一种调整水流均匀的隧洞平面转弯结构

1.本发明属于水利工程应用技术领域，特别是涉及一种调整隧洞平面转弯水流均匀的设计方法。


背景技术：

2.抽水蓄能电站凭借其调峰填谷、调频调相、储能、系统备用以及黑启动等多种功能成为现代电力系统中有效的调节工具。进/出水口作为抽水蓄能电站水道系统的重要组成部分，布置形式分为竖井式和侧式，侧式进/出水口在工程中应用较多。抽水蓄能电站设计规范《nb/t 10072-2018》指出靠近进/出水口的压力隧洞宜避免弯道，或将弯道布置在离进/出水口较远处，以减少压力隧洞弯道水流对进/出水口出流带来的不利影响。然而受地形地质等条件的限制，实际工程中输水隧洞平面上转弯布置情况不可避免。当输水隧洞的平面转弯段距进/出水口较近时，将会直接影响出流工况进/出水口的水力特性。因此，对输水隧洞平面转弯水流进行调整具有重要意义。
3.当输水隧洞的平面转弯段距进/出水口较近时，国内部分学者提出了调整平面转弯水流所需的直隧洞长度。例如，1)当进/出水口附近输水隧洞存在平面转弯段，一般要求转弯后直隧洞长度为30～40倍洞径。2)通过物理模型试验发现进/出水口与平面转弯段间的直隧洞长度至少大于40倍洞径时进/出水口水力特性才能满足规范设计要求。但是实际工程受到工程平面布置的限制，平面转弯后直隧洞长度往往不能增加，如果直接增加直隧洞长度会改变转弯前后隧洞的平面布置，加大引水隧洞段工程的施工量，增加施工成本。因此，应深入探究输水隧洞平面转弯的转弯角度、转弯半径、转弯后直隧洞长度对转弯段内流动影响，提出较优的转弯角度、转弯半径和转弯后直隧洞长度组合，进而调整转弯段后的水流。


技术实现要素：

4.本发明提出一种调整隧洞平面转弯水流均匀的设计方法，在不改变转弯前后隧洞平面布置的前提下，增大输水隧洞平面转弯段的转弯半径，从而调整转弯段后的水流，改善水流进入进/出水口时的偏流现象。
5.本发明利用以下技术方案实现：
6.一种调整水流均匀的隧洞平面转弯结构，用于侧式进/出水口，该结构包括转弯前直隧洞段、平面转弯段、转弯后直隧洞长度段，其中：平面转弯段的转弯角度保持不变，转弯半径增加至30倍于输水隧洞洞径，转弯后直隧洞长度减小至10倍于输水隧洞洞径以上。
7.与现有技术相比，本发明能够达成以下有益技术效果：
8.1)可有效调整隧洞平面转弯水流均匀，改善出流工况下水流进入进/出水口时的偏流现象，使进/出水口各孔口流量分配满足设计要求；
9.2)解决了当输水隧洞平面转弯段距进/出水口较近时所带来的水力学问题，突破已有工程经验，可在输水隧洞存在平面转弯段的实际工程中得到推广和应用。
附图说明
10.图1为侧式进/出水口设计体型及布置平面示意图；
11.图2为优化后的侧式进/出水口设计体型及布置平面示意图；
12.附图标记：
13.1、转弯前直隧洞段，2、为平面转弯段，3、转弯角度，4、为转弯半径；5、转弯后直隧洞，6、侧式进/出水口，7、出流工况水流方向，81、82、83、84、孔口；
[0014]1′
、优化的转弯前直隧洞段，2
′
、优化的平面转弯段，3
′
、优化的转弯角度，4
′
、为优化的转弯半径；5
′
、优化的转弯后直隧洞，6、侧式进/出水口，7、出流工况水流方向。
具体实施方式
[0015]
为进一步阐述本发明的技术方案与特征，下面以采用了本发明技术方案的某抽水蓄能电站工程为例结合附图作详细说明，但本发明内容不限于具体实施例所述内容。
[0016]
如图所示，为侧式进/出水口设计体型及布置的平面示意图。某抽水蓄能电站工程侧式进/出水口设计体型及布置中，其结构包括由转弯前直隧洞段1、为平面转弯段2、转弯后直隧洞5构成的整体输水隧洞以及侧式进/出水口6，侧式进/出水口6形成出流工况水流方向7。整体输水隧洞洞径为7m，平面转弯段2的转弯角度3为19.82
°
，转弯半径4为50m(约为7.1倍输水隧洞洞径)，转弯后直隧洞5长度为105.0m(为15倍的输水隧洞洞径5)，平面转弯段2分别具有内侧孔口83、84和外侧孔口81、82。
[0017]
侧式进/出水口6在出流工况下出现了偏流现象，各孔口流量分配不均匀，外侧孔口81、82处流量明显大于内侧孔口83、84处流量。因地形地质等条件的限制，输水隧洞转弯前后的整体布置需保持不变，不能通过增加转弯后直隧洞5长度调整转弯后的水流流量。
[0018]
如图2所示，为优化的侧式进/出水口设计体型及布置平面示意图。在侧式进/出水口优化体型及布置中，优化后的平面转弯段2
′
的转弯角度3保持不变，将优化的转弯半径4
′
由50m增加至30倍输水隧洞洞径，即具体为210m，同时转弯后直隧洞长度5
′
减小至约10.9倍输水隧洞洞径，即具体为76.5m，也即是大于10倍输水隧洞洞径。此时，通过优化的转弯段2
′
之后的水流得到有效调整，侧式进/出水口6在出流工况下7孔口流量分配均匀，中间孔口82、83的流量略大于两侧孔口81、84，各孔口流量不均匀程度均小于10％，满足抽水蓄能电站设计规范《nb/t 10072-2018》的设计要求。上述优化设计解决了出流工况下进/出水口流量分配不均的问题，同时不改变平面转弯段优化前和优化后的整体平面布置。
[0019]
根据数值模拟和物理模型试验成果，本抽水蓄能电站工程实例在不改变平面转弯段前后整体平面布置的前提下，增加平面转弯段的转弯半径，可有效调整隧洞平面转弯水流均匀，改善出流工况下水流进入进/出水口时的偏流现象，使进/出水口各孔口流量分配满足设计要求。解决了当输水隧洞平面转弯段距进/出水口较近时所带来的水力学问题，突破已有工程经验，可在输水隧洞存在平面转弯段的实际工程中得到推广和应用。


技术特征：
1.一种调整水流均匀的隧洞平面转弯结构，用于侧式进/出水口，其特征在于，该结构包括转弯前直隧洞段、平面转弯段、转弯后直隧洞长度段，其中：平面转弯段的转弯角度保持不变，转弯半径增加至30倍于输水隧洞洞径，转弯后直隧洞长度减小至10倍于输水隧洞洞径以上。2.如权利要求1所述的一种调整水流均匀的隧洞平面转弯结构，其特征在于，通过平面转弯段之后的水流得到有效调整，侧式进/出水口在出流工况下孔口流量分配均匀，各孔口流量不均匀程度均小于10％。

技术总结
本发明公开了一种调整水流均匀的隧洞平面转弯结构，用于侧式进/出水口，该结构包括转弯前直隧洞段、平面转弯段、转弯后直隧洞长度段，其中：平面转弯段的转弯角度保持不变，转弯半径增加至30倍输水隧洞洞径，转弯后直隧洞长度减小至大于10倍输水隧洞洞径。与现有技术相比，本发明可有效调整隧洞平面转弯水流均匀，改善出流工况下水流进入进/出水口时的偏流现象，使进/出水口各孔口流量分配满足设计要求；解决了当输水隧洞平面转弯段距进/出水口较近时所带来的水力学问题，突破已有工程经验，可在输水隧洞存在平面转弯段的实际工程中得到推广和应用。推广和应用。推广和应用。


技术研发人员：高学平 刘帅 刘殷竹 朱洪涛
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.09.16
技术公布日：2022/11/8