豎式進水口消渦措施試驗研究

楊超林，王均星，羅志鵬，郝 鑫，楊 曉

(1.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021；2. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

進水口前立軸旋渦會對建筑物的正常運行造成嚴重危害，主要表現在以下幾個方面：立軸旋渦將空氣吸入進水口，空氣氣團滯留在進水口上方，進水口有效過水面積減小，影響隧洞的泄流能力；立軸旋渦攜帶的空氣形成的螺旋運動，使水流運動具有不穩定的特性，容易產生強烈的脈動壓力，這將給建筑物壁面增加脈動荷載，引發振動；立軸旋渦形成之后旋渦中心壓強降低，具有強烈的下曳力，容易卷吸水庫中的漂浮物，對建筑物的安全運行造成巨大威脅。因此針對水工建筑物進口處出現的立軸旋渦需要進行專門的研究去消除，而立軸旋渦的研究一直以來都是水力學中研究的難點，目前對于其生成機理和規律性的研究取得一定的成果[1-5]但總體來說還是十分欠缺，對立軸旋渦現象進行消渦措施的研究成果大多是針對具體工程而言[6-10]。而車馬碧水庫泄洪放空隧洞豎式進口的布置方式使得進水口上方有一立軸旋渦持續存在，針對出現的立軸旋渦本文利用模型試驗提出一種可消除豎式進水口前立軸旋渦的消渦建筑物的布置方案。

1 工程概況

車馬碧水庫位于云南省曲靖市，總庫容12 449 萬m3，為Ⅱ等、大(2)型水庫，主要建筑物由大壩、溢洪道、泄洪放空隧洞組成。水庫正常蓄水位為1 938.5 m，設計洪水位1 938.8 m，校核洪水位1 941.2 m。大壩為混凝土面板堆石壩。樞紐總體布置圖如圖1所示。

泄洪放空隧洞位于左岸溢洪道左側山體中，采用豎向進水口形式，孔口為矩形斷面，由11 m×11 m漸變為5 m×5 m，漸變喇叭口高3 m，喇叭口下直線段長7.08 m，直線段與水平隧洞段采用圓弧漸變段連接，水平段有壓隧洞為3.2 m×4 m(B×H)的矩形斷面。閘門豎井段長20.2 m，閘室底板高程1 899.20 m，內設1道平板檢修閘門和1道弧形工作閘門，檢修閘門為3.2 m×4 m(B×H)，弧形閘門為3.2 m×3.2 m(B×H)。無壓洞身段長205.3 m，底坡i=1/100，斷面為4 m×5 m的圓拱直墻形斷面。出口明渠段長69.567 m，底坡i=1/9.416。在2000年一遇洪水時下泄流量為211.8 m3/s，100年一遇洪水時下泄流量為204.8 m3/s，50年一遇洪水下時泄流量為204.4 m3/s。豎向進水口剖面圖如圖2所示。

消力池為聯合消力池，長50 m，池寬20.5 m，池深6.6 m，池底板高程為1 890.0 m，邊墻高16.6 m。

圖1 樞紐總體布置圖Fig.1 General layout of the project

圖2 泄洪放空隧洞豎式進口剖面圖(單位：m)Fig.2 Transverse section of the vertical intake of the flood discharge tunnel

2 試驗模型設計

在原型中因雷諾數和韋伯數都足夠大，黏滯力和表面張力對旋渦的影響可略去不計，但是在模型中，因模型縮尺效應的影響，黏滯力和表面張力對旋渦的作用相對較大，所以在模型設計時，盡量使雷諾數Re和韋伯數We超過一定的臨界值，使黏滯力和表面張力對旋渦的影響處于次要的位置。Amphlett.M.B.[11]提出，模型雷諾數Re>3×104時，按重力相似準則設計的模型可近似模擬原型中進水口前旋渦；Jain.A.K.[12]提出模型韋伯數We>120時，表面張力可忽略不計。按重力相似準則設計比尺為1∶30的正態模型，計算該比尺條件下各水位工況下進口處雷諾數及韋伯數，計算結果如表1所示。

由表1可知，按重力相似準則設計比尺為1∶30的正態模型中可以忽略黏滯力和表面張力對旋渦的影響，能夠正確模擬出原型中的立軸旋渦。

表1 各水位工況進口處雷諾數及韋伯數Tab.1 Weber number and Reynolds numberat the intake of all conditions

3 豎式進水口處的旋渦觀測及分析

3.1 旋渦形式及危害

在設計水位下，在距豎式進水口中軸線下游5 m、順水流方向左側2 m處存在一立軸旋渦，旋渦呈順時針旋轉，旋渦直徑在2.7 m左右，貫通至進水口內，并且在豎式進水口上方持續出現，如圖3所示。

圖3 進口立軸旋渦Fig.3 The vertical vortex at the intake

旋渦的存在影響泄洪放空隧洞的過流能力，實測無消渦設施的泄洪放空隧洞比消渦之后的泄洪放空隧洞的泄流能力小8%左右；立軸旋渦渦尾進入到豎式進水口內使得泄洪放空隧洞有壓段壓力值有明顯波動，實測轉彎段時均壓力值波動最大值約2.4 m水頭；立軸旋渦渦尾導致豎井閘室工作弧形閘門出口處流態紊亂，水流不時以較大的流速濺起，拍擊弧形閘門下支臂及無壓段邊墻。因此，立軸旋渦的存在嚴重威脅著泄洪放空隧洞的安全運行。

3.2 進口流速對旋渦的影響

為研究進水口處水流流速對旋渦的影響，在保持進口體型不變的條件下，通過不同的閘門開度改變泄洪放空隧洞泄流量，從而達到改變進水水流流速的目的。試驗觀測了設計水位時4個閘門開度情況下進口旋渦的尺寸，如表2所示。

表2 旋渦尺寸與進口流速的關系Tab.2 The relation between the size of thevortex and water velocity at the intake

由表2可知，旋渦尺寸的大小隨著進水口流速的減小而減小，閘門開度為0.75H時，旋渦表面直徑由閘門全開時的3 m減小到0.9 m，減小約60%；當閘門開度0.25H，進水口流速3.23 m/s時，立軸旋渦消失，在進水口上方只有一表面直徑約0.6 m，深度約0.2 m的表面凹陷。可見，進水口水流流速對旋渦的類型及旋渦尺寸的大小影響較大。

3.3 淹沒深度對旋渦的影響

為研究淹沒深度對旋渦的影響，試驗觀測了閘門全開時4組不同水位工況條件下進水口旋渦情況，如表3所示。

表3 旋渦尺寸與淹沒深度的關系 m

由表3可知，旋渦大小受淹沒深度影響較大，隨著淹沒深度的增大，旋渦表面直徑減小，但旋渦深度沒有發生明顯變化，渦尾一直延伸至進水口內；旋渦表面直徑由淹沒深度為23.2 m時的3 m減小到淹沒深度為25.9 m時的1.5 m。在本工程中，淹沒深度增加3 m只能在一定程度上減小立軸旋渦的尺寸，還不足以消除立軸旋渦。

4 消渦措施試驗研究

4.1 消渦措施

目前絕大部分消渦措施都是針對具體工程而言，不同的工程可能采取不同的針對性的消渦措施。而其中最主要的消渦措施主要有兩種，即優化進水口設計和修建專門的消渦建筑物：

優化進水口設計。旋渦產生的水力要素與進水口處的水流流速及淹沒深度有關，通過合理優化進水口設計，可減小進水口水流流速和增大淹沒深度，從而達到避免旋渦產生的目的。減小進水口水流流速，一般需要通過增大進水口過水面積來實現；而增加進水口淹沒深度，在庫水位一定的條件下，勢必需要進一步降低進水口高程。

修建專門的消渦建筑物。在進水口布置受到限制或者優化進水口設計需要較大的工程量時，一般通過修建專門的消渦建筑物達到消除旋渦的目的。

由前期試驗可知，當進水口流速為3.23 m/s時，進水口處立軸旋渦消失；在淹沒深度增加3 m后，立軸旋渦表面直徑雖減小至1.2 m，但立軸旋渦一直存在。因此如果通過優化進口的方式達到消除進口旋渦的目的，需要將進口流速降低到3.23 m/s左右，而為滿足泄流要求，進口過流面積需要約65 m2；與原設計方案的25 m2相比工程量過大且進口過大在結構上不安全；因此在不增加太多工程量的基礎上，可以通過修建一個專門的消渦建筑物達到消除旋渦的目的。

結合前期試驗流態分析，從減小進水口處環量以及阻斷渦體出發，提出消渦建筑物設計方案：保持原有進口體型不變，在進水口四周增加12個流線型隔墩并且在隔墩上方設置一蓋板，蓋板底緣與進水口底板垂直距離為3 m，隔墩與蓋板組成的消渦亭使得水流由原先的豎向進水變為四邊側向進水，蓋板的存在在空間上阻斷立軸旋渦，而12個流線型隔墩能夠有效減小入流的環量，避免形成側向進水口式的貫通立軸旋渦，方案具體布置圖如圖4所示。

圖4 消渦建筑物布置圖(單位：m)Fig.4 Layout of the vortex elimination construct

4.2 設置消渦措施試驗成果

在進水口處增加消渦設施之后，各水位工況下進水口處無旋渦出現。在增加消渦設施之后，泄洪放空隧洞泄流能力達到設計要求，且比無消渦設施時高8%左右，如表4所示；有壓段時均壓力值波動明顯減小，波動幅度比無消渦設施時減小1.5 m左右，如表5所示；閘室段水流流態穩定，有壓段出口處水流穩定無水流濺起。該消渦建筑物在保證泄流能力不受影響的情況下，消除了旋渦，改善了有壓段壓力分布及閘室段水流流態。

表4 有無消渦設施泄流能力對比表Tab.4 Comparison of discharge capacity between the verticalintake with & without the vortex elimination construct

表5 有無消渦設施有壓段壓力波幅對比表Tab.5 Comparison of pressure amplitude of thepressure conduit between the vertical intakewith & without the vortex elimination construct

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