无压隧洞平面转向水流衔接建筑物的制作方法

本发明涉及水利水电工程，具体为一种施工方便，过弯后水流平面平稳的无压隧洞平面转向水流衔接建筑物。

背景技术：

水利水电工程中，无压隧洞是经常使用的一种泄水建筑物。一般地，对于高流速无压隧洞平面上应布置为直线，但受实际工程地形地势的限制，通常的无压泄洪隧洞在平面上都需要通过具有一定转弯半径的圆弧来实现隧洞轴线的转向。而对于转弯段来说，一方面因为平面转弯设置的弯道对于施工来说具有较大的难度；另一方面由于隧洞内水流通常都处于急流状态，过流壁面的变化将产生菱形冲击波并向下游传播，造成下游直段洞室内水面波动较大；同时，急流在转弯段内受离心力的作用，将使得弯道内水面呈外侧高而内侧低的流态，严重时外侧水面甚至超过拱顶最高点并向内侧翻转，严重威胁洞室的结构安全，因此有必要寻求改善平面弯道水流流态的方法。

目前解决此问题的途径主要有两种：第一种是将无压隧洞平面弯道前设计为有压流，平面弯道结束位置设置工作闸门，然而该法除了造成平面弯道前的工程量大幅增加外，还将增加工作闸门井的工程量及其后期的运行难度。第二种是目前导流隧洞后期改建成无压隧洞常用的一种方式，即采用进水口后增设竖井旋流消能工的方法，然而旋流竖井消能工的工程量往往较大，尤其对于一些中小型水利水电工程来说很不经济。ZL101871204A公布了一种明流泄洪洞平面弯道的压顶方法，该法能够有效降低急流弯道外侧水面高度并显著减弱流出弯道进入下游直段的水流自由面波动，但是该方法并没有解决平面弯道转弯施工困难的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的就是现有无压隧洞的转弯段施工难度高，危险系数大的问题，提供一种施工方便，过弯后水流平面平稳的无压隧洞平面转向水流衔接建筑物。

本发明的无压隧洞平面转向水流衔接建筑物，设置在泄洪洞的转弯段，其特征在于该衔接建筑物包括上游直流段、消力池、有压段以及下游直流段，上游直流段设置在转弯段上游入口处，下游直流段设置在转弯段下游出口处，消力池入水口与上游直流段出水口连接，有压段出水口与下游直流段连接，有压段进水口与消力池出水口连接，有压段与消力池之间夹角α为钝角，消力池出水口设置在消力池尾端下部。

所述的消力池尺寸计算方法如下：

1）上游直流段水深为h₀，水流刚进入消力池时发生水跃现象前水深为h₃，水跃现象产生后水深为h₄，上游直流段底部与消力池底部高度差为a ，则h₃=（0.6～0.9）h₀+a ，根据水跃方程计算h₄，得到水跃后水深h₄；

2）上游直流段宽度为b ，计算水跃长度L₁，， 消力池出水口宽度B=b/sinα；

3）根据上述计算，得到消力池高度H=（1.1～1.4）h₄，消力池长度L=（0.7～0.8）L₁+B 。

根据上述计算，可以保证消力池尾端下部衔接的有压孔口始终处于淹没状态，消力池池长L通常取大值；衔接于消力池尾部的有压段进水口安装于水跃发生完全后的近似静水区域。

所述的有压段进水口高度h₁=（0.4～0.8）h₄，出水口高度h₂通过有压流流量计算公式Q=μbh₂（2gh₄）^0.5，反算得到，其中Q为流量，μ为孔口流量系数，通常取0.7～0.8，g为重力加速度，取9.81m/s²，有压段长度S=（4～10）h₂。

所述的消力池顶部还设置有补气孔，补气孔半径R为（0.05～0.25）b ，由于消力池自由表面需要掺入大量的空气，而水工隧洞往往都位于山体内部，所以需要在消力池顶部开设一定尺寸的孔洞直通外界大气，以满足消力池的吸气需求。

本发明的无压隧洞平面转向水流衔接建筑物，结构简单，设计科学，使用方便，使原本需要通过圆弧曲线实现无压隧洞平面转弯的结构调整为两直洞平面相交的形式，同时下游直段通过有压段与消力池尾端相接，消力池内水体通过有压段后自由面基本与底板平行，从而有效克服了常规无压隧洞通过弯道实现平面转向而造成的内外两侧水面高差较大的问题；同时，由于本发明提出的用消力池取代常规无压隧洞圆弧转弯结构，大大减小了洞室的施工难度；另外，消力池结构也能够较大程度地实现水体的能量耗散，提高泄洪隧洞的消能效率，控制无压隧洞的水流流态。

附图说明

图1为本发明结构立体结构示意图。

图2为本发明平面结构示意图。

图3为本发明结构俯视图。

图4为本发明水流流态示意图。

其中，上游直流段1，补气孔2，消力池3，有压段4，下游直流段5，自由水面6。

具体实施方式

实施例1：一种无压隧洞平面转向水流衔接建筑物，设置在泄洪洞的转弯段，该衔接建筑物包括上游直流段1、消力池3、有压段4以及下游直流段5，上游直流段1设置在转弯段上游入口处，下游直流段5设置在转弯段下游出口处，消力池3入水口与上游直流段1出水口连接，有压段4出水口与下游直流段5连接，有压段4进水口与消力池3出水口连接，有压段4与消力池3之间夹角α为钝角，消力池3出水口设置在消力池3尾端下部。

消力池3尺寸计算方法如下：

1）上游直流段1水深为h₀，水流刚进入消力池3时发生水跃现象前水深为h₃，水跃现象产生后水深为h₄，上游直流段1底部与消力池3底部高度差为a ，则h₃=（0.6～0.9）h₀+a，根据水跃方程计算h₄，得到水跃后水深h₄，其中q 为单宽流量

2）上游直流段1宽度为b ，计算水跃长度L₁，， 消力池3出水口宽度B =b/sinα；

3）根据上述计算，得到消力池3高度H=（1.1～1.4）h₄，消力池3长度L=（0.7～0.8）L₁+B。

根据上述计算，可以保证消力池3尾端下部衔接的有压孔口始终处于淹没状态，消力池3池长L通常取大值；衔接于消力池3尾部的有压段4进水口安装于水跃发生完全后的近似静水区域。

有压段4进水口高度h₁=（0.4～0.8）h₄，出水口高度h₂通过有压流流量计算公式Q=μbh₂（2gh₄）^0.5，反算得到，其中Q为流量，μ为孔口流量系数，通常取0.7～0.8，g为重力加速度，取9.81m/s²，有压段4长度S=（4～10）h₂；

消力池3顶部还设置有补气孔2，补气孔2半径R为（0.05～0.25）b ，由于消力池3自由表面需要掺入大量的空气，而水工隧洞往往都位于山体内部，所以需要在消力池3顶部开设一定尺寸的孔洞直通外界大气，以满足消力池3的吸气需求。

无压洞室为城门洞断面型式，直墙高4.2m，洞宽b =4.2m，拱顶半径2.2m，圆心角142°，上下游洞室直段平面交角α=134°，上游直流段1内水深h₀为3.0m，消力池3跌坎a 为2.0m，补气洞内径R =1.0m，流量Q=80m³/s，从而得到单宽流量q =19.05m³/（m·s）。跃前水深h₃=2.5m，通过计算得到跃后水深h₄=4.3m，消力池3高度H=6m；水跃跃长L₁=36.12m，另外消力池3出水口宽度B= b/sinα=5.8m，从而可得整个消力池3长度L =33.8m；有压段4进水口下缘与消力池3底板同一高度，有压段4出口高度h₁取0.6h₄为7.0m，有压段4出口高度h₂按计算得到为2.756m，取2.8m，其中流量系数μ取0.75，有压段4长度S取5h₂=14.0m，补气洞半径R=0.1b =0.42m。