及下游均 發(fā)生折沖水流，水流左右擺動頂沖兩側邊墻，特別是在工況二條件下，折沖水流已頂沖至洞 頂，對隧洞的穩(wěn)定極為不利。原方案布置兩個工況條件下水流流速及分布見附表、附圖3、 附圖4。
[0121] 在采用本發(fā)明方法后，消力池進口水流沿斜坡段下泄，水舌下無空腔，彎道段及下 游均不發(fā)生折沖水流，彎道下游流態(tài)穩(wěn)定。消力池出口水位無明顯壅高。
[0122] 測得采用專利方法后兩工況下水流流速及分布見附表、附圖5、附圖6。在采用專 利方法后，在工況一條件下，為淹沒面流式消能，水躍躍首上溯至消力池上游0+006. 48m附 近，與弧門鉸距離2. 23m。與原方案相比，0+008. OOm至0+014. OOm流速降低了約32. 6%~ 68. 5%，0+027. 50m 至 0+033. 50m 流速降低了約 3· 4%~47. 6%。
[0123] 采用專利方法后，在工況二條件下，水流沿斜坡射入消力池底部，水躍躍首位于 0+008. OOm附近，斷面最大流速為14. 59m/s ;水流進入消力池后翻滾，形成大尺度漩渦，流 速明顯下降，〇+〇 11. OOm附近，斷面最大流速為9. 43m/s ;0+008. OOm至0+011. OOm流速降低 了約 11. 9% ~59. 5% ;0+023· 09m ~0+030. 50m 范圍內(nèi)流速在 3. 00m/s 左右，0+027. 50m 至0+030. 50m流速降低了約44. 3 %~79. 5 %，0+030. 50m下游流速降低了約10. 2 %~ 69. 8%，在0+039. 50斷面開始，水流趨于平穩(wěn)，向均勻流過渡。
[0124] 在兩種工況下，消力池內(nèi)大量的摻氣水體使水位略有壅高，原洞高可滿足凈空為 15%的要求，經(jīng)過一段距離調(diào)整后水面線保持平穩(wěn)。
[0125] 從測試結果來看，水流在進入消力池后，流速大幅降低，在工況二條件下，流速降 低了約11. 9%~79. 5%，彎道段及下游均不發(fā)生折沖水流，彎道下游流態(tài)穩(wěn)定，專利方法 是改善改善隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的有效途徑。
[0126] 附表采用專利方法前后兩種工況下各斷面流速值單位:m/s
[0127]
[0128] 備注：流速為斷面底、中、表中最大流速值。
【主權項】
1. 一種改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的方法，其特征在于包括下列步驟： (1) 彎道消力池進口斜坡段必須布置在隧洞直線段上，但要與工作閘門保持一定的距 離，為避免低水頭運行下淹沒混合流水躍上溯至工作閘門，消力池進口斜坡段要與弧門支 鉸距離2. Om以上； (2) 通過推導出的彎道消力池計算方法計算消力池的池深； (3) 彎道消力池進口斜坡坡度與水流入射角度一致，可通過模型試驗進行觀測確定。在 進口斜坡下部布設臺階，臺階高度為1/2~3/4消力池池深； (4) 彎道消力池寬度與隧洞洞身一致； (5) 彎道消力池出口斜坡段應布置在下游直線段上。消力池出口斜坡段同樣布設臺階 狀斜坡，臺階高度宜為消力池池深的1/2,斜坡坡度一般為1:3或1:4 ; (6) 以上布置完成后，計算消力池總長； 所述彎道消力池的計算公式：式中dw-一彎道消力池深度（m); 。〇--水躍淹沒系數(shù)，可采用1. 05~1. 10 ; hCT" -一彎道消力池躍后水深（計入彎道平衡水面超高、沖擊波超高）（m); h。" 棱柱體渠道消力池躍后水深（m); Ahp一一彎道躍后斷面平衡水面超高（m); r〇一一彎道轉彎半徑（m); V一一彎道躍后斷面平均流速（m/s); Ahj一一彎道躍后斷面沖擊波水面超高（m); k一一沖擊波超高系數(shù)，彎道消力池軸線為簡單圓曲線時k = 1 ;彎道消力池軸線為前 后帶有過渡圓弧段的三段復合圓弧曲線時k = 0. 2 ; hc一一彎道躍前斷面收縮水深（m); α 一一水流動能校正系數(shù)，可采用I. 0~1. 05 ; q--過閘單寬流量（m2/s); --彎道矩形消力池首端寬度（m); b2一一彎道矩形消力池末端寬度（m); T0一一由彎道消力池底板頂面算起的總勢能（m); Δ Z--彎道消力池出池水位落差（m); h，一一彎道消力池出池出池隧洞水深（m); 所述彎道消力池長度計算公式：式中Ls]-一彎道消力池長度（m); Ls一一彎道消力池斜坡段水平投影長度（m); β -一水躍長度校正系數(shù)，可采用〇. 7~0. 8 ; Lj--水躍長度（m)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的方法，屬于改善無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)的工程方法。彎道消力池進口斜坡段必須布置在隧洞直線段上，通過推導出的彎道消力池計算方法計算消力池的池深；彎道消力池進口斜坡坡度與水流入射角度一致，在進口斜坡下部布設臺階，彎道消力池寬度與隧洞洞身一致；彎道消力池出口斜坡段應布置在下游直線段上，消力池出口斜坡段同樣布設臺階狀斜坡，臺階高度宜為消力池池深的1/2，計算消力池總長。本發(fā)明改善了無壓隧洞內(nèi)急彎段高速水流流態(tài)，同樣可改善無壓隧洞各種彎道高速水流的水流流態(tài)或中、低速水流急彎段的水流流態(tài)，使無壓隧洞曲線布置更為靈活，具有很好的實用性和應用前景。
【IPC分類】E02B8/06
【公開號】CN105350502
【申請?zhí)枴緾N201510916535
【發(fā)明人】蘇加林, 郭學仲, 王德庫, 宗原, 王智, 高垠, 李旭光, 王超, 姜雪賓, 李小平, 王美懿, 包長才, 李廣一, 趙青, 尹明玉, 趙立勇, 賀延國, 李強, 韓爽, 于洪利, 鄧顯羽, 肖家祥, 金賢, 任會
【申請人】中水東北勘測設計研究有限責任公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年12月10日