周殊凡，傅宗甫，張茹玉，呂家才

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.廣州珠科院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610）

0 引 言

旋渦是水利工程中普遍存在的現(xiàn)象，如水電站、泵站、船閘、取水口、引調(diào)水工程進(jìn)水口前等。倒虹吸在引調(diào)水工程管網(wǎng)中廣泛應(yīng)用［1］，但受其進(jìn)水口的邊界條件、水力學(xué)因素、體型等因素［2］的影響，倒虹吸進(jìn)水池也常常會出現(xiàn)渦旋，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)吸氣漩渦現(xiàn)象。倒虹吸進(jìn)口旋渦的存在會惡化洞身內(nèi)水流流態(tài)、增加水流脈動、加大水頭損失、減小引水流量以及嚴(yán)重時(shí)引起建筑物的振動。

旋渦的研究一直受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，主要針對在正向進(jìn)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(yùn)用戈登公式計(jì)算進(jìn)水口最小淹沒水深的基礎(chǔ)上，分析了水電站進(jìn)水口消渦的措施，可以為進(jìn)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(yàn)研究了水平進(jìn)水口旋渦形成過程及對流量的影響，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了旋渦形成的臨界淹沒深度與水流弗勞德數(shù)的定量關(guān)系式。韋曄、張忠孝［5，6］基于數(shù)學(xué)模型對泵站進(jìn)水池的水流流動進(jìn)行了數(shù)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(shù)學(xué)模型分析了不同進(jìn)水流速泵站進(jìn)水池水流流場分布、漩渦渦量的變化及分布規(guī)律。盧永金［8］針對進(jìn)水口上游的流動特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，不利的入流條件會導(dǎo)致垂直渦的形成。陳宗娜等［9］按漩渦形態(tài)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(yùn)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(yùn)行有一定影響［圖1（b）］；貫通吸氣漩渦——出現(xiàn)貫通連續(xù)的空氣通道，形成渦流區(qū)，對建筑物危害較大［圖1（c）］。漩渦的消除主要采用優(yōu)化進(jìn)水口設(shè)計(jì)、改善運(yùn)行方式、修建消渦筑物等措施，認(rèn)為最簡單的方法就是保證進(jìn)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(dá)到增加淹沒深度并不經(jīng)濟(jì)［10，11］，因此可以修建專門的消渦建筑物來改善水流流態(tài)，達(dá)到消除漩渦的目的。段文剛等［2］以系列水工模型試驗(yàn)為研究手段，分別從電站、導(dǎo)流洞、渠道倒虹吸和河道倒虹吸等典型水工建筑物進(jìn)水口漩渦形成的誘因與工程實(shí)例著手，介紹了消除漩渦的試驗(yàn)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(jìn)水口和溢流壩泄流孔進(jìn)行了消渦試驗(yàn)研究，提出優(yōu)化孔口邊界條件及設(shè)置消渦墩等消渦措施。蒙富強(qiáng)、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(yàn)，提出設(shè)置消渦導(dǎo)墻、消渦柵、消渦梁等消渦措施。徐自立［15］根據(jù)抽水蓄能電站泄洪排沙洞試驗(yàn)，提出在進(jìn)水塔上游面設(shè)置幾道垂直隔板，垂直隔板下部設(shè)置水平隔板可以消除進(jìn)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(diào)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(jìn)水口的立軸漩渦問題建議對進(jìn)口段進(jìn)行優(yōu)化。

在受地形地貌和地質(zhì)條件限制而采用側(cè)向進(jìn)水的取水口時(shí)，引渠進(jìn)水方向與取水口進(jìn)水方向幾乎成90 度角，水流進(jìn)入取水口前就受邊界條件的影響產(chǎn)生預(yù)旋，即側(cè)向進(jìn)水口存在產(chǎn)生旋渦的條件，因此更容易在進(jìn)水口前形成立軸旋渦，而且消渦的難度較大，目前針對側(cè)向進(jìn)水消渦措施的研究鮮有報(bào)道。以云南滇中甸頭倒虹吸工程的側(cè)向進(jìn)水布置方式為背景開展研究，由于進(jìn)水口前的立軸旋渦為一種游離而不穩(wěn)定的旋渦，目前的數(shù)值仿真技術(shù)難以準(zhǔn)確模擬旋渦的發(fā)生和消失過程，而且計(jì)算往往難以收斂，計(jì)算結(jié)果難以令人滿意，因此采用水工物理模型試驗(yàn)的方法開展研究，通過對進(jìn)水口前水流流態(tài)及旋渦特征參數(shù)的觀測和分析，分析了旋渦產(chǎn)生的原因，研究了消渦方法，提出了組合式消渦措施，可為側(cè)向進(jìn)水的消渦設(shè)計(jì)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(jìn)水池設(shè)計(jì)流量135 m3/s，管身設(shè)計(jì)流量125 m3/s。進(jìn)出口受地形、地質(zhì)限制，進(jìn)、出水方向?yàn)閭?cè)向進(jìn)、出水（進(jìn)出水池中心線與倒虹吸管中心線夾角為60°），倒虹吸管數(shù)為5根，進(jìn)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(jìn)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(jìn)口地形地貌和地質(zhì)條件的影響，進(jìn)水池采用側(cè)向進(jìn)水方式，進(jìn)水池進(jìn)流方向與倒虹吸管進(jìn)水方向夾角60°，由進(jìn)水池進(jìn)入倒虹吸的水流需要在平面上轉(zhuǎn)彎60°，倒虹吸進(jìn)口附近進(jìn)水池的水流存在橫向流動分量，存在預(yù)旋的條件，而進(jìn)水池右側(cè)墻采用突擴(kuò)方式，形成局部脫流，也容易形成附壁旋渦。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型相似比尺及試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(zhǔn)則設(shè)計(jì)。但是進(jìn)水口前的旋渦，還同時(shí)受黏性力和表面張力的影響，按照重力相似設(shè)計(jì)的模型會存在縮尺效應(yīng)，如果是泵站進(jìn)水池，通常通過加大流量（流速）的方式達(dá)到旋渦相似，倒虹吸進(jìn)水池如果采用加大流量的方法，則進(jìn)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(chǔ)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(jìn)水口的雷諾數(shù)大于影響旋渦的臨界雷諾數(shù)3×104，以消除黏性對旋渦的影響［19］，同時(shí)模型進(jìn)水口的韋伯?dāng)?shù)大于臨界韋伯?dāng)?shù)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(jìn)口的雷諾數(shù)大于7.8×104，韋伯?dāng)?shù)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(dá)到進(jìn)口旋渦相似的條件。

模型模擬了引渠、進(jìn)水池、倒虹吸管、出水池、控制堰等有關(guān)建筑物，模型全長約30 m。模型選用有機(jī)玻璃制作，有機(jī)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(jìn)水池進(jìn)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(shù)測量方法

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

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

原設(shè)計(jì)方案進(jìn)水池體型見圖4。試驗(yàn)在運(yùn)行頻率最頻繁的設(shè)計(jì)總流量125 m3/s（單管流量25 m3/s，進(jìn)水池水位1 979.71 m），5管同時(shí)運(yùn)行條件下進(jìn)行。

圖4 倒虹吸進(jìn)水池原設(shè)計(jì)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(jìn)水池流態(tài)及倒虹吸進(jìn)口旋渦形態(tài)

試驗(yàn)觀察到，進(jìn)水池前來流平順，進(jìn)水池內(nèi)水面平穩(wěn)，無明顯波動，水流沿進(jìn)水池行進(jìn)過程中，逐漸分流轉(zhuǎn)向，流入各倒虹吸進(jìn)口中，5根倒虹吸管進(jìn)口前均形成了持續(xù)性吸氣旋渦，旋渦旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)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(jìn)口流態(tài)最差，旋渦最為強(qiáng)烈，旋渦強(qiáng)度按照1、2、3、4、5號的順序逐漸遞減，倒虹吸管進(jìn)口流態(tài)見圖5。

圖5 原方案倒虹吸管進(jìn)口水流流態(tài)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(jìn)口旋渦形成原因分析

水利工程進(jìn)水口前出現(xiàn)旋渦是一種普遍現(xiàn)象，其形成原因是多方面的，對于工程的進(jìn)水口，進(jìn)口存在縱向、橫向突然收縮，進(jìn)水池的來流與進(jìn)水口出流方向存在60°夾角（側(cè)向進(jìn)水），水流在行進(jìn)過程中存在橫向流動分量，而且進(jìn)水池在倒虹吸進(jìn)口附近具有旋渦自由旋轉(zhuǎn)的空間，另外，進(jìn)水池右側(cè)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(zhì)條件限制，進(jìn)水池采用側(cè)向進(jìn)水方式，來流與倒虹吸進(jìn)水方向存在60°角，因此，倒虹吸進(jìn)口前產(chǎn)生持續(xù)吸氣旋渦的主要原因是受地形、地貌和地質(zhì)條件限制，采用了側(cè)向進(jìn)水、進(jìn)口前邊界存在突變等因素造成的。

3.2 消渦方案比較試驗(yàn)

3.2.1 消渦的主要思路及消渦方案

根據(jù)旋渦形成的原因，消除旋渦的方法應(yīng)該是取消引起旋渦形成的條件。但是實(shí)際的進(jìn)水口布置由于地形、地貌和地質(zhì)條件以及經(jīng)濟(jì)性的限制難以做到?，F(xiàn)有的消渦措施主要有增加進(jìn)水口的淹沒深度，設(shè)置消渦梁、消渦板，進(jìn)口前水面設(shè)置浮體，改變進(jìn)口胸墻體型，調(diào)整來流方向等。根據(jù)工程的布置及限制條件，提出通過優(yōu)化進(jìn)水渠右側(cè)墻體型，調(diào)整倒虹吸進(jìn)口導(dǎo)流墩型式，進(jìn)口設(shè)置消渦板，側(cè)墻設(shè)置豎向消渦梁的不同組合方法進(jìn)行消渦，在保證消渦效果的前提下力求結(jié)構(gòu)體型簡單為原則。設(shè)導(dǎo)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(jìn)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(shù)如下：

圖6 四種進(jìn)水口體型優(yōu)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(jìn)水池進(jìn)口段右側(cè)邊墻改為橢圓曲線，同時(shí)將各個(gè)倒虹吸管進(jìn)口前的導(dǎo)流墩延長至6.25 m（L/a=1.56）。

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

方案三，進(jìn)水池進(jìn)口段右側(cè)邊墻與方案一相同，將各倒虹吸管進(jìn)口前的導(dǎo)流墩較原方案延長8.30 m（L/a=2），并在進(jìn)口前1.80 m 處設(shè)置一個(gè)消渦板，消渦板底與進(jìn)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(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。在1 號孔右側(cè)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(shí)在2～5 號孔前，增設(shè)第二道消渦板，第二道消渦板與坡底（分縫）平行，設(shè)置在底坡線上游1.8 m，消渦板底與進(jìn)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(yàn)

試驗(yàn)觀察到，總體上消渦方案一倒虹吸管進(jìn)口前的水流流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案有明顯的改善。具體表現(xiàn)在3 號管、4 號管和5號管進(jìn)口前的旋渦由設(shè)計(jì)方案的持續(xù)吸氣性旋渦轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇性吸氣旋渦，1 號管和2 號管進(jìn)口前雖仍有連續(xù)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(jìn)口前的流態(tài)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(qiáng)度有所降低，旋渦大小有所減小，但1 號管和2 號管進(jìn)口前仍有持續(xù)的吸氣旋渦，3號管、4 號管和5 號管進(jìn)口前仍存在間歇性少量吸氣旋渦。說明單一靠延長導(dǎo)流墩長度不足以消除進(jìn)口前的旋渦。

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

消渦方案四的試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案下倒虹吸管進(jìn)口前的吸氣現(xiàn)象完全消失，僅在進(jìn)口前存在偶發(fā)的微凹渦，旋渦的尺度也大為減小。

從上述消渦試驗(yàn)可以得出，延長進(jìn)口前的導(dǎo)流墩，可以在一定程度上改善水流流態(tài)，但不能消除吸氣旋渦；在適當(dāng)延長導(dǎo)流墩的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)消渦板，在最靠近上游的1#孔右側(cè)邊墻設(shè)置豎梁，可以完全消除倒虹吸管進(jìn)口的吸氣現(xiàn)象，因此可以作為優(yōu)選方案。

各消渦方案旋渦特性參數(shù)列于表1，倒虹吸進(jìn)口水流流態(tài)見圖7。

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

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

3.3 優(yōu)選方案試驗(yàn)

3.3.1 優(yōu)選方案試驗(yàn)參數(shù)組合

為了檢驗(yàn)優(yōu)選方案是否全面滿足校核及檢修工況的運(yùn)行要求，對在設(shè)計(jì)水位及流量條件下得到的消渦方案進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)組合見表2。

表2 優(yōu)選方案試驗(yàn)參數(shù)組合Tab.2 Test parameter combination of the optimal scheme

3.3.2 優(yōu)選方案試驗(yàn)結(jié)果

倒虹吸校核運(yùn)行工況，即單管流量27 m3/s（總過流量為135 m3/s），5 管同時(shí)運(yùn)行，進(jìn)水池水位1 980.365 m 時(shí)，進(jìn)水池水流流態(tài)與設(shè)計(jì)方案（總流量125 m3/s）時(shí)基本相同，倒虹吸管進(jìn)口出現(xiàn)偶發(fā)性弱小微凹渦，沒有吸氣現(xiàn)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(jìn)水池水位增加了0.655 m，相應(yīng)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(dǎo)致旋渦增強(qiáng)的趨勢，因此總體流態(tài)沒有惡化。

倒虹吸管在檢修期間運(yùn)行時(shí)，根據(jù)檢修的具體情況，可能存在5 管以下的多種組合運(yùn)行方式，試驗(yàn)中分別進(jìn)行了1 管、2管、3管和4管的總共30種的試驗(yàn)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，各種倒虹吸管組合的檢修工況，倒虹吸管進(jìn)口前僅出現(xiàn)偶發(fā)性弱小微凹渦，沒有吸氣現(xiàn)象，旋渦大小約0.2 m。雖然檢修工況，倒虹吸進(jìn)水池水位均不同程度低于5 根管設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)的水位，但倒虹吸管進(jìn)口均未發(fā)現(xiàn)吸氣旋渦等不良流態(tài)，說明檢修工況，進(jìn)水渠來流流量不同程度減小，水流在行進(jìn)過程中的橫向流動分量也相應(yīng)減小，抵消了淹沒深度減小旋渦加強(qiáng)的趨勢，在設(shè)計(jì)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(jié) 論

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

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

（3）延長導(dǎo)流墩對于改善進(jìn)水池旋渦有一定的效果，但是純粹靠延長導(dǎo)流墩不能完全消除進(jìn)口旋渦，當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)流墩+加消渦板的方式對于改善側(cè)向進(jìn)水倒虹吸管進(jìn)口旋渦的效果明顯；

（5）曲線邊墻+延長導(dǎo)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(cè)向進(jìn)水倒虹吸管進(jìn)口的吸氣旋渦，滿足全工況運(yùn)行要求，對于類似的側(cè)向進(jìn)水口的消渦設(shè)計(jì)具有參考應(yīng)用作用；

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