除險(xiǎn)加固工程泄洪洞進(jìn)口消渦梁消渦效果研究

馬 鈞

（山西藍(lán)金工程咨詢有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

山西省芮城縣里莊小流域壩系西堯骨干壩除險(xiǎn)加固工程位于芮城縣陽城鎮(zhèn)西堯村，壩址所在流域?qū)冱S河一級(jí)支流里莊河的二級(jí)溝道——里莊小流域，多年平均氣溫12.8℃，無霜期203.6 d，多年平均降水量為533.7 mm，西堯骨干壩于2006年建成，壩控面積為3.05 km2，樞紐由大壩和放水建筑物組成，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)（P=5%），200年一遇校核（P=0.5%），淤積年限20年，壩高19.4 m，總庫容51.25 萬m3。攔泥庫容32.85 萬m3，滯洪庫容18.4 萬m3。壩頂高程871.1 m，壩底高程851.7 m，淤積高度14.8 m，防洪壩高1.4 m，淤積面積7.3 hm2，設(shè)計(jì)淤積高程866.5 m，設(shè)計(jì)洪水位867.9 m，校核洪水位869.1 m，大壩壩高19.4 m，壩頂寬4 m，壩頂長124.2 m，在上下游壩高9.3 m 處壩坡設(shè)馬道，馬道寬1.5 m。上游馬道以上坡比為1∶2，馬道以下坡比為1∶2.5，下游馬道以上坡比為1∶1.5，馬道以下坡比為1∶2。

本工程泄洪洞采用開敞式，由進(jìn)口段、泄槽段、消能設(shè)施三部分組成，根據(jù)實(shí)地勘測(cè)，泄洪洞布置在壩的左岸為宜。泄洪洞底板高程為867.31 m，下游河道高程為849.21 m，跌差為18.1 m，水平長度為111.16 m。泄洪臥管采用箱式方型結(jié)構(gòu)，底坡1∶2，臺(tái)階高0.45 m，蓋板采用C20 鋼筋砼預(yù)制板，最低放水孔高程854.6 m，最高放水孔高程869.1 m，通氣孔高程868.4 m。臥管軸線與涵洞軸線夾角為98°，臥管斜長32.8 m，臥管總高度17.2 m，共41 臺(tái)，42 個(gè)出水孔，42 塊蓋板。放水流量Q放=0.1903 m3/s，放水孔徑d=0.25 m，臥管斷面為0.45 m×0.45 m，消力池?cái)嗝娉叽绱_定為長×寬×高=3.0 m×0.8 m×0.6 m。泄槽段技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 泄槽段技術(shù)參數(shù)

由表1 可知，泄槽側(cè)墻高度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)情況下水位加0.5 m 安全超高，并滿足校核情況下泄流量，進(jìn)口處側(cè)墻高1.3 m，10 m 處側(cè)墻高0.8 m，末端側(cè)墻高0.8 m。

2 漩渦成因分析

2.1 淹沒深度及洞徑

根據(jù)印度水電研究中心所提供的經(jīng)驗(yàn)公式［1]進(jìn)行泄洪洞進(jìn)口處是否會(huì)形成吸氣漏斗漩渦的判別，公式如下：

式中：Fr為泄洪洞進(jìn)口處佛汝德數(shù)，反應(yīng)漩渦擾動(dòng)能力；Frs為泄洪洞淹沒佛汝德數(shù)，反應(yīng)漩渦穩(wěn)定力；v為泄洪洞進(jìn)口處流速均值，m/s；S0為泄洪洞進(jìn)口形心之上淹沒深度，取84.55 m；d為泄洪洞進(jìn)口管徑，取7.51 m。

根據(jù)西堯骨干壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)洪水、校核洪水等進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見表2。

表2 不同工況下西堯骨干壩除險(xiǎn)加固工程漩渦特性參數(shù)結(jié)果

按照加拿大水利科研中心所提出的吸氣漏斗漩渦經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行泄洪洞進(jìn)口處最小淹沒深度計(jì)算，公式如下：

式中：S 為吸氣漏斗漩渦出現(xiàn)的臨界值，m；v 為進(jìn)口處流速均值，m/s；h 為泄洪洞進(jìn)水口后管道高度，取8 m。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同工況下淹沒深度最小值

根據(jù)表2 的計(jì)算結(jié)果可知，式（1）符合要求，故本工程泄洪洞進(jìn)口淹沒深度和洞口界面尺寸基本合適，也并非為吸氣漏斗漩渦產(chǎn)生的原因。根據(jù)表3 的計(jì)算結(jié)果，本工程設(shè)計(jì)洪水位以上淹沒深度存在較大富余，隧洞進(jìn)口屬于側(cè)向非對(duì)稱來水情況，漩渦出現(xiàn)的概率比對(duì)稱來水情況要大。

2.2 漩渦成因

根據(jù)以上對(duì)淹沒深度及洞徑的計(jì)算結(jié)果，考慮到本工程泄洪洞進(jìn)口位于凹岸，起進(jìn)口上方滯水區(qū)規(guī)模較大，因此正向、反向及橫向水流速的綜合作用是形成泄洪洞進(jìn)口處漩渦的主要原因之一。此外，泄洪洞進(jìn)口處地形左高右低，影響平面流速的均勻性，進(jìn)而產(chǎn)生十分明顯的流速梯度和剪力，所形成的環(huán)量導(dǎo)致進(jìn)水口產(chǎn)生漩渦［2]。

3 消渦梁方案及消渦效果

3.1 消渦梁方案

借鑒類似工程所采用的如增設(shè)防渦梁、增設(shè)垂直隔板及水平隔板、設(shè)置導(dǎo)流墻及封閉格柵等消渦方法，本工程原布置方案下，在校核洪水位持續(xù)出現(xiàn)漩渦，并在洞口前20 m 引水渠左側(cè)頻繁出現(xiàn)直徑3 m～4 m 的吸氣漏斗。所進(jìn)行的洞口頂板向上游延伸并設(shè)置多組消渦梁方案的修改試驗(yàn)，具體成果見表4。

表4 本工程消渦梁方案試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4 試驗(yàn)結(jié)果，本工程泄洪洞進(jìn)口處立軸漩渦和吸氣漏斗產(chǎn)生的主要原因在于進(jìn)口處地形不對(duì)稱、左高右低的地形影響平面流速的均勻性而誘發(fā)表面環(huán)流，且進(jìn)口處地形陡峭，水流流速較大時(shí)導(dǎo)致洞口前出現(xiàn)立軸漩渦，通過改變低高程小范圍內(nèi)的地形并不會(huì)明顯破壞表面環(huán)流作用，只有在泄洪洞前較高高程設(shè)置消渦梁及浮排以改變水流邊界條件，才能基本消除漩渦，并防止吸氣漏斗發(fā)生。

3.2 消渦效果

浮排與消渦梁相比，成本較低，但是在運(yùn)行的安全性及維修方面比消渦梁差。消渦梁能避免浮排消渦等技術(shù)缺陷，但是為完全消除漩渦，必須加強(qiáng)排架高度，在110 m 高程處設(shè)置消渦梁還必須增設(shè)10 m 排架，而在100 m 高程處設(shè)置消渦梁則無須增設(shè)排架。從消渦效果、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性等方面綜合考慮，本工程采用消渦梁消渦方式，并將其設(shè)置于100 m 高程處，且消渦梁寬至少為0.8 m。消渦梁能從表層至深層阻隔漩渦水體迴轉(zhuǎn)路徑，并防止消渦梁寬度范圍內(nèi)水體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該區(qū)域水體對(duì)相鄰水流的摩阻作用還能進(jìn)一步消除消渦梁寬度范圍外漩渦中心區(qū)域水體旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，控制并消除漏斗漩渦。

3.3 水壓力測(cè)試

為進(jìn)行梁底面和頂面壓力差的量化計(jì)算，結(jié)合本工程實(shí)際進(jìn)行消渦梁方案試驗(yàn)時(shí)，增測(cè)7 根消渦梁底頂水壓力，壓力差為梁底面壓力值和梁頂面壓力值之差。測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 消渦梁底頂水壓力測(cè)試結(jié)果 單位：m 水柱

根據(jù)上表結(jié)果，第1～6 根消渦梁底面與頂面壓力差較小，其中，第1～3 根消渦梁底面壓力比頂面壓力大0.2 m水柱～1.0m水柱，第3～6 根消渦梁底面壓力比頂面壓力小0～0.8 m水柱，緊鄰隧洞口的第7 根消渦梁底面與頂面壓力差最大，達(dá)3.6 m 水柱。

4 結(jié)論

本文針對(duì)山西省芮城縣里莊小流域壩系西堯骨干壩除險(xiǎn)加固工程泄洪洞進(jìn)水口具體情況，分析進(jìn)水口前漩渦形成的主要原因，并有針對(duì)性的進(jìn)行消渦梁消渦方案設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)。從消渦效果、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性等方面綜合考慮，本工程采用消渦梁消渦方式，并將其設(shè)置于100 m 高程處，且消渦梁寬至少為0.8 m。工程運(yùn)行效果表明，該措施較好地解決了泄洪洞進(jìn)水口前所存在的貫通吸氣漩渦問題，分析過程及結(jié)果可供類似工程借鑒參考。