阅读说明：本技术 一种改善水电站尾水隧洞明满流影响的逆坡堰结构 (Improve power station tailrace tunnel open-full flow influence's adverse slope weir structure ) 是由 陈益民 杨飞 孙洪亮 侯博 戴熙武 纪昌知 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种改善水电站尾水隧洞明满流影响的逆坡堰结构,尾水隧洞由导流洞改建,在尾水隧洞出口设置逆坡堰结构,逆坡堰结构上游迎水面采用逆坡流线形式,逆坡堰顶高程高于隧洞出口底板；逆坡堰下游河床高程不高于逆坡堰堰顶高程。本发明可以避免尾水隧洞明满流对隧洞衬砌结构的危害及对输水系统运行稳定性的影响,并且工程量小。(The invention provides an adverse slope weir structure for improving the influence of open-full flow of a hydropower station tail water tunnel, wherein the tail water tunnel is reconstructed by a diversion tunnel, an adverse slope weir structure is arranged at the outlet of the tail water tunnel, the upstream surface of the adverse slope weir structure adopts an adverse slope streamline form, and the elevation of the adverse slope weir top is higher than the bottom plate of the tunnel outlet; the elevation of the riverbed at the downstream of the adverse slope weir is not higher than the elevation of the weir top of the adverse slope weir. The invention can avoid the damage of the open-full flow of the tailrace tunnel to the tunnel lining structure and the influence to the operation stability of the water delivery system, and has small engineering quantity.)

一种改善水电站尾水隧洞明满流影响的逆坡堰结构

技术领域

本发明涉及一种改善水电站尾水隧洞明满流流态影响的逆坡堰结构。适用于水利水电工程领域。

背景技术

大型地下厂房式水电站，为节省工程投资，减小地下岩体开挖率，有效地维护岩体的完整性和稳定性。常采用尾水隧洞结合导流洞布置的形式，将导流洞改建为电站尾水隧洞，例如溪洛渡、二滩、乌东德和石门坎等水电工程。由于导流洞所承担的工程任务要求，一般底板高程较高，而电站尾水位的高低，受水库泄洪和发电流量的影响，水位变幅较大，当尾水位较低时，在水电站过渡过程中，尾水洞内发生明满流交替现象是不可避免的。

明满流交替的水流现象流态复杂，洞内时而有压，时而无压，并截留气囊，随水流运动，伴随压力脉动现象。较大的瞬变压力易导致隧洞结构破坏，同时也会影响电站运行的稳定性。为了确保发电输水系统建筑物和机组安全稳定运行，需要研究并采取明满流现象的改善措施。目前常用的改善方法主要有设置通气孔、缩短由导流洞改建的尾水隧洞长度及设置尾水调压室隔断影响。设置通气孔可以有效改善明满流引起的负压问题，从而减轻了脉动压力对衬砌结构的影响，但影响范围有限，需要设置较多通气孔。缩短由导流洞改建的尾水隧洞长度与最初利用导流洞改建尾水隧洞的目的相矛盾，设置尾调隔断可以减轻明满流现象对机组稳定性的影响，但造价很高，尾水隧洞不是特别长的情况下不会设置调压室。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，设计一种改善水电站尾水隧洞明满流影响的逆坡堰结构，以避免尾水隧洞明满流对隧洞衬砌结构的危害及对输水系统运行稳定性的影响，并且工程量小。

本发明所采用的技术方案是：一种改善水电站尾水隧洞明满流流态影响的逆坡堰结构，尾水隧洞由导流洞改建，其特征在于：在尾水隧洞出口设置逆坡堰结构，逆坡堰结构上游迎水面采用逆坡流线形式，逆坡堰顶高程高于隧洞出口底板；逆坡堰下游河床高程不高于逆坡堰堰顶高程。

进一步地：逆坡堰应设置在尾水隧洞出口明渠段。

进一步地：逆坡堰堰顶高程不超过尾水洞高度的三分之一。

当尾水位较低时，由导流洞改建的尾水隧洞内会发生明满流现象，

本发明在明满流尾水隧洞出口设置逆坡堰，当尾水位较低时，可以抬高尾水洞内水位，从而防止过渡过程工况下，明满流现象传播至导流洞改建段上游的缓坡洞段内，可以有效减小明满流现象发生的范围，从而减轻其对尾水隧洞衬砌结构及机组稳定性的影响。

本发明在明满流尾水隧洞出口设置逆坡堰，当尾水位较低时，正常发电运行工况(恒定流)下，尾水隧洞出口流态为跌水，下游库水位对洞内流态没有影响。而常规平坡出口方案，尾水洞内水位会受下游尾水位波动影响，从而影响尾水隧洞内流态及输水系统稳定性。

本发明在明满流尾水隧洞出口设置逆坡堰，可以增大尾水连接管进口负压极值，例如某工程应用本发明，尾水管进口负压极值增大2.86m，由原来的-0.9m增大到1.96m，改善效果非常明显，规范要求极值为-8.0m，应用本发明可以有效减小发生抬机等重大安全事故几率。

本发明在明满流尾水隧洞出口设置逆坡堰，可以增大尾水调压室最低涌浪水位，某工程应用本发明，尾水调压室最低涌浪比平坡出口方案高3.94m，规范要求尾水调压室最低涌浪水位至少高于阻抗板2.0m。所以本发明可以改善尾水调压室最低涌浪条件，进而避免尾水调压室出现露底的可能。

本发明要求逆坡堰下游河床高程不高于堰顶高程即可，可以减小堰后开挖量，节省大量工程投资。

附图说明

图1为输水系统剖面布置示意图。

图2为尾水出口逆坡堰剖面示意图。

其中，1、地下厂房，2、尾水调压室，3、尾水连接管，4、尾水隧洞缓坡段，5、明满流段前结合段(陡坡段)，6、明满流段(由导流洞改建的尾水隧洞)，7、出口逆坡堰，8、尾水隧洞底板，9、下游河床，10、逆坡堰后减少开挖的岩体，11、常规尾水隧洞出口底板(仅示意)

具体实施方式

参照附图，一种改善水电站尾水隧洞明满流流态影响的逆坡堰结构，尾水隧洞6由导流洞改建，在尾水隧洞出口设置高于隧洞出口底板8的溢流堰，所述溢流堰是逆坡堰7，溢流堰的上游迎水面70采用逆坡流线形式，坡堰顶高程高于隧洞出口底板8。当尾水位较低时，由导流洞改建的尾水隧洞6内会发生明满流现象，本发明的结构可以改善明满流现象对电站输水系统的影响。

尾水隧洞出口溢流堰采用逆坡形式，其与常规水库或水闸等泄水的溢流堰对比，剖面结构相反，是逆坡堰7，其结构示意如图2所示。逆坡堰堰面曲线应根据水工设计手册溢流堰体型进行设计，尽量选择流线型，减小水头损失。当尾水位较高时，过渡过程工况下，该逆坡堰会发生正反向水流，流态复杂，应进行模型试验或计算流体动力学仿真研究。

尾水隧洞出口逆坡堰7设置在尾水隧洞出口明渠段，避免水头损失过大，影响过流能力。逆坡堰高度应根据水工模型试验和瞬变流数值计算结果确定，堰顶高程越高，明满流影响范围越小，但对发电水头影响越大，一般不应超过尾水洞高度的三分之一。逆坡堰下游河床高程不高于逆坡堰堰顶高程即可。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的范围内，做出的变化、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。