变半径螺旋泄洪洞的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程中消能技术领域，具体涉及一种用于高水力学参数的泄洪洞。
【背景技术】
[0002]高坝泄洪消能是确保大型水利工程防洪度汛的重要技术。传统高坝泄洪消能通常采用直线或多段直线与圆弧相连接布置的泄洪洞，或直接修建陡槽溢洪道的方式来消能。但对于河谷为V形或河谷狭窄、且两岸山体陡峭的地形地质条件，布置传统的直线或者多段直线与圆弧相连接的泄洪洞会由于洞身较短，水流在流动过程中不能充分消能，从而导致洞尾流速和水流出口流速较大，下游布置消能方式困难而危及河道安全等问题。而采用直接修建陡槽溢洪道时，也会因为下游和陡槽末端流速大，下游泄洪消能设施易破坏等问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种变半径螺旋线泄洪洞，以降低泄洪洞出口流速，提高消能率，并保证下游河道安全。
[0004]本发明所述变半径螺旋泄洪洞，设置在水库坝体侧面的山体内，变半径螺旋泄洪洞的上游端位于山体的上部、下游端位于山体的下部，变半径螺旋泄洪洞的上游端与将水库中的水引入泄洪洞的上游引水道衔接，变半径螺旋泄洪洞的下游端与将泄洪洞中的水引入下游河道的下游引水道衔接。
[0005]上述变半径螺旋泄洪洞，其轴线为圆锥形螺旋线，所述圆锥形螺旋线位于山体上部的顶圈的半径小于位于山体下部的底圈的半径。
[0006]上述变半径螺旋泄洪洞，圆锥形螺旋线轴线的起始半径(R)为20m?25m。圆锥形螺旋线上各点的半径根据方程X = a a cos ( a )，y = a a sin( a )，z = b α确定，其中，α为圆锥形螺旋线上某点和初始点之间的旋转角度，a、b为控制圆锥形螺旋线形状的参数，b/a为螺旋线所属圆锥体母线的斜率，根据实际地形地质条件选择。
[0007]上述变半径螺旋泄洪洞，其螺距Λ X为30m?50m。
[0008]上述变半径螺旋泄洪洞，坡降i为0.05?I。为避免下部流速较大，泄洪洞可采用变坡降，上部坡降较下部坡降小，上部坡降0.05 < i < 0.3，下部水流由于上游水流紊动强烈，坡降可以进一步增大到0.3 < i < 1，但需保证轴线平滑链接，避免出现水流与泄洪洞底部分呙。
[0009]上述变半径螺旋泄洪洞，泄洪洞的底面为水平面或向山体外侧倾斜的斜面，若为向山体外侧倾斜的斜面，其与水平面夹角Θ可以依据水流流速调整，优选为Θ <30°。
[0010]上述变半径螺旋泄洪洞，所述变半径螺旋泄洪洞的截面为城门洞形，宽度b为5m?10m，高度h为6m?8m，也可选用马蹄形断面。
[0011]上述变半径螺旋泄洪洞，下游引水道的下游端可设置挑坎。
[0012]上述变半径螺旋泄洪洞，泄洪洞轴线的旋转方向需要根据泄洪洞的布置位置及泄洪洞出口与下游河道的关系确定，要求泄洪洞出口水流流速与原河道水流流速小角度相交，保证水流平顺进入下游河道。同时泄洪洞布置需要选取地质条件，避免局部出现冲击波对岩体及地下洞室群造成不利影响。
[0013]为避免上述泄洪洞出现明满流交替的不利现象，洞顶高度需要依据充分掺气水深与洞顶预留余幅设计。当下游流速过大时，需要在泄洪洞底部设置掺气坎和通风井，保证安全运行。
[0014]上述泄洪洞随轴线各横截面的形状和面积可以相同，也可以根据实际水深的发展逐渐扩大。
[0015]采用本发明所述泄洪洞泄洪，水流通过上游引水道进入螺旋泄洪洞，在泄洪洞中旋转流动进入下游引水道，经下游引水道流入下游河道内。由于是螺旋线结构，减小了坡降，增大泄洪洞长度，减小下游流速，因而可提高消能效果。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]1、本发明所述变半径螺旋泄洪洞设置在水库坝体侧面的山体内且轴线为螺旋线，因而占用地表空间小，并能增加洞身长度，从而增加水流能量的沿程损失，降低水流末端流速，减小水流的比降，较地表陡槽溢洪道α>1)的消能率和陡坡泄洪洞α>1)的消能率提高50%?70%。
[0018]2、由于本发明所述变半径螺旋泄洪洞下游和水流出口的流速较陡槽溢洪道或直线泄洪洞低，因而下游冲坑深度减小，消力池底板的稳定性提高，有利于枢纽的安全及下游河道的安全。
[0019]3、本发明所述变半径螺旋泄洪洞可根据地质条件灵活设计，避开不利地质条件，避免长距离直线泄洪洞所遇到的地质条件复杂难以处理的问题，通过各层变坡度，变半径调节工程量，使整个工程开挖量达到最优，同时可配合地下洞室分布进行布置，避免泄洪震动对地下洞室群的影响，并利用地下交通洞进行多段施工，缩短工期，因此能综合提高工程经济性。
【附图说明】
[0020]图1是本发明所述变半径螺旋泄洪洞的结构示意图和工程布置图。
[0021]图2是图1中所述泄洪洞的俯向透视图。
[0022]图3是图2的B-B剖视展开图。
[0023]图4是图2的A-A剖视图。
[0024]图5是本发明所述变半径螺旋泄洪洞的底面为水平面的城门洞形截面图。
[0025]图6是本发明所述变半径螺旋泄洪洞的底面为向山体外侧倾斜的斜面的城门洞形截面图。
[0026]图7是本发明所述变半径螺旋泄洪洞进口起始段的局部图。
[0027]图中，I一一山体、2—一变半径螺旋泄洪洞、3—一上游引水道、4一一下游引水道、5一一挑坎、6—一下游河道、7一一上游水库、h一一泄洪洞高度、b一一泄洪洞宽度、R—泄洪洞轴线起始半径、α—一螺旋线上某点与初始点之间的旋转角度、ΛΧ—一泄洪洞的螺距、Θ —一泄洪洞底面与水平面的夹角。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图通过实施例对本发明所述变半径螺旋泄洪洞作进一步说明。
[0029]实施例1和对比例I的工程概况如下:
[0030]某电站修建在V形河谷之中，两岸山体陡峭，地质地形条件复杂，要求泄洪洞入口高程1061m，出口高程951m，落差为110m，泄洪流量为420m3/s。
[0031]针对上述工程，进行了实施例1和对比例I两种泄洪洞布置的水工模型试验。
[0032]实施例1
[0033]本实施例采用变半径螺旋泄洪洞，结构如图1、2、3、4所示，所述变半径螺旋泄洪洞2设置在水库坝体侧面的山体I内，变半径螺旋泄洪洞的上游端位于山体I的上部、下游端位于山体I的下部，变半径螺旋泄洪洞的上游端与将水库中的水引入泄洪洞的上游引水道3衔接，变半径螺旋泄洪洞的下游端与将泄洪洞中的水引入下游河道6的下游引水道4衔接。所述变半径螺旋泄洪洞2的轴线为圆锥形螺旋线，该圆锥形螺旋线位于山体上部的顶圈的半径小于位于山体下部的底圈的半径，其山体上部的起始半径R为20m，山体下部的底圈半径为60m，螺旋线上各点半径根据方X = 3.18 a cos ( α )，y = 3.18 a sin ( α )，ζ =
5.84 α确定。泄洪分三层布置，各层螺距ΛΧ = 36.7m，坡降i为0.05。泄洪洞横截面为城门洞形，底面为水平面(见图5)，洞宽b = 5m，洞高h = Sm，所述下游引水道4的下游端设置有挑坎5，将水流挑流到下游河道6中消能。
[0034]试验结果:上游开始泄洪，变半径螺旋泄洪洞过流量为420m3/s时，泄洪洞内紊动强烈，水气交换作用强，此时测得泄洪洞出口的水流流速为21.67m/s，下游挑流水舌距离河道对岸距离为23.6m。
[0035]对比例I
[0036]本对比例采用直线泄洪洞布置，泄洪洞坡降为0.3。泄洪洞横截面