段文剛，黃國兵，張 暉，李 利

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

幾種典型水工建筑物進水口消渦措施試驗研究

段文剛，黃國兵，張 暉，李 利

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

為探索水工建筑物進口的消渦措施，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。進水口前立軸漩渦形成的誘因較為復雜，對于平面回流、不對稱進流和側向進流等不利流態(tài)引發(fā)的立軸漩渦，可布設浮堤破除回流（如導流洞）或加高進口兩側翼墻阻斷橫向水流（如河道倒虹吸），進而達到消減漩渦的目的；對于進口前水流條件較好，而由進口體型導致的立軸漩渦（如渠道倒虹吸），將進口頂部橢圓曲線（或圓?。┘哟笄悬c上移至最高運行水位附近或將豎直胸墻調整為向上游傾斜狀，可起到擠壓漩渦區(qū)的作用，引導水流平順下泄，達到消減漩渦的功效。

水力學；漩渦；進水口；試驗研究；消渦措施

1 概 述

水工建筑物有壓式進水口前形成的立軸漩渦，是較常見的水力現(xiàn)象。漩渦形成的因素很多，主要有進水口來流的邊界條件（如不對稱來流邊界、側向進流）、進水口的水力要素（如淹沒深度、流速）和進水口體型等。根據(jù)漩渦的形態(tài)和強度，可定性地分為不吸氣漩渦、間歇性吸氣漩渦和貫通式漩渦等3大類，應按其發(fā)生的水工建筑物進水口類別區(qū)別對待漩渦（消減或引導），一般可做如下描述和評價（見圖1）。①不吸氣漩渦（A型）：水面輕微凹陷，基本不吸氣，偶爾串入個別氣泡，對建筑物安全運用無影響；②間歇性吸氣漩渦（B型）：水面下凹較深，形成帶有尾部的立軸漩渦，間歇性將成串氣泡帶入，應盡量避免；③貫通式漩渦（C型）：又可分為間歇串通漩渦和穩(wěn)定串通漩渦，漩渦充分發(fā)展，尾部經(jīng)常吸氣，存在貫通連續(xù)的空氣進入通道，形成挾氣渦流帶，易形成氣囊，應禁止［1－9］。

本文結合作者近幾年的工程科研任務，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與消減的工程研究實例著手，介紹了消除漩渦的試驗過程，具有較高的工程實用價值。

圖1 進水口漩渦形態(tài)示意圖Fig.1 Sketch of intakes vortex

2 電站進水口

某工程地下電站引水口地處右岸凹塘，與右岸電廠相毗鄰，布置6臺機組，自左至右編號為1＃－6＃，總裝機容量420萬kW。單機流量為960 m3／s，壓力管道內(nèi)徑為13.5 m，管內(nèi)流速6.7 m／s。電站進水口由引渠、攔污柵結構、進口段、閘門段和漸變段組成（見圖2）。原隔離右岸電廠與地下電站的偏巖子山體，施工中已部分開挖形成連通道，使右岸電廠前緣與地下電站前緣連通。連通道底部高程140m，最小寬度162m。地下電站引水受主河道河勢及進口前緣周邊地形影響，形成正向和側向混合進流，主流繞鳳凰山外側而過，流線彎折迂回，最后由引渠匯入；另一部分水流自連通道側向匯入。進水口上游右側大片水域呈微弱回流區(qū)，引渠內(nèi)也呈回流流態(tài)，且回流強度略大，地下電站引水流態(tài)見圖3。

2.1 進口流態(tài)與漩渦特性分析

為探索進口前局部流態(tài)和漩渦特性，試驗時將進口前攔污柵結構體拆除，觀測其典型運行工況的流態(tài)，分析漩渦形成的誘因。試驗條件下，地下電站左側1＃，2＃機進水口前形成逆時針游移的立軸漩渦，活動范圍主要集中在進口前20 m內(nèi)水面，A，B和C型漩渦均有發(fā)生。其中，直徑達1～2 m的間歇性吸氣漩渦（B型）較為常見（見表1和圖4），水面下凹較深，渦心深度為2～3 m，形成漏斗狀，間歇性將成串氣泡帶入管道。個別工況甚至出現(xiàn)直徑約4 m的貫通式立軸漩渦，尾部形成挾氣渦流帶，持續(xù)將空氣帶入洞內(nèi)。

從流態(tài)分析，左側機組引水條件主要受連通道來流影響較大，低水位（如143 m）時，連通道來流量較小，且受電站引水主流頂托，多半水流未行進至進口前緣，就折向逆流而上，匯入偏巖子上右側回流區(qū)，未對機組的引水條件產(chǎn)生直接影響，故左側機組進口前漩渦形態(tài)減弱，出現(xiàn)頻度降低。隨著壩前水位的抬升，連通道來流量越來越大，在與電站引水主流在1＃機左側遭遇后，其中一部分水流受主流影響，折向匯入回流區(qū)，另一部分水流徑直橫向穿越，行至左側機組進口前緣，進入壓力管道。就是這部分從左側橫向（或斜向）匯入的連通道來流，引起1＃機組附近水流結構復雜，流動環(huán)量加大，誘使立軸漩渦形成和發(fā)展。隨著庫水位繼續(xù)抬升，進口水流淹沒度加大，漩渦形態(tài)又有減輕的趨勢。

圖2 地下電站進水口布置圖Fig.2 Intake of underground hydropower station

圖3 地下電站進口流態(tài)示意圖Fig.3 Flow pattern of underground hydropower station intakes

圖4 地下電站1＃機前緣漩渦形態(tài)Fig.4 Intakes vortex characteristic at No.1 generation set of underground power station

表1 拆除攔污柵結構進口漩渦特性Table1 Intakes vortex characteristic w ithout framework of trash racks

右側6＃機組進口前形成順時針游移的立軸漩渦，漩渦形態(tài)較左側1＃機大為減弱，主要為A型和B型，未見C型貫通式漏斗漩渦。低水位運用時，漩渦形態(tài)趨于穩(wěn)定，直徑達1～2 m，持續(xù)時間長，幾乎不間斷。隨著庫水位升高，漩渦越來越微弱，155 m及以上庫水位，進口前漩渦基本消失。分析可見，6＃機組進口漩渦由右側邊坡斜向匯入的水流引起，隨著進口水流淹沒深度加大，漩渦又漸趨消失。總之，地下電站進口漩渦形成是側向（或斜向）來流、淹沒深度與進口體型等因素綜合作用的結果，連通道流速流態(tài)與過流量對其有明顯影響。

2.2 消渦措施試驗

初步分析認為，進水口前立軸漩渦形態(tài)惡劣與未安裝攔污柵結構體有較大關系。攔污柵結構體尺寸12.5 m×216.5 m（長×寬），6臺機組前全斷面布置，自下至上設置了6層水平結構單元（見圖5），由各式墩、梁與板結構組成，并在高程147 m支撐橫梁上加裝水平蓋板。

圖5 地下電站進水口攔污柵結構體Fig.5 Framework of trash racks of intakes of underground power station

安裝攔污柵結構后試驗表明，地下電站6臺機組進口前均未出現(xiàn)吸氣漩渦，更未出現(xiàn)危害機組安全運行的貫通式漩渦。當樞紐下泄流量45 540 m3／s，低水位時6＃機組進口前出現(xiàn)微小漩渦，渦心下凹深度有限，多在0.3～0.5 m之間，最大漩渦直徑0.3～0.8 m，且持續(xù)時間較短，出現(xiàn)頻度低。隨著壩前水位抬升，進口淹沒深度加大，6＃機前緣漩渦逐漸消失。而隨著連通道過流量漸增，其側向匯入水流對左側1＃機組進口引水條件影響漸大，其前緣開始出現(xiàn)漩渦，但漩渦直徑不大，水面輕微凹陷，持續(xù)時間短，同6＃機進口前緣漩渦形態(tài)相似，基本不吸入空氣，均可判定為A型漩渦（見表2）。

表2 安裝攔污柵結構進口漩渦特性Table2 Intakes vortex characteristic of underground hydropower station

分析認為，這些由各式墩、梁與板組成的攔污柵結構體，實際起到消渦梁、板的作用，特別是放置在高程147 m支撐梁上水平蓋板，相當于工程消渦措施中經(jīng)常運用的消渦板，有效地阻止了立軸漩渦的形成，隔斷了空氣（或氣泡）進洞的連續(xù)通道，而由邊墩和中墩組成的垂直結構單元也可大大減緩側向進流。漩渦多數(shù)在進口前20 m以內(nèi)水面游移，而攔污柵結構長12.5 m，正好處于原漩渦形成活動的水域，即攔污柵結構布置直接改變了漩渦形成的邊界條件，改善了局部水流結構，從而將進口漩渦予以消減。

試驗表明，進口附近布設的其它結構體，只要設置恰當，可起到消渦板消減漩渦的功效。

圖6 導流洞進口結構布置Fig.6 Intake outlet of diversion hole

圖7 導流洞引水水流流態(tài)Fig.7 Intake flow pattern of diversion hole

3 導流洞進口

導流洞進水口一般布置在大壩旁側，運行水位較低，淹沒深度有限，進口前出現(xiàn)立軸漩渦是較為常見的水力現(xiàn)象。某工程施工導流采用土石圍堰擋水，導流標準為50年一遇洪水，經(jīng)調蓄后導流洞下泄8 126 m3／s，布設3條導流隧洞，洞內(nèi)最大流速約18 m／s。導流洞進水口布置由進口段、閘門段和漸變段組成（見圖6），進口底板高程1 880 m，頂緣高程1 900.5 m。由于工程地質條件限制，導流洞進口布置在大壩右岸隅角，遠離主河槽，通過引渠與上游河道銜接。導流洞進口水流條件受邊界地形影響較為明顯，流態(tài)復雜，流線曲折迂回。水流自上游河道斜向導入引渠，而后流向又突轉近90°，呈斜向或側向進流形態(tài)匯入隧洞進口（見圖7）。在小泄量、低水位工況下，進口前無明顯不利流態(tài)，未出現(xiàn)吸氣漩渦；而大泄量、高水位工況下，進口前水域有較強的平面回流，出現(xiàn)不同程度的吸氣漩渦。

當導流洞下泄8 126 m3／s，上游圍堰水位1 933.2 m時，導流洞進口前出現(xiàn)強烈的表面水體旋轉現(xiàn)象，間歇性形成吸氣漏斗漩渦，最大漩渦直徑可達8～10 m（見圖8），多數(shù)時候為B型，偶爾會演變成C型貫通式漩渦，將空氣帶入洞內(nèi)。分析認為，導流洞進口前大范圍的淺表層平面回流是漩渦形成的主要誘因。試驗中嘗試采用多種浮堤布置方案（包括不同的浮堤數(shù)量及長度等）破除導流洞進口前回流。最終確定了在1＃洞和2＃洞左側分別設置兩道浮堤的方案，浮堤尺寸換算到原型為寬度1.5 m，吃水深度2.5 m。通過比選，1＃洞前左側浮堤長度采用100 m，2＃洞前左側浮堤長度采用60 m，浮堤布置見圖9。

圖8 導流洞進口前漩渦形態(tài)Fig.8 Intake vortex characteristic of diversion hole

圖9 浮堤布置方案示意圖Fig.9 Floating em bankment outlet of intake

加設浮堤試驗表明，消渦效果明顯，1＃和2＃洞進口前僅有微弱的表面水體旋轉現(xiàn)象，水面凹陷很小，吸氣漩渦消失。

試驗表明，對于由淺表層平面回流引發(fā)的進口漩渦而言，布設浮堤是一項簡單易行的工程消渦措施，投資少，效果好。

4 渠道倒虹吸進口

4.1 進水口布置與漩渦特性

某大型渠道倒虹吸布置為2條直徑7.0 m的隧洞。設計流量265 m3／s，加大流量320m3／s，洞內(nèi)流速約4.2 m／s。進水口由安全柵、進口段、閘門段、漸變段等組成（見圖10），進口底板高程106 m，頂緣為豎直胸墻接1／4橢圓曲線（橢圓方程為1），橢圓頂點高程115 m，緊貼胸墻前布置安全柵，閘孔頂板高程為113 m，孔口尺寸6 m×7 m。

圖10 進水口原方案布置和漩渦示意圖Fig.10 Outlet and vortex characteristic of intakes

倒虹吸雙洞過流量從大到小，隧洞進口安全柵前兩側水面漏斗旋渦的強度和頻度，由強到弱直至消失。當雙洞過流320 m3／s，上游水位118.1 m時，明渠水流繞半圓形分流墩墩頭下行，分別進入兩洞閘室段。安全柵前有回流產(chǎn)生，左、右兩側各出現(xiàn)有一個逆時針和順時針的間歇性吸氣漩渦（B型），漩渦出現(xiàn)在胸墻前3.5 m范圍內(nèi)，最大直徑約1 m。吸氣漩渦出現(xiàn)的頻度較高，間歇性將成串氣泡帶入洞內(nèi)。進洞后部分氣泡從門井中逸出，部分進入隧洞貼附其頂緣下行。單洞過流160，150 m3／s時，隧洞進口安全柵前亦有類似立軸漩渦出現(xiàn)。

4.2 消渦措施研究

針對大流量運用時隧洞進口出現(xiàn)程度不同的間歇性吸氣漩渦，對進口體型進行了5個方案的修改和優(yōu)化（見表3和圖11）。

方案1：將雙洞引渠間的分流墩由半圓形修改為矩形，墩頭加設小圓弧，目的是延長閘室順直段的長度，使進流更具對稱性。試驗發(fā)現(xiàn)，由于引渠長度增加有限，在265 m3／s和320 m3／s兩級流量過流時仍有程度不同的間歇吸氣漩渦產(chǎn)生，進口流態(tài)改善不明顯。

表3 進口體型優(yōu)化與漩渦特性Table3 Shape optim ization and vortex characteristic of intakes

圖11 進口體型優(yōu)化各方案對比Fig.11 Com parison of various optim ization schemes of intake shape

方案2：將緊貼豎直胸墻放置的安全柵前移11 m，目的是使來流經(jīng)安全柵梳理后進一步平順水流，試驗觀察進口流態(tài)改善不大。

方案3：將進口豎直胸墻調整為向上游傾斜45°的斜胸墻（并保持斜胸墻與橢圓相切）。試驗發(fā)現(xiàn)，進口流態(tài)顯著改善，在隧洞過流260 m3／s和320 m3／s時，以往方案出現(xiàn)的吸氣漩渦完全消失，進口前水面偶有微小淺表層破碎渦。

方案4：將進口頂緣橢圓曲線長、短軸加大（大喇叭口型），按照有關規(guī)范提出的長短軸比例以及與閘孔高度的關系，確定出進口橢圓曲線方程為。試驗觀察進口流態(tài)水力條件也有較大改善，吸氣漩渦幾乎消失，但有淺表層漏斗漩渦出現(xiàn)。

圖12 方案5布置Fig.12 Layout of scheme NO.5

當然，若不考慮工作量，僅以進口水力條件評價，方案3也是較好的進口體型。

另有類似渠道倒虹吸工程，進口原方案為豎直胸墻接1∶5斜坡段（箱涵管道），布置較為簡單。試驗發(fā)現(xiàn)大流量400 m3／s運行時，在距進口2～4 m處出現(xiàn)間歇性吸氣漩渦（B型）。將豎直胸墻改為的圓弧曲線，上切點接近大流量對應的最高運行水位，下切點接1∶5斜坡段（見圖13），試驗發(fā)現(xiàn)原形成的間歇性吸氣漩渦基本消失，水面偶爾出現(xiàn)淺表層破碎渦（A型），未見氣泡進入管道，表明該方案消渦效果顯著。

總之，將進口頂部橢圓曲線（或圓?。┘哟笄悬c上移至最高運行水位附近或將豎直胸墻調整為向上游傾斜狀，可起到擠壓漩渦區(qū)，改善局部水流結構，引導水流平順下泄，達到消減漩渦的目的。

5 河道倒虹吸進口

某河道倒虹吸與輸水明渠斜交布置，防洪標準按100年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核，相應倒虹吸管下泄流量分別為435 m3／s和541 m3／s。工程布置為6孔（3孔一聯(lián)）4.5 m×4.5 m的箱型涵管，管內(nèi)流速約4.5 m／s，進水口由圓弧翼墻連接段和進口段組成，進口底板高程135.5 m（見圖14）。

圖13 進口胸墻布置對比Fig.13 Com parison of various layouts of core wall at intake

圖14 進口布置及漩渦形態(tài)示意圖Fig.14 Intake layout and vortex characteristic

在校核流量倒虹吸下泄541 m3／s，進口水位142 m時，水流由河槽和兩岸邊灘聯(lián)合行洪。倒虹吸管進口漫灘洪水自兩側圓弧翼墻140.5 m平臺橫向匯入，產(chǎn)生橫向水流且流量相對較大，與虹吸管進口正向來流交匯，且其橫向流速大小與順流流速較為接近，引起兩邊孔進口水流條件復雜，導致進口兩側隅角處出現(xiàn)B型立軸旋渦，將大量氣泡攜帶入管道內(nèi)，且進洞氣泡易在管道內(nèi)聚集，形成大面積氣囊，對管道的進流條件和安全運行較為不利。

針對兩側邊孔出現(xiàn)的不利吸氣漩渦，進行了3個方案的體型優(yōu)化（見圖15）。

方案1：將進口胸墻加高并適當向兩端延伸，高度至最高洪水位以上，右側與總干渠上游邊坡相接，左側適當延伸30 m，用以阻斷進口上下游的水流交換。試驗表明，進口兩側隅角B型立軸漩渦依然存在，該方案對改善進口不良流態(tài)未見有明顯影響。

圖15 進口消渦方案對比Fig.15 Com parison of intake schemes for elim inating vortexes

方案2：將兩側圓弧翼墻加高至最高洪水位（142 m）以上，用以阻斷兩側的橫向水流。試驗表明，進口兩側漩渦消失，流態(tài)改善顯著.

方案3：將兩側圓弧翼墻和進口豎直胸墻全部加高至最高洪水位以上（142 m），試驗結果與方案2相似，表明進口胸墻加高對改善進口水流條件影響不大。

試驗表明，阻斷建筑物進口附近側向水流，保持孔口良好的水流結構和水流流態(tài)，可有效消減漩渦的產(chǎn)生。

6 結 語

有壓式進水口前立軸漩渦形成的誘因較為復雜，對于平面回流、不對稱進流和側向進流等不利流態(tài)引發(fā)的立軸漩渦，可布設浮堤破除回流（如導流洞）或加高進口兩側翼墻阻斷橫向水流（如河道倒虹吸），進而達到消減漩渦的目的；對于進口前水流條件較好，而由進口體型導致的立軸漩渦（如渠道倒虹吸），將進口頂部橢圓曲線（或圓?。┘哟笄悬c上移至最高運行水位附近或將豎直胸墻調整為向上游傾斜狀，可起到擠壓漩渦區(qū)的作用，引導水流平順下泄，達到消減漩渦的功效。

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（編輯：王 慰）

Experimental Research on Vortexes Elim inating of Several Typical Hydraulic Intakes

DUANWen-gang，HUANG Guo-bing，ZHANG Hui，LILi
（Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Themeasures to eliminate vortexes in the intakes of hydraulic structures such as power station，diversion tunnel，inverted siphon culvert，and inverted siphon river course were studied through a series ofmodel test，in which the inducement factors of the vortex formation in practical projects were considered and the experimental process of vortex elimination was analyzed in detail.The inducements of the vortex formation at the vertical shaft in front of the intakes are very complicated.To eliminate the vertical shaft eddies induced by plane backflow，unsym-metrical inflow，and lateral inflow，we can set floating embankment to avoid backflow（e.g.，in diversion tunnel）or heighten the wing walls to block the lateral flow（e.g.，in inverted siphon river course）.For the intakes with good flow condition，vertical shaft eddiesmay also be generated due to the inlet shape.This kind of vortexes could be eliminated bymoving the tangency point of the elliptic curve at intake top up to the highestoperation water level or adjusting the vertical core walls to be inclined upstream，by which the vortex areamay be compressed and the flow can be guided to discharge unhindered and smoothly.

hydraulics；vortex；intakes；model test；measures of vortexes eliminating

TV671

A

1001－5485（2011）02－0021－07

2010-02-23

“十一五”國家科技支撐計劃課題（2008BAB29B02，20098BAK56B03）

段文剛（1972-），男，河南南召人，高級工程師，主要從事水力學研究，（電話）027-82829863（電子信箱）ckydwg＠163.com。