（３）堰面曲线的设计

根据进口处的实际地形条件，环形溢流堰布设为低堰，堰高Ｈｐ＝０．５ｍ。堰面曲线的设计像一般实用堰和竖井式溢洪道一样，环形堰的形状（漏斗段）是根据锐缘薄壁环堰的水舌下缘剖面绘制。Ｒ堰顶半径为３．３ｍ及Ｈｐ＝０．５ｍ，根据Ｈｐ／Ｒ及定型水头Ｈｄ查《水工设计手册》上的相应表可得的堰面曲线坐标。

２．消力井的初步设计

现行《水工隧洞设计规范》ＳＤ１３４－８４规定，混凝土衬砌隧洞要防止高速水流的冲刷，喷锚衬砌的允许流速，一般不宜大于８ｍ／ｓ。根据动势能转换原理可求得本工程跌落进消力井水舌的入水流速Ｖ＝１６ｍ／ｓ，大于喷锚衬砌的允许流速，接近高速水流的范畴。为减少对隧洞的冲刷，必须采取消能措施进行消能。本工程拟采用的消能措施是消力井。其几何尺寸主要是先根据跌落进池中水流共轭水深和水跃长度初步确定，经计算本工程的共轭水深为４．６ｍ，水跃长度６．４ｍ。考虑到本工程的进口流态较复杂，为保障工程的安全，在设计时考虑充分的消能率，消力池深为５．２１ｍ，直径为８．６ｍ。因此，还需用水力试验来加以研究确定。

３．理论消能率的计算

消能率是评价消能工消能效果的一个指标，其等于经过消能的能量损失与泄洪隧洞进口段总能量之比；而经过消能的能量损失等于该泄洪隧洞进口段总能量减去隧洞进口段总的能量之和。其理论公式可由能量方程：

经计算隧洞洞内在设计水位时的流速为４．１ｍ／ｓ，则消力井的理论消能率为７３％。也就是说跌落进消力井水舌的入水流速Ｖ＝１６ｍ／ｓ的水流，在进洞时其流速接近洞内在设计水位时的流速为４．１ｍ／ｓ，则表明消能较好。在工程布置时还需研究合理可行的消能放涡设施，用于提高其消能率。

四、试验研究

试验主要研究泄洪隧洞单独泄洪和泄洪隧洞与下游河道联合泄洪两种方式。上游河道控制最高水位１０６７ｍ时，泄洪隧洞单独泄洪最大泄流量１００ｍ３／ｓ，泄洪隧洞与下游河道联合泄洪时，最大泄流量１４０ｍ３／ｓ，下游河道控制流量４０ｍ３／ｓ，泄洪隧洞泄洪流量１００ｍ３／ｓ。

水工模型按重力相似准则设计为正态模型，几何比尺采用１∶２０，满足糙率相似。经过对五种方案的试验研究，实测了模型中的各种水力参数、流态和消能特性，并为工程设计推荐了一个比较合理的方案。

１．进流水力特性

本工程引渠方向与河道呈８３°的交角，使得行近水流具有较大的初始环量，造成进流流速分布极不均匀，引渠左右流速差达４．００ｍ／ｓ。且存在较大横向水面差，横向水面差值为０．５～０．８ｍ，并且在进口上游无任何调节及稳流设施，水流从河道经宽顶堰直接进入环形溢洪道，致使水流流速较大，高达８ｍ／ｓ，极大影响了进流流态。若不采用防涡设施或采用不当，将会使环形溢洪道的下泄水流产生较强的竖轴吸气旋涡，发出巨大的响声。同样由于环形溢洪道周边进流分布极不均匀，在环形溢洪道面上产生局部负压，对建筑结构极为不利，严重降低了环形溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。

在采用泄洪隧洞与下游河道联合泄洪方式时，由于下游河道泄流，环形溢洪道引渠进口水流的主流下移，致使进口的进水角增大，增大了行近水流的初始环流量，加剧了环形溢洪道的横向绕流，最大横向绕流流速达１０．８９ｍ／ｓ，水流流态更加紊乱。同样若不采取工程措施，将会使得竖向环形溢洪道在联合泄流时较单独泄流时的泄流量要低。

２．防涡设施的确定

该工程环形溢洪道来流流速较大，偏流现象严重，流速分布极不均匀，在环形溢洪堰前产生较大的横向绕流，水流流态更加紊乱，影响泄流。设计时拟在堰顶上布置了４个防涡墩的工程措施，但对于其防涡效果如何，还需进行试验研究。

（１）不设防涡设施

不设防涡设施时，由于受到上游来水极不均匀的影响，在环形溢洪道前产生较大的横向流速，导致水流的旋转，随着流量的增加进口漩涡直径及强度亦逐渐加大，溢流能力较低。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝６１．００ｍ３／ｓ时，进口旋涡直径５．６０ｍ，并伴随着巨大的声响，上游河道水位１０６７．１４ｍ，已超过最高防洪水位。

（２）环形溢洪道周边设３个防涡墩

在环形溢洪道周边设３个防涡墩，墩与墩之间夹角１２０°，墩的位置经试验调整确定，＃１墩轴线与引渠对称中线的夹角２５°。

受水力条件的影响，环形溢洪道周边存在旋转水流，流态紊乱，环形溢洪道周边进水不均匀。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．２４ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，环形溢洪道后侧的横向流速为１０．８９ｍ／ｓ，上游河道水位１０６７．４２ｍ，超过校核水位０．４２ｍ。

（３）环形溢洪道周边设４个防涡墩

在环形溢洪道周边设４个防涡墩，墩与墩之间夹角９０°，＃１墩轴线与引渠对称中线的夹角４５°（该方案为原设计方案）。

在环形溢洪道周边存在旋转水流，流态紊乱，环形溢洪道周边进水不均匀，在环形溢洪道上游的右侧＃１防涡墩下游溢流面上产生负压。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．３０ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６７．５０ｍ，超过校核水位０．５０ｍ。

（４）设３个防涡墩和１个外防涡墙

根据在环形溢洪道周边设３个防涡墩方案与设４个防涡墩的方案试验结果比较，选定在设３个周边防涡墩方案的基础上，经不同位置和尺寸的比较试验在环形溢洪道的横向对称线上的右侧边墙布置一宽为１．９０ｍ的外防涡墙。

外防涡墙截挡了右侧的较大偏向水流流速，减小了环形溢洪道周边的横向绕流流速，但环形溢洪道周边还存在旋转水流，流态紊乱，环形溢洪道周边进水不均匀，该方案水流条件较其他方案均有较大的改善。在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．１８ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，环形溢洪道后侧的横向流速为５．３４ｍ／ｓ，上游河道水位１０６６．８８ｍ，低于校核水位０．１２ｍ。

（５）设３个防涡墩和２个外防涡墙

在环形溢洪道周边设３个防涡墩、１个外防涡墙方案的基础上，在环形溢洪道＃１防涡墩的边墙上布置一宽为１．９０ｍ的外防涡墙，成为３个周边防涡墩和２个外防涡墙方案（该方案为终结方案）。

由于２个外防涡墙截挡了右侧的较大偏向水流流速和环形溢洪道周边的横向绕流，调整了整个水流分布，环形溢洪道周边进水均匀，整个环形溢洪道表面未出现负压，增大了环形溢洪道的泄流能力，在环形溢洪道单独泄流流量Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，由于外防涡墙的设置，水流分布趋于均匀，宽顶堰出口左右流速差为０．１１ｍ／ｓ，上游河道水位１０６６．１８ｍ。在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位１０６６．３８ｍ，低于校核水位０．６２ｍ，满足了工程要求。

五、试验研究成果分析

１．试验成果

对贯城河排污分洪隧洞工程的进口枢纽，进行了五种大方案１０余种防涡墩布置方案的试验研究，对于环形溢洪道要使来水均匀地进入环形溢洪道，不发生旋转流动，仅仅具有适合的引水渠轮廓尚不能获得成功，还要根据工程的具体水力边界条件，必须采用相应的防止漩涡的设施。

环形溢洪道仅在周边设置防涡墩方案与环形溢洪道周边设置防涡墩和外防涡墙共同使用方案比较：在环形溢洪道单独泄流情况下，在Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，宽顶堰出口平均流速，左右侧流速差从１．８３ｍ／ｓ减至０．１１ｍ／ｓ；在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，宽顶堰出口平均流速，左右侧流速差从４．０４ｍ／ｓ减至１．５７ｍ／ｓ。在环形溢洪道单独泄流Ｑ＝１００．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位从１０６６．２４ｍ降至１０６６．１８ｍ；在环形溢洪道与下游河道联合泄流流量Ｑ＝１４０．００ｍ３／ｓ时，上游河道水位从１０６７．４２ｍ降至１０６６．３８ｍ，效果明显。

根据试验结果，将原设计环形堰上布置有４个防涡墩减少为３个，为更好地防止涡流的产生，在引渠边墙增加两道防涡墙。

２．试验研究成果分析

鉴于水流边界的特殊性和环形溢洪道是一项较为新颖的结构，国内未见有类似的工程实例。对于防涡设施、消力井的布置没有成功的经验可以借鉴。其中仅环形堰的孔口尺寸可以由堰流公式进行计算。为此本设计与试验研究对此作了如下的分析工作。

本工程落差为２１ｍ，消力井井深为５．２１ｍ。结合表１可知，在布置设计时只要满足消力井的长是环形堰的０．８倍，深度为０．５倍，同时满足落差的０．２５倍，防涡墩和防涡墙是环形堰的０．２倍，即可满足要求。

六、结 语

利用旋流场理论分析，结合工程实例大胆、巧妙地采用环形堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙环形溢洪道的泄流消能方式。通过试验论证，成功地解决了进口流速较大且流速分布极不均匀，水力条件较为复杂的泄流和消能问题。经具体工程实例的两个水文年度溢洪实践，表明该工程设计与研究的布置形式在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果。本设计与试验研究成果，比常规的设计可节约工程投资的１／４～１／３，而且更为安全可靠，同时大大降低泄洪的声响及水雾，减少因工程的建设对环境的不利影响。

本设计与试验研究提出了简单易行的设计参数和成果。对在城市防洪排涝、中小型水利水电工程的泄流及一洞多用中，山区狭长水库行近流速比较大或切向流速比较大的水库中，均具有较好的推广价值。

:) ,正要做一个类似的竖井进水口，为与导流洞相结合，做放空洞，但受地质条件限制，不太好做龙抬头式，要求做竖井式，真是头痛啊，苦于找不到资料，非常感谢！！:handshake :call: