側向進水倒虹吸進水池消渦措施試驗研究

周殊凡，傅宗甫，張茹玉，呂家才

（1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣州 510610）

0 引 言

旋渦是水利工程中普遍存在的現象，如水電站、泵站、船閘、取水口、引調水工程進水口前等。倒虹吸在引調水工程管網中廣泛應用［1］，但受其進水口的邊界條件、水力學因素、體型等因素［2］的影響，倒虹吸進水池也常常會出現渦旋，嚴重時甚至出現吸氣漩渦現象。倒虹吸進口旋渦的存在會惡化洞身內水流流態、增加水流脈動、加大水頭損失、減小引水流量以及嚴重時引起建筑物的振動。

旋渦的研究一直受到國內外學者的重視，主要針對在正向進流條件下的旋渦特性、淹沒深度、邊界條件、消渦板梁等開展研究。蔡程?。?］在運用戈登公式計算進水口最小淹沒水深的基礎上，分析了水電站進水口消渦的措施，可以為進水口最小淹沒水深和消渦措施提供參考。劉貞姬［4］等通過模型試驗研究了水平進水口旋渦形成過程及對流量的影響，并根據試驗數據擬合得到了旋渦形成的臨界淹沒深度與水流弗勞德數的定量關系式。韋曄、張忠孝［5，6］基于數學模型對泵站進水池的水流流動進行了數值模擬，得到不同旋渦類型及渦量特性。高傳昌等［7］基于泵站物理模型和湍流數學模型分析了不同進水流速泵站進水池水流流場分布、漩渦渦量的變化及分布規律。盧永金［8］針對進水口上游的流動特性進行了實驗研究，結果表明，不利的入流條件會導致垂直渦的形成。陳宗娜等［9］按漩渦形態將其分為三類（見圖1）：表面凹陷漩渦——水面略微凹陷，對建筑物安全運行無影響［圖1（a）］；間歇吸氣漩渦——水面下凹較明顯并伴有氣泡串，對建筑物運行有一定影響［圖1（b）］；貫通吸氣漩渦——出現貫通連續的空氣通道，形成渦流區，對建筑物危害較大［圖1（c）］。漩渦的消除主要采用優化進水口設計、改善運行方式、修建消渦筑物等措施，認為最簡單的方法就是保證進水口前的淹沒深度超過最小淹沒水深，但部分工程受地形等條件限制，達到增加淹沒深度并不經濟［10，11］，因此可以修建專門的消渦建筑物來改善水流流態，達到消除漩渦的目的。段文剛等［2］以系列水工模型試驗為研究手段，分別從電站、導流洞、渠道倒虹吸和河道倒虹吸等典型水工建筑物進水口漩渦形成的誘因與工程實例著手，介紹了消除漩渦的試驗過程，提出了不同的消渦方法。陳興亮、黃智敏等［12，13］分別針對電站進水口和溢流壩泄流孔進行了消渦試驗研究，提出優化孔口邊界條件及設置消渦墩等消渦措施。蒙富強、徐自立等［14］針對錦屏一級泄洪洞等工程，利用水工模型試驗，提出設置消渦導墻、消渦柵、消渦梁等消渦措施。徐自立［15］根據抽水蓄能電站泄洪排沙洞試驗，提出在進水塔上游面設置幾道垂直隔板，垂直隔板下部設置水平隔板可以消除進口前的吸氣旋渦。石俊營［16］以淇河渠倒虹吸工程為例提出通過調整出口閘墩體型改善出口水面振蕩與尾渦的影晌。李娟等［17］針對大型倒虹吸管道進水口的立軸漩渦問題建議對進口段進行優化。

在受地形地貌和地質條件限制而采用側向進水的取水口時，引渠進水方向與取水口進水方向幾乎成90 度角，水流進入取水口前就受邊界條件的影響產生預旋，即側向進水口存在產生旋渦的條件，因此更容易在進水口前形成立軸旋渦，而且消渦的難度較大，目前針對側向進水消渦措施的研究鮮有報道。以云南滇中甸頭倒虹吸工程的側向進水布置方式為背景開展研究，由于進水口前的立軸旋渦為一種游離而不穩定的旋渦，目前的數值仿真技術難以準確模擬旋渦的發生和消失過程，而且計算往往難以收斂，計算結果難以令人滿意，因此采用水工物理模型試驗的方法開展研究，通過對進水口前水流流態及旋渦特征參數的觀測和分析，分析了旋渦產生的原因，研究了消渦方法，提出了組合式消渦措施，可為側向進水的消渦設計和深入研究提供參考。

1 滇中甸頭倒虹吸概況及存在問題

1.1 倒虹吸概況

滇中引水工程甸頭倒虹吸（圖2）總長525.87 m，進水池設計流量135 m3/s，管身設計流量125 m3/s。進出口受地形、地質限制，進、出水方向為側向進、出水（進出水池中心線與倒虹吸管中心線夾角為60°），倒虹吸管數為5根，進水池長53.26 m，凈斷面（高×寬）9.70 m×14 m，容積5 342 m3，倒虹吸管進口底高程1 969.697 m，管徑4.0 m；出水池長51.26 m，凈斷面（高×寬）9.70 m×12 m，容積4 333 m3。

圖2 甸頭倒虹吸布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout of Diantou inverted siphon

1.2 存在問題

滇中引水工程甸頭倒虹吸受進口地形地貌和地質條件的影響，進水池采用側向進水方式，進水池進流方向與倒虹吸管進水方向夾角60°，由進水池進入倒虹吸的水流需要在平面上轉彎60°，倒虹吸進口附近進水池的水流存在橫向流動分量，存在預旋的條件，而進水池右側墻采用突擴方式，形成局部脫流，也容易形成附壁旋渦。

2 模型試驗設計

2.1 模型相似比尺及試驗系統設計

滇中引水工程水流主要受重力作用流動，因此模型采用重力相似準則設計。但是進水口前的旋渦，還同時受黏性力和表面張力的影響，按照重力相似設計的模型會存在縮尺效應，如果是泵站進水池，通常通過加大流量（流速）的方式達到旋渦相似，倒虹吸進水池如果采用加大流量的方法，則進水池的淹沒水深會增加而不相似。因此考慮到表面旋渦的相似性，通常的做法是滿足重力相似基礎上，盡可能采用較大比尺的模型以滿足旋渦的相似［18］，或者模型中進水口的雷諾數大于影響旋渦的臨界雷諾數3×104，以消除黏性對旋渦的影響［19］，同時模型進水口的韋伯數大于臨界韋伯數120，以忽略表面張力的影響［20］。模型采用幾何比尺為1∶20 模型，模型中倒虹吸進口的雷諾數大于7.8×104，韋伯數大于500，因此模型中可以忽略黏性及表面張力對旋渦的影響，模型和原型可以達到進口旋渦相似的條件。

模型模擬了引渠、進水池、倒虹吸管、出水池、控制堰等有關建筑物，模型全長約30 m。模型選用有機玻璃制作，有機玻璃糙率約為0.008，換算為原型為0.013 左右，與原型混凝土糙率接近。為了敘述方便，將倒虹吸管自進水池進口至末端依次編號為1號管、2號管、3號管、4號管和5號管，模型見圖3。

圖3 模型布置示意圖Fig.3 Model layout diagram

2.2 模型水力參數測量方法

試驗中需要對流量、水位以及倒虹吸進口前的水流流態及旋渦特性參數進行測量。模型進水流量通過電磁流量計測定，出水側采用標準矩形薄壁堰進行流量校核，量水堰堰頂與測針零點誤差小于0.2 mm；進出水池水位利用測針筒引出后采用測針進行測量，水位測針讀數精度可達±0.1 mm；旋渦形態及尺度采用大范圍表面流場測量系統LSSFMS-3101B對進口前的旋渦進行連續捕捉獲得旋渦的形態，再由Hawksoft PIV 軟件進行圖像疊合處理獲得時均的旋渦形態及平面尺度；旋渦持續時間采用連續攝像的方式記錄后由后臺處理得到；水流流態通過觀察法并結合水流示蹤數碼攝像和照相的方法進行輔助測量。

3 試驗結果與分析

3.1 原設計方案試驗

原設計方案進水池體型見圖4。試驗在運行頻率最頻繁的設計總流量125 m3/s（單管流量25 m3/s，進水池水位1 979.71 m），5管同時運行條件下進行。

圖4 倒虹吸進水池原設計方案布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of the original design scheme of the inverted siphon sump

3.1.1 進水池流態及倒虹吸進口旋渦形態

試驗觀察到，進水池前來流平順，進水池內水面平穩，無明顯波動，水流沿進水池行進過程中，逐漸分流轉向，流入各倒虹吸進口中，5根倒虹吸管進口前均形成了持續性吸氣旋渦，旋渦旋轉方向為順時針方向，最大旋渦表面直徑約為2 m，相比較而言，1 號管前的進口流態最差，旋渦最為強烈，旋渦強度按照1、2、3、4、5號的順序逐漸遞減，倒虹吸管進口流態見圖5。

圖5 原方案倒虹吸管進口水流流態Fig.5 The flow pattern of the inlet water flow in the inverted siphon of the original scheme

3.1.2 倒虹吸進口旋渦形成原因分析

水利工程進水口前出現旋渦是一種普遍現象，其形成原因是多方面的，對于工程的進水口，進口存在縱向、橫向突然收縮，進水池的來流與進水口出流方向存在60°夾角（側向進水），水流在行進過程中存在橫向流動分量，而且進水池在倒虹吸進口附近具有旋渦自由旋轉的空間，另外，進水池右側與1號倒虹吸管的邊界連接采用突變等都會引起旋渦的形成。受地形地質條件限制，進水池采用側向進水方式，來流與倒虹吸進水方向存在60°角，因此，倒虹吸進口前產生持續吸氣旋渦的主要原因是受地形、地貌和地質條件限制，采用了側向進水、進口前邊界存在突變等因素造成的。

3.2 消渦方案比較試驗

3.2.1 消渦的主要思路及消渦方案

根據旋渦形成的原因，消除旋渦的方法應該是取消引起旋渦形成的條件。但是實際的進水口布置由于地形、地貌和地質條件以及經濟性的限制難以做到?，F有的消渦措施主要有增加進水口的淹沒深度，設置消渦梁、消渦板，進口前水面設置浮體，改變進口胸墻體型，調整來流方向等。根據工程的布置及限制條件，提出通過優化進水渠右側墻體型，調整倒虹吸進口導流墩型式，進口設置消渦板，側墻設置豎向消渦梁的不同組合方法進行消渦，在保證消渦效果的前提下力求結構體型簡單為原則。設導流墩長度為L，消渦板距底板高度為B，豎梁的高度為t，倒虹吸進口高度a作為特征長度，擬定的四種消渦方案（圖6）主要參數如下：

圖6 四種進水口體型優化方案布置圖（單位：mm）Fig.6 Layout of four types of water inlet optimization plan

方案一，將進水池進口段右側邊墻改為橢圓曲線，同時將各個倒虹吸管進口前的導流墩延長至6.25 m（L/a=1.56）。

方案二，進水池進口段右側邊墻與方案一相同，將各倒虹吸管進口前的導流墩較原方案延長9.25 m（L/a=2.31）。

方案三，進水池進口段右側邊墻與方案一相同，將各倒虹吸管進口前的導流墩較原方案延長8.30 m（L/a=2），并在進口前1.80 m 處設置一個消渦板，消渦板底與進口底板（高程1 969.697 m）的距離為6.90 m（B/a=1.72），消渦板底高程為1 976.597 m。

方案四，在方案三的基礎上進行了進一步優化。在1 號孔右側邊墻加一根截面為梯形的豎梁，梯形梁的高度為0.40 m（孔口高度的0.1 倍），同時在2～5 號孔前，增設第二道消渦板，第二道消渦板與坡底（分縫）平行，設置在底坡線上游1.8 m，消渦板底與進口底板距離為7.20 m（B/a=1.8），底高程為1 976.897 m。

3.2.2 消渦方案試驗

試驗觀察到，總體上消渦方案一倒虹吸管進口前的水流流態較原設計方案有明顯的改善。具體表現在3 號管、4 號管和5號管進口前的旋渦由設計方案的持續吸氣性旋渦轉變為間歇性吸氣旋渦，1 號管和2 號管進口前雖仍有連續性吸氣旋渦，但旋渦的尺寸大為縮小，旋渦表面直徑約為0.8 m。

消渦方案二倒虹吸進口前的流態與方案一基本相同，雖然較方案一有一定程度的改善，即旋渦的強度有所降低，旋渦大小有所減小，但1 號管和2 號管進口前仍有持續的吸氣旋渦，3號管、4 號管和5 號管進口前仍存在間歇性少量吸氣旋渦。說明單一靠延長導流墩長度不足以消除進口前的旋渦。

從消渦方案三的試驗可以發現，與消渦方案一和二相比，倒虹吸進口前的水流流態有比較大的改善。但1號管進口消渦板前仍觀測到間歇性微凹渦，并伴有少量的吸氣現象；2號孔至5號孔，進口消渦板前觀測到偶發性的微凹渦，偶有微量的吸氣現象。

消渦方案四的試驗結果表明，該方案下倒虹吸管進口前的吸氣現象完全消失，僅在進口前存在偶發的微凹渦，旋渦的尺度也大為減小。

從上述消渦試驗可以得出，延長進口前的導流墩，可以在一定程度上改善水流流態，但不能消除吸氣旋渦；在適當延長導流墩的基礎上，通過增設消渦板，在最靠近上游的1#孔右側邊墻設置豎梁，可以完全消除倒虹吸管進口的吸氣現象，因此可以作為優選方案。

各消渦方案旋渦特性參數列于表1，倒虹吸進口水流流態見圖7。

表1 各消渦方案旋渦特性參數Tab.1 Vortex characteristic parameters of each vortex elimination scheme

圖7 倒虹吸管進口水流流態（Q=125 m3/s）Fig.7 Flow pattern at the inlet of Inverted Siphon（Q=125 m3/s）

3.3 優選方案試驗

3.3.1 優選方案試驗參數組合

為了檢驗優選方案是否全面滿足校核及檢修工況的運行要求，對在設計水位及流量條件下得到的消渦方案進行進一步的試驗，試驗參數組合見表2。

表2 優選方案試驗參數組合Tab.2 Test parameter combination of the optimal scheme

3.3.2 優選方案試驗結果

倒虹吸校核運行工況，即單管流量27 m3/s（總過流量為135 m3/s），5 管同時運行，進水池水位1 980.365 m 時，進水池水流流態與設計方案（總流量125 m3/s）時基本相同，倒虹吸管進口出現偶發性弱小微凹渦，沒有吸氣現象，旋渦大小約0.3 m。校核工況雖然單管流量增加了2 m3/s，但是進水池水位增加了0.655 m，相應地倒虹吸管的淹沒水深也增加了0.655 m，增加的淹沒深度基本抵消了流量增加導致旋渦增強的趨勢，因此總體流態沒有惡化。

倒虹吸管在檢修期間運行時，根據檢修的具體情況，可能存在5 管以下的多種組合運行方式，試驗中分別進行了1 管、2管、3管和4管的總共30種的試驗組合。試驗結果表明，各種倒虹吸管組合的檢修工況，倒虹吸管進口前僅出現偶發性弱小微凹渦，沒有吸氣現象，旋渦大小約0.2 m。雖然檢修工況，倒虹吸進水池水位均不同程度低于5 根管設計運行時的水位，但倒虹吸管進口均未發現吸氣旋渦等不良流態，說明檢修工況，進水渠來流流量不同程度減小，水流在行進過程中的橫向流動分量也相應減小，抵消了淹沒深度減小旋渦加強的趨勢，在設計水位流量工況條件下得到的消渦方案可以滿足檢修工況要求。

4 結 論

（1）除了傳統布置的縱向和橫向收縮，側向進水倒虹吸管，由于來流與倒虹吸進水方向存在夾角，邊界存在突變等均容易導致進口附近產生吸氣旋渦的不良流態；

（2）對于多管倒虹吸，側向進水沿水流方向越靠近進水側（上游）的進水口越容易產生旋渦，沿水流方向旋渦有逐漸減弱的趨勢；

（3）延長導流墩對于改善進水池旋渦有一定的效果，但是純粹靠延長導流墩不能完全消除進口旋渦，當導流墩長度L/a超大2以后，消渦的作用不再增加；

（4）采用延長導流墩+加消渦板的方式對于改善側向進水倒虹吸管進口旋渦的效果明顯；

（5）曲線邊墻+延長導流墩（L/a=2）+兩道消渦板（B/a=1.72、1.8）+豎向消渦梁（t/a=0.1）的組合消渦方法可以完全消除側向進水倒虹吸管進口的吸氣旋渦，滿足全工況運行要求，對于類似的側向進水口的消渦設計具有參考應用作用；

（6）基于重力流運行的倒虹吸，基于設計工況下得到的消渦措施可以滿足全工況運行要求。