彭　誠，王均星，譚哲武

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U 型堰進(jìn)水口防渦墩試驗(yàn)研究

彭誠1，王均星1，譚哲武2

（1．武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢430072；
2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢430010）

進(jìn)水口漩渦是一種常見的水力學(xué)問題。以遼寧省清河分水口工程為研究背景，采用物理模型試驗(yàn)的方法，在大比尺為1/10的模型條件下對分流堰部位的進(jìn)水口漩渦進(jìn)行了重點(diǎn)試驗(yàn)研究。通過對原設(shè)計(jì)方案的相對臨界淹沒水深、速度與環(huán)量、進(jìn)水口邊界條件3個(gè)漩渦成因進(jìn)行分析，從邊界條件的角度出發(fā)提出了修改方案下邊墻段的截彎取直、U型堰與防渦墩相結(jié)合的消渦方法。試驗(yàn)結(jié)果證明，修改方案不僅避免了進(jìn)水口初始環(huán)量的產(chǎn)生，改善了整個(gè)分水口的水流流態(tài)，同時(shí)還優(yōu)化了進(jìn)口邊界條件，顯著地達(dá)到了消除進(jìn)水口漩渦的目的。

進(jìn)水口漩渦；U型堰；防渦墩；消渦；模型試驗(yàn)

doi：10．11988/ckyyb．20150438

1　研究背景

漩渦是一種極其復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)，具有非定常性和非線性2項(xiàng)復(fù)雜機(jī)制，對漩渦的研究涉及到流體力學(xué)、紊動(dòng)力學(xué)等知識。漩渦極易發(fā)生在進(jìn)水口前，且危害很多，如降低進(jìn)水口的泄流能力、引起機(jī)組或結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)、降低機(jī)組效率、堵塞或損壞攔污柵等［1］。

對漩渦類型的研究，美國麻省Worcester綜合研究所得出了較為認(rèn)可的6種類型漩渦［2-3］：①表面渦紋，表面不下凹，水流旋轉(zhuǎn)不明顯；②表面凹陷渦，表面微凹，水面之下有淺層的緩慢旋轉(zhuǎn)流體，但未向下延伸；③染料核渦，表面下陷，有明顯的漏斗狀旋轉(zhuǎn)水柱；④挾物漩渦，表面下陷明顯，雜物落入漩渦后，會(huì)隨漩渦旋轉(zhuǎn)下沉并吸入取水口內(nèi)，但沒有空氣吸入；⑤間歇吸氣渦，表面下陷較深，漩渦間斷地挾帶氣泡進(jìn)入取水口；⑥連續(xù)吸氣渦，漩渦中心為貫通的漏斗形氣柱，空氣連續(xù)進(jìn)入取水口。

對漩渦問題的研究，物理模型試驗(yàn)依然是最主要的研究手段。近些年來國內(nèi)外為解決實(shí)際工程中遇到的漩渦問題，利用不同比尺系列的水工模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與工程原型結(jié)果進(jìn)行對比，得到了一系列關(guān)于漩渦產(chǎn)生以及發(fā)展規(guī)律、漩渦影響因素、消渦措施等寶貴的試驗(yàn)資料，解決了水電工程建設(shè)中眾多的進(jìn)水口漩渦難題。

消渦措施的方法較多，但是由于受到具體工程的地質(zhì)地貌、運(yùn)行條件等限制消渦方法各異，總體歸納其主要的方法有優(yōu)化進(jìn)口設(shè)計(jì)、改善運(yùn)行方式、設(shè)置專門消渦建筑物等措施［3］。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，采用優(yōu)化進(jìn)口邊界和設(shè)置防渦墩結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式來進(jìn)行消渦試驗(yàn)研究，具體為修改分水口的引水邊界條件、進(jìn)水口邊界條件以及增設(shè)防渦墩消渦結(jié)構(gòu)。

2　工程概況

清河分水口地處于開原市李家臺鄉(xiāng)清河左岸，距下游清河水庫約47．9 km。清河分水口由擴(kuò)散段、分水前池段、檢修閘室段組成。擴(kuò)散段長20．0 m，由隧洞出口6．8 m漸變至前池進(jìn)口8．8 m。分水前池段長40．1 m，底寬42．9 m。

分水前池由 1/4圓弧分流堰（堰頂高程為224．36 m，長48 m）將其分為左右2池：左池為遼西北供水管道進(jìn)水前池，寬為23 m，最低池板底高程為209．75 m，布置3孔遼西北供水管道取水口（D= 3．6 m）和1孔柴河分水口（D=2．9 m）；右池為清河分水前池，寬為11．6 m，出口最低池板底高程為213．07 m，布置有1孔電站取水口和1孔放空閘孔。整個(gè)清河分水口的平面布置如圖1所示。

3　模型制作及消渦方案

3．1模型選取

模型采用λL=10的水工整體正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)［4-5］。模型模擬的范圍為：長度范圍由上游無壓隧洞至電站引水管道下游，總共長度約為210 m；寬度方向?yàn)樽髠?cè)進(jìn)水前池的邊墻模擬至右側(cè)泄水槽邊墻，寬度約為37 m，模型中為3．7 m；高度方向上，最低點(diǎn)為管道進(jìn)水口前，高程為209．75 m，最高點(diǎn)高程為229．54 m。

圖1　分水口平面布置Fig．1　Layout of the diversion intake

3．2消渦的研究方案

清河分水口的上游來流由分流堰一分為二，一部分經(jīng)由左側(cè)進(jìn)水前池后的4根輸水隧道輸出；另一部分則經(jīng)由右側(cè)的引水發(fā)電管道流出。其中管道進(jìn)水前池內(nèi)洞室從左岸至右岸依次表示為1#，2#，3#，4#，根據(jù)閘門開度控制各洞室泄流流量。本文基于大比尺的物理模型試驗(yàn)，研究了正常運(yùn)行工況條件下管道進(jìn)水前池部位的流態(tài)及漩渦情況，正常運(yùn)行工況條件見表1。

表1　試驗(yàn)工況流量分配Table 1　Flow distribution under test scheme

本文涉及的2種方案下的邊界條件，具體結(jié)構(gòu)如下所述。

（1）原方案：擴(kuò)散段左岸邊墻為直角轉(zhuǎn)彎邊墻段，分流堰為1/4圓弧分流堰，其布置如圖1所示。

（2）修改方案：擴(kuò)散段部位邊墻進(jìn)行了截彎取直；進(jìn)水前池內(nèi)將原方案的1/4圓弧分流堰改為了對稱的U型分流堰；在進(jìn)水口30°漩渦易發(fā)區(qū)增設(shè)防渦墩；在U型堰上設(shè)置隔水導(dǎo)墻（灰色方框所示），其布置如圖2所示。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1原方案試驗(yàn)結(jié)果

原方案條件下的試驗(yàn)結(jié)果包括閘室段進(jìn)水口的漩渦流態(tài)進(jìn)行描述，測量漩渦的發(fā)生位置、漩渦的直徑以及持續(xù)時(shí)間等。然后通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而得出消渦的具體措施。

圖2　修改方案布置Fig．2　Layout of modified scheme

4．1．1漩渦流態(tài)

在正常運(yùn)行工況下，閘室段各隧洞進(jìn)口外觀流態(tài)如圖3所示。

圖3　各洞室進(jìn)口流態(tài)Fig．3　Flow patterns of inlet in the four chambers

由圖3中的外觀流態(tài)可知，1#和3#進(jìn)水口均有不同程度的漩渦流態(tài)產(chǎn)生，2#和4#進(jìn)水口漩渦不明顯，但是有明顯的回流現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中，4個(gè)進(jìn)水口的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2　各進(jìn)水口漩渦試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2　Test data of swirl in four intakes

結(jié)合圖3、表2可知，1#與3#洞進(jìn)水口有明顯和穩(wěn)定的漩渦產(chǎn)生，分別為表面凹陷漩渦和挾物漩渦；2#，4#洞進(jìn)水口漩渦不明顯，為表面渦紋。漩渦的位置和大小均不固定，在閘室段一定范圍內(nèi)游弋變化；同時(shí)，漩渦出現(xiàn)的時(shí)間具有規(guī)律性，按照一定時(shí)長的頻率交替出現(xiàn)。

4．1．2漩渦成因的分析

漩渦的形成主要受來流條件、運(yùn)行條件、邊界條件以及水流特性等因素的影響。在模型試驗(yàn)研究中，一般不考慮黏滯力和表面張力的影響，因此本文在對漩渦成因的分析中僅從相對臨界淹沒水深［6］、速度與環(huán)量、進(jìn)水口邊界條件3個(gè)方面進(jìn)行分析。

4．1．2．1相對臨界淹沒水深

在邊界條件、來流條件和運(yùn)行條件一定時(shí)，存在一個(gè)臨界淹沒水深Sc，低于該水深則可能誘發(fā)漩渦。參照臨界水深經(jīng)驗(yàn)公式以及規(guī)范［7］，本工程中選取臨界水深公式為式中：C為系數(shù)，對稱水流取值0．54；v為進(jìn)水口斷面平均流速；d為閘孔高度，等于3．6 m。

根據(jù)不可壓縮流體恒定總流的能量方程（式（2））可得流速v=13．70 m/s。

式中：z1為自由水面的位能p1為自由水面的壓強(qiáng)；γ為水的容重；v1為自由水面的流速；z2為進(jìn)口斷面的位能；p2為進(jìn)口斷面的壓強(qiáng)；v2為進(jìn)口斷面的流速；a1，a2分別為自由水面和進(jìn)口斷面的動(dòng)能修正系數(shù)，取1．0；g為重力加速度，取9．8 m/s2，為水頭損失。

根據(jù)式（1）可計(jì)算得Sc=14．04 m，本工程中進(jìn)水孔口軸線高程為211．55 m，相應(yīng)設(shè)計(jì)水位條件下發(fā)生漩渦的臨界水位為225．60 m。因?yàn)檎＿\(yùn)行工況水位為226．00 m，高于臨界水位，不足以誘發(fā)漩渦，所以可以忽略臨界淹沒水深因素的影響。

圖4　進(jìn)水口表面流速分布Fig．4　Velocity distribution at the surface of water inlet

4．1．2．2漩渦的速度

試驗(yàn)對1/4圓弧堰中的流場分布進(jìn)行了研究，分流堰中水流流態(tài)較為紊亂，橫向流速與縱向流速并行，進(jìn)水口流場分布與漩渦方向一致呈環(huán)狀，試驗(yàn)測得閘室段各進(jìn)水口流速分布見圖4。

由流速分布圖4可知，整個(gè)進(jìn)水前池中的流速均較小，在0．35～1．30 m/s范圍波動(dòng)。4個(gè)進(jìn)水口部位的流速均在0．50～0．80 m/s范圍波動(dòng)，呈環(huán)狀分布。1/4圓弧堰上的流速相對較大，在0．57～1．30 m/s范圍波動(dòng)，呈斜向分布。

分析其原因，是因?yàn)槭?/4不對稱圓弧分流堰的邊界影響，一部分水流沿著隧洞軸線縱方向由上游向下游流動(dòng)，還有一部分水流沿著1/4圓弧堰與隧洞軸線成45°～90°的夾角流動(dòng)，且該部分橫向水流的速度較縱向流速大，在0．95～1．30 m/s范圍變化。水流方向的不對稱和大夾角的出現(xiàn)使得水流自然呈現(xiàn)環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，受橫向較大流速分布的影響，水流環(huán)狀運(yùn)動(dòng)成順時(shí)針方向，這與漩渦的試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。4．1．2．3速度環(huán)量

速度環(huán)量為速度v沿封閉曲線L的線積分。當(dāng)上游來流受邊界條件影響使得流速v的方向與進(jìn)水口軸線存在交角時(shí)，會(huì)在進(jìn)水口前形成一定的初始環(huán)量Γ誘發(fā)出現(xiàn)漩渦。1/4圓弧分流堰中環(huán)狀分布的流速促使了速度環(huán)量的產(chǎn)生，速度環(huán)量可以根據(jù)式（3）計(jì)算。式中：vτ為沿順時(shí)針方向的切向流速，本文取平均回流流速；r為計(jì)算半徑，最大取回流半徑，最小取漩渦半徑。

原設(shè)計(jì)方案中4個(gè)進(jìn)水口回流區(qū)的速度環(huán)量分布如表3所示。

由表3可知，在復(fù)雜流場分布的條件下，1#—4#進(jìn)水孔口均產(chǎn)生了一定的初始環(huán)量，創(chuàng)造了誘發(fā)漩渦的條件。

表3　1#—4#進(jìn)水口回流區(qū)速度環(huán)量分布Table 3　Velocity circulation distribution of backflow area at four intakes

綜上所述，受到不規(guī)則邊界條件的影響，1/4圓弧分流堰內(nèi)部呈現(xiàn)橫向、縱向和斜向交錯(cuò)分布的流場；同時(shí)環(huán)狀分布的流場促使了速度環(huán)量的產(chǎn)生，2方面因素共同誘發(fā)了進(jìn)水口漩渦的產(chǎn)生。然而，流場的不規(guī)則分布以及速度環(huán)量的產(chǎn)生主要是受到不規(guī)則邊界條件的影響，因此需要對1/4圓弧分流堰的邊界條件進(jìn)行修改和優(yōu)化，這有助于從根本上改善流場分布的條件。

4．1．2．4進(jìn)水口邊界條件

眾多的工程案例表明進(jìn)水口周圍的邊界條件對漩渦的形成起著主導(dǎo)作用。結(jié)合本工程原方案條件下的邊界條件（如圖5所示）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行漩渦的成因分析。

圖5　漩渦易發(fā)區(qū)范圍Fig．5　Region of vortex-prone areas

（1）不對稱性：整個(gè)模型從擴(kuò)散段開始一直到進(jìn)水前池部分均極具不對稱性，在管道進(jìn)水前池部分，1/4圓弧分流堰的結(jié)構(gòu)使得管道進(jìn)水前池的邊界也不對稱，影響了上游來流的對稱性，使得流速發(fā)生橫向和縱向的交叉分布，誘發(fā)了漩渦的產(chǎn)生。

（2）銳緣性：在模型的左側(cè)連續(xù)有3處直角，使得進(jìn)水邊界較尖銳。這樣的邊界容易使得水流速度發(fā)生瞬時(shí)突變，嚴(yán)重影響水流的順暢。

（3）復(fù)雜性：整個(gè)分水口結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，分布有平坡段、斜坡段、鉛垂段、直角段等邊界條件，尤其是1/4圓弧分流堰的結(jié)構(gòu)的存在使得整個(gè)分水口一分為二，改變了流場的連續(xù)性和均勻性。

（4）漩渦易發(fā)區(qū)：除上述外圍邊界條件對漩渦成因的影響外，進(jìn)水口斜上方部位也是產(chǎn)生漩渦的重要條件。根據(jù)日本研究成果表明，在進(jìn)水口上方30°的范圍存在一個(gè)漩渦易發(fā)區(qū)。本工程案例中漩渦易發(fā)區(qū)的范圍（陰影部分）如圖5所示，在30°漩渦易發(fā)區(qū)沒有設(shè)置消渦和防渦的措施，加之進(jìn)水口周圍的邊界具有不對稱性、銳緣性、復(fù)雜性的特征，從而促使了漩渦的產(chǎn)生。

4．1．3消渦措施

由原方案條件下的試驗(yàn)結(jié)果可知，臨界淹沒水深不足以誘發(fā)漩渦的產(chǎn)生，復(fù)雜的流場和環(huán)量誘發(fā)了漩渦的產(chǎn)生，然而流場的不規(guī)則分布主要是受到不復(fù)雜邊界條件的影響，因此究其原因需要對分水口的邊界條件進(jìn)行修改和優(yōu)化，以從根本上解決漩渦產(chǎn)生的條件。根據(jù)邊界條件的特殊性進(jìn)行以下防渦措施的修改。

（1）從對稱性角度出發(fā)，將1/4圓弧分流堰進(jìn)行修改為對稱的U型堰。

（2）從銳緣性角度出發(fā)，將直角邊墻段截彎取直。

（3）從30°漩渦易發(fā)區(qū)角度出發(fā)，在該區(qū)域設(shè)置專門消渦結(jié)構(gòu)——防渦墩。并設(shè)置隔水導(dǎo)墻：在第1排防渦墩至進(jìn)口的位置，U型分流堰左右兩側(cè)對稱加高，加高長度各為6．4 m，高度從U型堰頂高程224．36 m加高至229．54 m，與橫向隔水墻相接。

4．2修改方案試驗(yàn)結(jié)果

在修改方案條件下進(jìn)行同工況下的試驗(yàn)研究，其中1#—4#洞進(jìn)水口的外觀流態(tài)如圖6示。

圖6　修改方案進(jìn)水口流態(tài)Fig．6　Flow patterns at intakes in modified scheme

由圖6可知，在修改方案條件下1#—4#洞進(jìn)口在試驗(yàn)整個(gè)過程均無漩渦流態(tài)產(chǎn)生，各進(jìn)水口流態(tài)平穩(wěn)良好。以上試驗(yàn)結(jié)論說明修改方案中的防渦措施從本質(zhì)上解決了原設(shè)計(jì)方案中的漩渦問題，證明了修改措施是合理的，現(xiàn)對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

（1）直角轉(zhuǎn)彎邊墻段的截彎取直，1/4圓弧分流堰改為對稱的U型分流堰這2項(xiàng)措施的結(jié)合，改變了原方案中水流不均勻不對稱的現(xiàn)象，水流在U型分流堰中變得對稱均勻分布，這為水流平順地進(jìn)入閘室段營造了條件。

（2）防渦墩結(jié)構(gòu)的設(shè)置，一方面其特殊的布置方式改變了水流的大小和方向，使得水流對稱和均勻分布，沒有出現(xiàn)誘發(fā)漩渦的環(huán)量產(chǎn)生；另一方面防渦墩遮擋漩渦的渦心及破壞了漩渦的回轉(zhuǎn)路線，消減了漩渦的回轉(zhuǎn)強(qiáng)度，使漩渦消滅在萌芽中，從而達(dá)到防渦、消渦的目的。

（3）增加的隔水導(dǎo)墻改變了過堰水流的位置和方向，水流受隔水導(dǎo)墻的阻擋作用，其較大的橫向流速的路徑更加偏離閘室段，從而誘發(fā)進(jìn)水口速度環(huán)量的可能性更小，改善了水流流態(tài)，抑制了漩渦的產(chǎn)生。

5結(jié)論

本文采用物理模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行了U型堰下進(jìn)水口防渦墩的消渦研究，解決了漩渦問題，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論，可為同類設(shè)計(jì)提供參考。

（1）在漩渦的成因中，臨界淹沒水深是可以通過合理的水位設(shè)計(jì)來避免誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的。對于臨界淹沒水深的計(jì)算，應(yīng)類比具體工程經(jīng)驗(yàn)選擇計(jì)算公式。

（2）速度和環(huán)量對漩渦的產(chǎn)生起著直接作用。復(fù)雜分布的流速和進(jìn)水口初始環(huán)量的產(chǎn)生會(huì)直接誘發(fā)漩渦，因此需要改善水流條件，盡量避免進(jìn)水口初始環(huán)量的產(chǎn)生。

（3）邊界條件是誘發(fā)漩渦的最主要因素，通過對進(jìn)口邊界條件的合理優(yōu)化可以改善水流的特性，從而防止漩渦的產(chǎn)生。本文通過采用邊墻的截彎取直，分流堰結(jié)構(gòu)的對稱改造，進(jìn)水口上方30°漩渦易發(fā)區(qū)防渦墩結(jié)構(gòu)設(shè)置，閘室段附近隔水導(dǎo)墻的設(shè)置等措施的聯(lián)合作用，有效的消除了漩渦，達(dá)到了理想的消渦效果。

［1］葉茂，伍超，楊朝暉，等．進(jìn)水口立軸漩渦的數(shù)值模擬及消渦措施分析［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2007，39（2）：36-40．

［2］夏毓常，張黎明．水工水力學(xué)原型觀測與模型試驗(yàn)［M］．北京：中國電力出版社，1999．

［3］吳英卓，江耀祖，周赤，等．船閘短廊道輸水系統(tǒng)進(jìn)口漩渦成因及消除措施研究［J］．長江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（11）：52-56．

［4］ 左啟東．模型試驗(yàn)的理論和方法［M］．北京：水利電力出版社，1984．

［5］ 趙昕，張曉元，趙明登，等．水力學(xué)［M］．北京：中國電力出版社，2009．

［6］馬吉明，梁元博．電站雙進(jìn)水口臨界淹沒水深的試驗(yàn)研究［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，40（5）：122-124．

［7］SL285—2003，水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2003．

（編輯：姜小蘭）

Experimental Study on Anti-swirl Pier at the Intake of U-shaped Diversion Weir

PENG Cheng1，WANG Jun-xing1，TAN Zhe-wu2
（1．State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan430010，China）

Intake vortex is a hydraulic problem which is common in actual project．In order to solve the problem，we take Qinghe water diversion project，located in Liaoning province，as research background．By using physical model test with big scale of 1∶10，we lay emphasis on intake vortex in diversion weir．There are three causes of vortex in original scheme：relative critical submerged water depth，velocity and circulation，and intake boundary condition．From the perspective of boundary condition，we analyze these causes and propose modified anti-swirl scheme，which contains side wall segment straightening and U-shaped diversion weir with anti-swirl pier．Experimental results prove that the modified scheme can be used to avoid initial circulation at intake and improve the flow pattern throughout diversion intake，in the same time，we can use it to optimize intake boundary conditions and significantly eliminate vortex at water inlet．

intake vortex；U-shaped weir；anti-swirl pier；vortex elimination；model test

TV671

A

1001-5485（2016）07-0055-05

2015-05-26；

2015-06-15

彭誠（1992-），男，湖南永州人，碩士研究生，主要從事水工水力學(xué)方面的研究，（電話）13307145325（電子信箱）pc1118@whu．edu．cn。

王均星（1963-），男，湖北宜城人，教授，博士，主要從事水工水力學(xué)、高壩復(fù)雜地基與邊坡工程方面的研究，（電話）13707182138（電子信箱）jxwang@whu．edu．cn。