【摘要】利用旋流场理论分析，大胆、巧妙地将环型堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙的环型溢洪道泄流消能方式。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。再经两个水文年的溢洪实践，表明该设计与研究在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果。并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。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，均具有良好的推广价值。
【关键词】环型溢洪道；旋流；消能；防涡设施；设计与试验研究
【Abstract】Swirl field theory analysis， bold， cleverly ring weir and stilling well the combination of simple and feasible set of anti-vortex pier and anti-vortex wall ring spillway energy dissipation. Successfully resolved the larger inlet velocity and the velocity distribution is uneven， more complex hydraulic conditions of discharge and energy dissipation. And then two the spillway practice of the hydrological year， that the design and research to meet the spillway and energy dissipation have reached the design of the desired effect. ∽ 1/3 and 1/4 of the conventional design can save the project investment； and more secure. In urban flood control and drainage； the discharge of small and medium-sized water conservancy and hydropower project and a hole in the multi-use； narrow mountain reservoir near the flow rate or tangential flow rate is relatively large reservoir， have good promotional value.
【Key words】Ring spillway；Cyclone；Energy dissipation；Anti-vortex facilities；Design and Experimental Study
1. 工程概况
工程的主要任务是分泄河道汛期大部分洪水，提高防洪能力。枢纽工程由环型溢洪道、隧洞等两大部分组成，其最大排洪量为100m3/s。
2. 进口方案比较
2.1竖井式溢洪道。传统的竖井式溢洪道由环型堰、渐变段、竖井、弯管及泄水隧洞进口四部分组成。其消能机理是，当环型堰进口曲线下端的高速水流脱离井壁时，挟带空气射入消力井中，与井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根据其消能机理在布置设计其需要一段较长的渐变段、竖井、弯管来控制水流，使水流在其中充分消能。
2.2环型溢洪道。环型溢洪道由环型堰、消力井和消力井三部分组成。与竖井式溢洪道相比其少了渐变段、竖井、弯管，增加了消力井。其消能机理是，经过引渠引入的水流，进入环型堰进口时，在环型堰曲线下端形成高速射流，脱离环型堰壁后，挟带空气射入消力井中，与消力井的水垫相互碰撞消能。
2.3龙抬头式溢洪道+消力池消能。采用龙抬头式实用堰引流，使水流进入消力池消能。竖井式溢洪道与环型溢洪道相比虽然工程投资相当，但其水垫较浅，消能效果没有环型溢洪道的好；再加上受渐变段、竖井，尤其弯管的曲率半径R不能满足2～5倍控制段直径要求，使得输水隧洞内会出现不稳定的流态，甚至在弯管部位会出现很大的负压。而环型溢洪道正好克服了这些缺点被确定为实施方案。环型溢洪道与龙抬头式溢洪道+消力池消能相比减少占地约40%.综上所述，从经济和社会效益上分析，采用较安全可靠的环型溢洪道比采用竖井式溢洪道、龙抬头式溢洪道+消力池消能均节约投资1/4～1/3，并减少占地约40%.而且更为安全可靠，大大降低泄洪的声响及水雾，大大提高防洪能力，工程的建成并不对周边的环境带来不利的影响。
3. 环型溢洪道的设计
3.2.2圆形控制段半径的计算 已知该工程的该工程的分洪流量为100m3/s，根据堰流流量公式。
3.2.3堰面曲线的设计。根据进口处的实际地形条件环型溢流堰布设为低堰，堰高Hp=0.5m.堰面曲线的设计象一般实用堰和竖井式溢洪道一样，环型堰的形状（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查文献1上的相应表可得的堰面曲线坐标。
因此，还需用水力试验来加以研究确定，并为类似的工程提供一个比较简单易懂的数据。
3.4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。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%.以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。以用于提高其消能率。
4. 试验研究环型溢洪道是一种新泄洪方式，工程实例较为少见
对于偏流现象目前还不能对之进行较为精确的水力学计算。亦不能计算进口河道偏流对环型堰泄流能力的影响；以及为对防涡设施的进一步研究，为枢纽建筑物的结构布置提供试验依据。这也是进行水工模型试验的目的。
4.1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型溢洪道，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，将会使环型溢洪道的下泄水流产生较强的竖轴吸气旋涡，产生巨大的声响。同样由于环型溢洪道周边进流分布极不均匀，在环型溢洪道面上产生局部负压，对建筑结构极为不利，严重降低了环型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。
在泄洪隧洞与下游河道联合泄洪方式时，由于下游河道泄流，环型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量，加剧了环型溢洪道的横向绕流，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，将会使得竖向环型溢洪道在联合泄流时较单独泄流时的泄流量要低。
4.2防涡设施的确定。该工程环型溢洪道来流流速较大，偏流现象严重，流速分布极不均匀，在环型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四个防涡墩的工程措施，但对于其防涡效果如何，还需进行试验进行研究。
4.2.1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，在环型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。在流量Q=61.00m3/s环型溢洪道单独泄流时，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。
5. 试验研究成果分析
5.2试验研究成果分析。鉴于水流边界的特殊性和环型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。其中仅环型堰的孔口尺寸可以由堰流公式进行计算。其于未见有较为明确的理论公式计算，为此本设计与试验研究对此作了如下的分析工作。
在布置设计时只要满足消力井的长是环型堰的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型堰的0.2倍。即可满足要求。大大地简化了设计，为今后的推广应用提供了方便。
6. 结语
利用旋流场理论分析，结合工程实例大胆、巧妙地采用目前未见使用环型堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙环型溢洪道的泄流消能方式。并经试验加以论证，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。再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型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。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，均具有良好的推广价值。
参考文献
[1]《水工设计手册》第六卷，泄水与过坝建筑物，北京，水利电力出版社.
[2]《水流旋流器流场理论》，北京，科学出版社.