泄洪洞進(jìn)水口消除漩渦的技術(shù)措施研究

宋亮　楊吉健

摘 要：進(jìn)水口漩渦會(huì)對(duì)水工建筑物和水力機(jī)械造成嚴(yán)重破壞，直接影響到工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中，必須結(jié)合工程特性選擇合理的方案措施進(jìn)行漩渦消除，以提高工程運(yùn)行的安全可靠性。本文從地形條件、進(jìn)水口體型、消渦體型設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等方面，對(duì)泄洪洞進(jìn)水口消除漩渦的技術(shù)措施進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供了依據(jù)，同時(shí)也期望供給類似工程參考借鑒。

關(guān)鍵詞：泄洪洞進(jìn)水口；漩渦；措施

中圖分類號(hào)：TV135.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）18-0166-02

1 概 述

在水利水電工程中，水工建筑物進(jìn)水口其復(fù)雜的邊界地形、結(jié)構(gòu)體形以及運(yùn)行管理不到位等，經(jīng)常會(huì)漩渦，嚴(yán)重影響到水工建筑物和水力機(jī)械功能的正常發(fā)揮和安全運(yùn)行。從是否吸氣來劃分，漩渦分為吸氣漩渦和不吸氣漩渦。

當(dāng)進(jìn)水口處發(fā)生吸氣漩渦后：

其一，會(huì)吸入大量懸浮物，直接堵塞進(jìn)水口，從而降低進(jìn)水口的進(jìn)水能力，影響水電站的正常發(fā)電運(yùn)行；

其二，當(dāng)吸入空氣在輸水系統(tǒng)形成氣囊，則會(huì)惡化隧洞、進(jìn)水管道等內(nèi)部的水流流態(tài)，進(jìn)而增加輸水系統(tǒng)的脈動(dòng)壓力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成隧洞襯砌破壞、壓力管道壓壞等問題；

其三，空氣進(jìn)入水力機(jī)械后，會(huì)引起水浪造成水力機(jī)械發(fā)生振蕩和空化氣蝕，直接影響到水利水電工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，結(jié)合相關(guān)研究成果，采取合理的技術(shù)措施來預(yù)防和抑制漩渦的產(chǎn)生，控制和降低漩渦危害，就顯得非常有工程實(shí)踐應(yīng)用研究意義。

2 合理設(shè)計(jì)泄洪洞進(jìn)口邊界地形

泄洪洞進(jìn)口漩渦產(chǎn)生主要是由于進(jìn)口水流不平順，發(fā)生繞流引起的。來流流速小的水利樞紐，水流是平穩(wěn)的，不易產(chǎn)生漩渦，只有在流速發(fā)生較大改變，且水流受地形等因素影響，發(fā)生繞流等現(xiàn)象時(shí)才會(huì)發(fā)生漩渦。

合理設(shè)計(jì)泄洪洞進(jìn)口邊界地形可以避免或減輕漩渦危害。一般而言在泄洪洞進(jìn)口均會(huì)設(shè)置適宜大小的平臺(tái)，這不僅便于工程施工，更有利于保證水流平穩(wěn)流入泄洪洞進(jìn)口，減少漩渦發(fā)生的可能性。泄洪洞進(jìn)口地形不僅體現(xiàn)在平臺(tái)的修建上，在泄洪洞左右兩邊坡開挖上也有體現(xiàn)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將泄洪洞進(jìn)口地形開挖成對(duì)稱地形，水流更易平順，更容易避免漩渦的出現(xiàn)。

3 合理設(shè)計(jì)進(jìn)水口結(jié)構(gòu)體型

合理設(shè)計(jì)進(jìn)水口，增加淹沒水深或降低進(jìn)流流速，可削弱旋渦強(qiáng)度或避免形成旋渦，這是目前最常用的避免旋渦形成的設(shè)計(jì)方案。另外，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重采用大型孔口，若必須采用大型孔口，則必須采取措施避免或減輕漩渦危害。在一般中小型工程中通過增加引水渠段長度是可以避免漩渦危害的，但在高水頭工程中，高水位時(shí)引水渠的長寬比對(duì)漩渦形成影響不再顯著，該方法對(duì)進(jìn)水口附近的環(huán)量影響很弱，此時(shí)應(yīng)考慮其他措施來避免漩渦危害。

4 消除漩渦特殊工程措施

4.1 專門結(jié)構(gòu)物消渦（消渦柵 、消渦導(dǎo)墻、消渦梁等）

傳統(tǒng)的消除漩渦措施是修建消渦柵（如樂昌峽水利樞紐工程施工導(dǎo)流洞進(jìn)口[1]）。依據(jù)傳統(tǒng)的消渦柵進(jìn)行改進(jìn)，王英奎自制了消渦排，其創(chuàng)新之處在于消渦排能漂浮在水面之上，并隨著水面的變化而自動(dòng)升降，是一種比較方便易行的消渦措施[1]。馬振海[2]所研制的消渦器，可隨水流運(yùn)動(dòng)，而且可隨時(shí)追尋漩渦的中心，在漩渦的中心旋轉(zhuǎn)，起到最佳的防渦、消渦作用。這些依據(jù)傳統(tǒng)消渦柵改進(jìn)的措施雖然在試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，但在實(shí)際工程中仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

消渦導(dǎo)墻、消渦梁與消渦柵應(yīng)用原理一樣，工程中均有體現(xiàn)，如：錦屏一級(jí)泄洪洞的進(jìn)水口通過多方案試驗(yàn)研究，選擇在泄洪洞臨普斯羅溝側(cè)1 827 ～1 860 m高程之間設(shè)置透水消渦導(dǎo)墻，在墻體上預(yù)留透水孔，透水孔尺寸為1.0 m×1.0 m，間距5.0 m。該措施極大削弱了漩渦強(qiáng)度，滿足工程正常運(yùn)行要求[3]；長河壩深孔泄洪洞在深孔泄洪洞進(jìn)水塔擋水胸墻上部沿鉛垂方向布置9根豎向消渦梁，消渦梁高12.0 m，寬2.0 m，厚度可根據(jù)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)，間距5.0 m，消除了漏斗漩渦危害[1]。

此外，消渦墩、漂浮排筏、金屬網(wǎng)等也能起到相應(yīng)效果。實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)具體情況，因地制宜，采用不同的工程方式，以最經(jīng)濟(jì)合理的方式，達(dá)到最優(yōu)消渦效果。

4.2 胸墻體形優(yōu)化

旋渦區(qū)一般發(fā)生在進(jìn)口上方30 °的范圍內(nèi)，如A區(qū)。鑒于此，采取措施重點(diǎn)避免進(jìn)水口上方30 °的范圍內(nèi)發(fā)生漩渦將是消除漩渦重點(diǎn)考慮的。研究表明由于進(jìn)水口漩渦出現(xiàn)在B區(qū)，如圖1（a）所示。由此可見漩渦是異常復(fù)雜的，不同研究進(jìn)行不同試驗(yàn)極有可能得到不同研究結(jié)果。

優(yōu)化胸墻體型方法，如圖1（b）所示，也是一種消除漩渦的工程技術(shù)措施。胸墻采用倒坡方式可有效避免漩渦出現(xiàn)，或減輕漩渦危害。但倒坡胸墻的做法一般會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定難度，如：可可托海泄洪洞最終方案采用的是前傾的胸墻，便是采用的這一原理。

4.3 隔板方案

隔板方案與消渦柵類似，是在進(jìn)水口加設(shè)若干大小的垂直隔板，該方案一般也能起到較好的消渦效果，在呼和浩特抽水蓄能電站泄洪排沙洞中得到成功運(yùn)用。

4.4 其他措施

有關(guān)的漩渦的消除措施在不斷的發(fā)展和應(yīng)用，比如泄水建筑物的側(cè)墻摻氣技術(shù)、調(diào)壓井的應(yīng)用、防渦墻的設(shè)置等，這些工程措施的主要目的是使泄洪洞內(nèi)的水流流態(tài)更穩(wěn)定，更有效地渲泄洪水，避免漩渦造成危害。

5 加強(qiáng)水利樞紐運(yùn)行管理

通過運(yùn)行管理來減輕漩渦危害從本質(zhì)上還是改變來流條件實(shí)現(xiàn)的。水利樞紐中泄水建筑物往往包括泄洪洞、溢洪道、放空洞等建筑物，一般而言泄洪洞不會(huì)單獨(dú)運(yùn)行，在與其他水工建筑物聯(lián)合運(yùn)行過程中泄洪洞進(jìn)口水流會(huì)受到不同程度的影響，有利的影響表現(xiàn)為對(duì)擾亂洪洞進(jìn)口水流，產(chǎn)生的紊動(dòng)足以抵抗漩渦發(fā)生；或使水流以更加對(duì)稱方式進(jìn)入泄洪洞進(jìn)口，減少漩渦出現(xiàn)概率；但若泄洪洞與其他泄水建筑物同時(shí)運(yùn)行激化了漩渦的產(chǎn)生，則須盡量避免泄洪洞與其他泄水建筑物聯(lián)合運(yùn)行，避免漩渦的產(chǎn)生。因此在制定工況時(shí)需要滿足工程實(shí)際需求的同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化安排。

6 結(jié) 語

消除漩渦的技術(shù)措施較多，但由于漩渦的誘發(fā)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，沒有一種通用的漩渦消除準(zhǔn)則，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)工程特性，從地形條件、進(jìn)水口體型、消渦體型設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等方面，合理采用消除漩渦的技術(shù)措施，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，即：

①泄洪洞進(jìn)水口地形對(duì)稱且進(jìn)口設(shè)有平臺(tái)對(duì)減輕漩渦危害具有積極作用；

②進(jìn)水口體型主要體現(xiàn)在孔口直徑和引水渠設(shè)計(jì)兩方面，采用滿足工程較小的直徑可減輕漩渦危害，加設(shè)引水渠可降低低水位下漩渦危害；

③消渦體型設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程中，但鑒于漩渦復(fù)雜，并未有適用于所有工程的工程措施，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程漩渦最經(jīng)濟(jì)合理的方式減輕漩渦危害；

④運(yùn)行管理方面應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際，盡可能優(yōu)化運(yùn)行方案，降低漩渦發(fā)生的可能性。合理采用消除漩渦的技術(shù)措施，可以提高水工建筑物和水力機(jī)械的運(yùn)行安全水平，確保工程高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蒙富強(qiáng)，陳軍，郭真余.泄洪洞進(jìn)水口消渦措施的研究[J].中國水運(yùn)：下半 月，2012，（7）.

[2] 馬振海.底孔前伸進(jìn)水口消渦措施試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù)，2005，（11）.

[3] 徐自立，梁宗祥.泄洪排沙洞進(jìn)口消渦措施試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2009，（1）.