《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》是中水東北勘測設計研究有限責任公司於2013年7月3日申請的專利，該專利的公布號為CN103352451A，授權公布日為2013年10月16日，發明人是蘇加林、路振剛、齊志堅、顧一新等。
《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》其渦室的頂部正中有通氣孔，渦室下方經過豎井收縮段與豎井連線，渦室進口引水段與渦室的側面連線。優點是結構新穎，與常規的消能技術相比較，其豎井式旋流消能布置靈活，對工程地質條件的適應性強，消能率高，可達85%以上，同常規的消能閥室方案相比較，可節約投資1000餘萬元，工程效益顯著，具有廣泛的推廣價值。
2019年10月，《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
（概述圖為《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工
- 申請人：中水東北勘測設計研究有限責任公司
- 申請日：2013年7月3日
- 申請號：2013102768209
- 公布號：CN103352451A
- 公布日：2013年10月16日
- 發明人：蘇加林、路振剛、齊志堅、顧一新、王超、張正平、李正國、王永潭、楊克、遲明德、徐懷聚、祁世京、李桂芳、張殿雙、王誼、付欣、鄭軍、郭學仲、宗原、李大偉
- 地址：吉林省長春市工農大路888號
- Int.Cl.：E02B8/06(2006.01)I
- 代理機構：吉林長春新紀元專利代理有限責任公司
- 代理人：魏徵驥
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在水電站開發建設過程中，過去考慮較多的是區域經濟的發展和發電效益，而對保護生態水環境考慮的較少，建設水利水電工程引起的下遊河段水環境惡化等問題，已越來越引起社會各界的關注，特別是引水式及混合式水電站，由於其大壩與發電廠房之間會形成一定的減（脫）水段，減（脫）水段的形成必然會給下游生態環境造成一定的影響。為維護河流的基本生態需求，必須下泄一定的生態流量，從而滿足下游生態環境需水量的要求，實現水資源開發與保護、人與自然的和諧發展。
中國國外對生態流量需水量的研究始於二十世紀40年代，二十一世紀以來，中國國內對這方面的研究工作開展的也比較多。生態流量的泄放涉及到泄水消能的問題，在2013年前中國國內外水利水電工程的實踐中，生態流量的下泄一般多採取在大機組之外單獨設定小機組來承擔生態流量泄放的任務，同時可發揮一定的經濟效益；或單獨設定生態流量泄放設施，通常在生態流量泄放通道末端設定消能閥室；或結合樞紐工程的引水、泄流等永久設施，修建、改建生態流量泄放設施。
一種套用於泄水建築物內部的旋流式內消能技術是解決泄水消能的有效途徑，在中國國外雖已開展了該消能工的研究，並已取得良好的效果，這些工程的研究和實踐，也為發展旋流內消能工奠定了基礎，但這些工程套用的泄流量和水頭範圍還不能完全適應我國水利水電工程多處於狹窄河谷地區所具有的水頭、流量等特點。
關於旋流式內消能工的研究與工程套用在中國國外開始於20世紀50~60年代，俄國、義大利和法國對旋流式內消能工進行過研究與實踐，最大落差已達142米，雖然中國國外開展這方面工作較早，但迄今仍缺乏系統的實踐經驗。在中國國內，旋流式內消能的研究開始於80年代末期，並逐漸成為研究與工程方案論證的熱點，中國水科院、南京水科院、河海大學、大連理工大學和西安理工大學等科研機構和高校在不同程度上對旋流式內消能做了研究，1995年由中國水科院結合四川沙牌工程對適合於超臨界流的豎井體型結構進行了試驗研究並得到套用，其最大泄流量為240立方米/秒，這是我國最早利用豎井旋流式泄洪洞作為泄水建築物的工程。在此之後，中國水科院在國家“九五”重點科技攻關項目“小灣工程大型導流洞改建為泄洪洞的關鍵技術研究”中，通過模型試驗研究導流洞改建旋流式豎井泄洪洞的工程布置，提出了適應工程特點的上下游水力銜接方式，從而論證了其在小灣工程中的可行性，提出了一些具有建設性的思想。儘管旋流式內消能的實際工程不多，但由於其具有許多優點，因此對這方面的研究的確不少，這些研究給旋流式內消能技術在實際工程中的套用提供了大量的理論支撐，也為這種消能型式今後的發展開闢了道路，特別是對於豎井旋流式內消能的體型的研究和發展起到了巨大的推動作用。
豎井旋流式內消能工是利用在豎井中使水流旋轉消除部分能量的一種消能措施。旋轉水流可有效地降低泄水道的流速，可以避免超高速水流發生，並可以消煞部分或大部分水流能量，減輕下游的消能負擔。這對改善大壩下游流態，保護下游環境，保障下遊河道安全，岸坡穩定及防止有關建築物的淘刷破壞等均有積極作用，並把大面積承受高速或超高速水流的區域變為小面積承受，有利於採用工程措施解決超高速水流所帶來的問題。豎井旋流式內消能工改變了將水流所攜帶的巨大能量傳遞到下游的傳統思維，而是將水流的部分或大部分能量消煞在建築物內，僅使極小部分能量傳遞至下游，這是消能觀念上的一個轉變。
豎井旋流內消能工技術已在中國國內的兩項工程中採用，但均用於泄洪消能建築物的布置上，截至2013年7月，中國國內外還沒有將此技術套用在生態流量泄放建築物布置上的先例，且生態流量泄放工程具有流量小、閘門開度小的特點，泄放流量僅為4.4立方米/秒，且生態流量泄放消能設施的運用工況也與其它已採用的泄洪消能工程有很大差異，豎井旋流消能用在泄洪建築物時，使用的頻率不是很高，但作為生態流量泄放時，則需要全部時段都運行使用。
旋流式內消能工2013年前尚無任何設計規範可作為依據，開展進一步的討論和研究是必要的。因此，研究探討套用於生態流量泄放（小流量）的豎井旋流內消能工技術已成為設計和科研人員非常關注的問題。
發明內容
專利目的
《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》提供一種用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工，以解決2013年前沒有適合小流量的內消能工的問題。
技術方案
《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》採取的技術方案是：
渦室的頂部正中有通氣孔，渦室下方經過豎井收縮段與豎井連線，渦室進口引水段與渦室的側面連線；
所述的豎井直徑D的確定： 
；
式中：D——豎井直徑（米）；Q——設計流量，取4.4立方米/秒；g——重力加速度，取g=9.8（米/秒）；k——修正係數，取1~1.25；
渦室直徑Dv的確定：Dv=1.2D~1.4D；
所述的渦室進口引水段的採用橢圓收縮型，渦室同渦室進口引水段的一側邊牆採用1/4橢圓曲線連線，橢圓長軸a=1.2Dv，短軸b=0.75Dv；
渦室進水口高度Y1的確定：Y1=3.0~3.5D；
渦室進水口寬度B的確定：B=0.4~0.5Dv；
渦室高度Y2的確定：Y2=1.15~1.35Y1；
豎井收縮段高度LS的確定：LS=（5.0~6.0）（Dv-D）；
豎井的最小高度H的確定：H=2.0~2.5H0
式中：H0是水庫正常蓄水位與渦室進水口底板位置5的高程差值。
改善效果
《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》的優點是結構新穎，與常規的消能技術相比較，其豎井式旋流消能布置靈活，對工程地質條件的適應性強，消能率高，可達85%以上，同常規的消能閥室方案相比較，可節約投資1000餘萬元，工程效益顯著，具有廣泛的推廣價值。從項目的創新技術、研究的深度廣度以及達到的效果分析，該研究成果和套用水平總體達到了國際領先水平。
豎井旋流式內消能工是高壩施工導流洞改建為泄洪洞的可行方案的觀點已被大多數設計與研究者所接受，但作為生態流量泄放還是首次套用，屬中國國內外首創，截至2013年7月，為中國國內外最小流量4.4立方米/秒的豎井旋流內消能工，為小流量豎井旋流消能套用的第一例。
將導流洞改建成永久生態流量泄放設施，表明在我國豎井旋流內消能技術已在生態流量泄放工程（小流量）中進入實際套用階段，但應加強豎井旋流式內消能工的理論與套用基礎性方面的研究以及相關設計規範的制定，該發明不僅對該工程的安全運行有重要的價值，而且對新建的類似工程有重要的推廣套用價值和指導作用，同時也促進了旋流式消能技術在中國水利水電工程中的套用，在我國旋流式內消能工設計、研究與工程套用中具有里程碑的意義，將會有力地推動這一新的內消能型式在工程上的套用，從而為解決高壩建設中生態流量泄放建築物的高速水流問題與導流洞改建中的技術與經濟問題提供工程實例。
附圖說明
圖1是《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》的結構示意圖；
圖2是該發明渦室與進口引水段的俯視圖。
權利要求
1.《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》其特徵在於：
渦室的頂部正中有通氣孔，渦室下方經過豎井收縮段與豎井連線，渦室進口引水段與渦室的側面連線；
所述的豎井直徑D的確定： ；
式中：D——豎井直徑（米）；Q——設計流量，取4.4立方米/秒；g——重力加速度，取g=9.8（米/秒）；k——修正係數，取1~1.25；
渦室直徑Dv的確定：Dv=1.2D~1.4D；
所述的渦室進口引水段的採用橢圓收縮型，渦室同渦室進口引水段的一側邊牆採用1/4橢圓曲線連線，橢圓長軸a=1.2Dv，短軸b=0.75Dv；
渦室進水口高度Y1的確定：Y1=3.0~3.5D；
渦室進水口寬度B的確定：B=0.4~0.5Dv；
渦室高度Y2的確定：Y2=1.15~1.35Y1；
豎井收縮段高度LS的確定：LS=（5.0~6.0）（Dv-D）；
豎井的最小高度H的確定：H=2.0~2.5H0
式中：H0是水庫正常蓄水位與渦室進水口底板位置5的高程差值。
實施方式
實施例1
渦室1的頂部正中有通氣孔6，渦室下方經過豎井收縮段2與豎井3連線，渦室進口引水段4與渦室1的側面連線；
所述的豎井3直徑D的確定： ；
式中：D——豎井直徑；Q——設計流量，取4.4立方米/秒；g——重力加速度，取g=9.8（米/秒）；k——修正係數，取k=1；
渦室1直徑Dv的確定：Dv=1.2D；
所述的渦室進口引水段4的採用橢圓收縮型，渦室同渦室進口引水段的一側邊牆採用1/4橢圓曲線連線，橢圓長軸a=1.2Dv，短軸b=0.75Dv；
渦室進水口高度Y1的確定：Y1=3.0D；
渦室進水口寬度B的確定：B=0.4Dv；
渦室高度Y2的確定：Y2=1.15Y1；
豎井收縮段2高度LS的確定：LS=5.0Dv-D）；
豎井的最小高度H的確定：H=2.0H0
式中：H0是水庫正常蓄水位與渦室進水口底板位置5的高程差值。
實施例2
渦室1的頂部正中有通氣孔6，渦室下方經過豎井收縮段2與豎井3連線，渦室進口引水段4與渦室1的側面連線；
所述的豎井3直徑D的確定： ；
式中：D——豎井直徑；Q——設計流量，取4.4立方米/秒；g——重力加速度，取g=9.8（米/秒）；k——修正係數，取k=1.12；
渦室1直徑Dv的確定：Dv=1.3D；
所述的渦室進口引水段4的採用橢圓收縮型，渦室同渦室進口引水段的一側邊牆採用1/4橢圓曲線連線，橢圓長軸a=1.2Dv，短軸b=0.75Dv；
渦室進水口高度Y1的確定：Y1=3.2D；
渦室進水口寬度B的確定：B=0.45Dv；
渦室高度Y2的確定：Y2=1.25Y1；
豎井收縮段2高度LS的確定：LS=5.5（Dv-D）；
豎井的最小高度H的確定：H=2.25H0
式中：H0是水庫正常蓄水位與渦室進水口底板位置5的高程差值。
實施例3
渦室1的頂部正中有通氣孔6，渦室下方經過豎井收縮段2與豎井3連線，渦室進口引水段4與渦室1的側面連線；
所述的豎井3直徑D的確定： ；
式中：D——豎井直徑；Q——設計流量，取4.4立方米/秒；g——重力加速度，取g=9.8（米/秒）；k——修正係數，取k=1.25；
渦室1直徑Dv的確定：Dv==1.4D；
所述的渦室進口引水段4的採用橢圓收縮型，渦室同渦室進口引水段的一側邊牆採用1/4橢圓曲線連線，橢圓長軸a=1.2Dv，短軸b=0.75Dv；
渦室進水口高度Y1的確定：Y1=3.5D；
渦室進水口寬度B的確定：B=0.5Dv；
渦室高度Y2的確定：Y2=1.35Y1；
豎井收縮段2高度LS的確定：LS=6.0（Dv-D）；
豎井的最小高度H的確定：H=2.5H0
式中：H0是水庫正常蓄水位與渦室進水口底板位置5的高程差值。
榮譽表彰
2019年10月，《用於生態流量泄放的豎井旋流式內消能工》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
