蒲云娟 魏鵬程 王川 呂海艷

【摘要】水電站導流洞由于其布置位置的局限性以及運行水位較低的特點，進口出現漩渦是較為普遍的。本文針對某一工程導流洞進口存在貫穿漩渦的問題，進行了多種消渦措施的試驗研究。試驗結果表明，對于導流洞進口的側向進流、不對稱來流以及表面環(huán)流等不利流態(tài)，可設置多組消渦梁截斷回流或加擋水墻隔斷進口頂部表面環(huán)流來阻止漩渦的產生。同時，在工程設計中，為了避免出現漩渦，導流洞進口應盡量避免設置在河道凹岸，洞臉應盡量與洞軸線垂直。

【關鍵詞】導流洞進口；漩渦；消渦措施；模型試驗

1、概述

在水電工程中，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，進口前出現立軸漩渦是較為常見的水力現象。漩渦一般分為表面漩渦、間歇性吸氣漩渦以及貫穿漩渦。其中貫穿漩渦對工程的危害較大，主要表現在：（1）漩渦中心旋轉角的速度較大，壓強較低，具有很大的下曳力，會將庫區(qū)的漂浮物吸入，容易對導流洞造成破壞；（2）漩渦挾帶空氣進入導流洞，會增大邊壁的脈動壓力，降低空化數，加大導流洞產生空蝕破壞的可能性；（3）漩渦進入導流洞，會減小有效過水面積，且漩渦存在切向水流運動，水頭損失增加，會導致導流洞的過流量減小，降低其泄流能力。

本文就某一工程導流洞進口漩渦的形成與消除的研究實例入手，介紹了消除漩渦的試驗過程，供設計參考。

2、問題的提出

2.1 工程概況及模型設計

兩條導流洞進出口同高程布置于河道左岸，設計標準為20年一遇洪水，相應流量為5280m3/s。1#導流洞長1045.018m，2#導流洞長1235.346m，洞身段斷面尺寸（寬×高）為12×13m（城門洞型），閘室型式為豎井式。兩條導流洞的進口布置體型見圖1。導流洞進口段軸線與原河道水流方向的夾角為48.23°，進口段頂部采用橢圓漸變曲線，曲線方程為。1#、2#導流洞進口處洞臉并未與洞軸線垂直，而是分別以50.19°和38.66°與洞軸線斜交。

模型按重力相似準則設計，采用正態(tài)模型，幾何比尺為1：60。導流洞進口采用有機玻璃加工制作，河道地形采用斷面板法控制、水泥砂漿成型。

2.1 存在問題

當兩條導流洞為滿流、泄量相對較小時，1#導流洞和2#導流洞進口前開始出現漩渦，間歇性的貫穿、吸氣。隨著流量增大，水位升高，1#導流洞進口前的漩渦消失，而2#導流洞進口前的漩渦出現頻率增加、強度增大。設計流量5280m3/s時，導流洞進口水流流態(tài)如圖1所示，2#導流洞進口前的漩渦頻繁的貫穿、吸氣，產生的噪聲強烈，漩渦直徑大、持續(xù)時間長。

3、漩渦成因分析

（1）導流洞運行水位較低，淹沒深度較小，易產生漩渦，因此對不產生貫穿漩渦的最小淹沒深度和實際淹沒深度進行了比較，最小淹沒深度根據規(guī)范公式計算：

采用上式進行計算，流量為5280m3/s時，2#導流洞不產生貫穿漩渦的最小淹沒深度為47.9m，而實際淹沒深度為45.8m，實際淹沒深度小于最小淹沒深度，進口前會產生貫穿漩渦。

（2）導流洞進口附近河道地形如圖3所示，此工程中，受地形地質條件的限制，2#導流洞進口上游左岸存在一凸岸，上游來流經過此凸岸后，主流偏河道右側，而導流洞進口布置在左岸凹岸，水流到達導流洞進口附近時，一部分直接進入導流洞，另一部分由于凸岸的作用，到達上游圍堰后變成回流回到導流洞進口前。導流洞進口前存在回流，很容易產生漩渦， 而且漩渦隨著回流強度的加大而加大。

（3）導流洞進口處洞臉與洞軸線斜交，為斜面迎水，并未和來流方向垂直，來流邊界條件不對稱。

4、修改方案

貫穿漩渦對工程的危害較大，因此，主要針對2#導流洞進口、設計流量（Q=5280m3/s）工況來研究消渦措施。

根據漩渦形成的原因及影響因素，可通過優(yōu)化進水口設計、改善運行方式、修建專門的消渦建筑物等途徑消除進水口的漩渦。在本工程的消渦試驗中，分別嘗試了多組消渦板方案和進口優(yōu)化方案。

多組消渦板方案如圖4所示：在2#導流洞進口前布置三個一長兩短的消渦板。消渦板坐落在進口頂部開挖的馬道上，間距為8.1m，高27m，右側消渦板長7.9m，中部和左側消渦板長6.1m。

進口優(yōu)化方案如圖5所示：在2#導流洞進口右側增加一段明洞，將進口處的洞臉由原來的與洞軸線斜交調整為正交。調整后的導流洞進口頂部加一擋水墻，擋水墻高24m。

設計流量5280m3/s時，兩種修改方案2#導流洞進口水流流態(tài)如圖6和圖7所示，各修改方案試驗結果比較見表1。

2#導流洞進口漩渦形態(tài)

從以上試驗結果可以看出：（1）消渦板的存在，可截斷水體的回轉途徑，阻止吸氣漏斗向進口方向發(fā)展。并且，在導流洞進口右側布置一較長的消渦板，可以阻擋部分回流回到導流洞進口，改變形成漩渦的邊界條件，阻止漩渦的產生。設計流量時，導流洞進口前較遠處偶爾會產生貫穿吸氣漩渦，漩渦直徑小，持續(xù)時間短，強度較低，而且發(fā)展至消渦板附近就會消失，與原方案相比已有改善。（2）吸氣漏斗是由導流洞進口前地形不對稱引起的表面環(huán)流作用產生的。此工程中，導流洞進口受地形條件的限制，只能在較低高程范圍內改變其開挖地形，這對消除表面環(huán)流的作用不大。因此，通過在2#導流洞進口右側增加一段明洞，使其來流對稱，同時，在調整后的導流洞進口頂部加一擋水墻，將進水口頂部的表面環(huán)流區(qū)隔斷，改變形成漩渦的邊界條件，達到消渦的目的。此方案中，設計流量時，2#導流洞進口前僅存在陣發(fā)性表面漩渦，較原方案已有明顯改善。

綜合考慮：由于導流洞進口頂部均為原地形開挖而成的，在開挖的直坡上設置三個較長的懸臂消渦梁，施工難度較大。并且，進口優(yōu)化方案的消渦效果較好，因此最后選擇進口優(yōu)化方案。

5、結論

本文針對某一工程導流洞進口存在貫穿漩渦的問題，分析了貫穿漩渦的形成原因，通過實驗對比了固定消渦設施和優(yōu)化進口體型措施的消渦效果，認為采用優(yōu)化進口體型的方法效果較好，便于施工，具有一定的實用性，可供工程設計參考。

導流洞進口前漩渦的形成雖然跟導流洞本身的布置位置和淹沒深度的局限性有關，但在工程設計中，導流洞進口應盡量不要設置在河道凹岸或者凸岸的下游，進口處洞臉應盡量與洞軸線垂直，保證來流較對稱，避免在導流洞進口頂部形成較大范圍的表面環(huán)流區(qū)。

對于側向來流、不對稱進流以及表面環(huán)流等不利流態(tài)引發(fā)的漩渦，可設置消渦板截斷回流或加擋水墻隔斷進口頂部表面環(huán)流來改變漩渦形成的邊界條件，從而阻止漩渦的產生。

參考文獻：

[1]段文剛，黃國兵，張暉，等.幾種典型水工建筑物進口消渦措施試驗研究[J].長江科學學院報。2011，28（2）：21-27.

[2] 鄒敬民，高樹華，于艷麗，等.進水口防渦措施研究[J].水動力學研究與進展。2000，l5（4）：463—466.

[3] 黨媛媛，韓昌海.進水口漩渦問題研究綜述[J].水利水電科技進展。2009，29（1）：90—94.