某電站導(dǎo)流洞進(jìn)口消渦措施試驗(yàn)研究

蒲云娟 魏鵬程 王川 呂海艷

【摘要】水電站導(dǎo)流洞由于其布置位置的局限性以及運(yùn)行水位較低的特點(diǎn)，進(jìn)口出現(xiàn)漩渦是較為普遍的。本文針對(duì)某一工程導(dǎo)流洞進(jìn)口存在貫穿漩渦的問題，進(jìn)行了多種消渦措施的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于導(dǎo)流洞進(jìn)口的側(cè)向進(jìn)流、不對(duì)稱來(lái)流以及表面環(huán)流等不利流態(tài)，可設(shè)置多組消渦梁截?cái)嗷亓骰蚣訐跛畨Ω魯噙M(jìn)口頂部表面環(huán)流來(lái)阻止漩渦的產(chǎn)生。同時(shí)，在工程設(shè)計(jì)中，為了避免出現(xiàn)漩渦，導(dǎo)流洞進(jìn)口應(yīng)盡量避免設(shè)置在河道凹岸，洞臉應(yīng)盡量與洞軸線垂直。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)流洞進(jìn)口；漩渦；消渦措施；模型試驗(yàn)

1、概述

在水電工程中，導(dǎo)流洞進(jìn)水口一般布置在大壩旁側(cè)，運(yùn)行水位較低，淹沒深度有限，進(jìn)口前出現(xiàn)立軸漩渦是較為常見的水力現(xiàn)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(duì)工程的危害較大，主要表現(xiàn)在：（1）漩渦中心旋轉(zhuǎn)角的速度較大，壓強(qiáng)較低，具有很大的下曳力，會(huì)將庫(kù)區(qū)的漂浮物吸入，容易對(duì)導(dǎo)流洞造成破壞；（2）漩渦挾帶空氣進(jìn)入導(dǎo)流洞，會(huì)增大邊壁的脈動(dòng)壓力，降低空化數(shù)，加大導(dǎo)流洞產(chǎn)生空蝕破壞的可能性；（3）漩渦進(jìn)入導(dǎo)流洞，會(huì)減小有效過水面積，且漩渦存在切向水流運(yùn)動(dòng)，水頭損失增加，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)流洞的過流量減小，降低其泄流能力。

本文就某一工程導(dǎo)流洞進(jìn)口漩渦的形成與消除的研究實(shí)例入手，介紹了消除漩渦的試驗(yàn)過程，供設(shè)計(jì)參考。

2、問題的提出

2.1 工程概況及模型設(shè)計(jì)

兩條導(dǎo)流洞進(jìn)出口同高程布置于河道左岸，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，相應(yīng)流量為5280m3/s。1#導(dǎo)流洞長(zhǎng)1045.018m，2#導(dǎo)流洞長(zhǎng)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(dǎo)流洞的進(jìn)口布置體型見圖1。導(dǎo)流洞進(jìn)口段軸線與原河道水流方向的夾角為48.23°，進(jìn)口段頂部采用橢圓漸變曲線，曲線方程為。1#、2#導(dǎo)流洞進(jìn)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(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，幾何比尺為1：60。導(dǎo)流洞進(jìn)口采用有機(jī)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(dāng)兩條導(dǎo)流洞為滿流、泄量相對(duì)較小時(shí)，1#導(dǎo)流洞和2#導(dǎo)流洞進(jìn)口前開始出現(xiàn)漩渦，間歇性的貫穿、吸氣。隨著流量增大，水位升高，1#導(dǎo)流洞進(jìn)口前的漩渦消失，而2#導(dǎo)流洞進(jìn)口前的漩渦出現(xiàn)頻率增加、強(qiáng)度增大。設(shè)計(jì)流量5280m3/s時(shí)，導(dǎo)流洞進(jìn)口水流流態(tài)如圖1所示，2#導(dǎo)流洞進(jìn)口前的漩渦頻繁的貫穿、吸氣，產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)烈，漩渦直徑大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

3、漩渦成因分析

（1）導(dǎo)流洞運(yùn)行水位較低，淹沒深度較小，易產(chǎn)生漩渦，因此對(duì)不產(chǎn)生貫穿漩渦的最小淹沒深度和實(shí)際淹沒深度進(jìn)行了比較，最小淹沒深度根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算：

采用上式進(jìn)行計(jì)算，流量為5280m3/s時(shí)，2#導(dǎo)流洞不產(chǎn)生貫穿漩渦的最小淹沒深度為47.9m，而實(shí)際淹沒深度為45.8m，實(shí)際淹沒深度小于最小淹沒深度，進(jìn)口前會(huì)產(chǎn)生貫穿漩渦。

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

（3）導(dǎo)流洞進(jìn)口處洞臉與洞軸線斜交，為斜面迎水，并未和來(lái)流方向垂直，來(lái)流邊界條件不對(duì)稱。

4、修改方案

貫穿漩渦對(duì)工程的危害較大，因此，主要針對(duì)2#導(dǎo)流洞進(jìn)口、設(shè)計(jì)流量（Q=5280m3/s）工況來(lái)研究消渦措施。

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

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

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

設(shè)計(jì)流量5280m3/s時(shí)，兩種修改方案2#導(dǎo)流洞進(jìn)口水流流態(tài)如圖6和圖7所示，各修改方案試驗(yàn)結(jié)果比較見表1。

2#導(dǎo)流洞進(jìn)口漩渦形態(tài)

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）消渦板的存在，可截?cái)嗨w的回轉(zhuǎn)途徑，阻止吸氣漏斗向進(jìn)口方向發(fā)展。并且，在導(dǎo)流洞進(jìn)口右側(cè)布置一較長(zhǎng)的消渦板，可以阻擋部分回流回到導(dǎo)流洞進(jìn)口，改變形成漩渦的邊界條件，阻止漩渦的產(chǎn)生。設(shè)計(jì)流量時(shí)，導(dǎo)流洞進(jìn)口前較遠(yuǎn)處偶爾會(huì)產(chǎn)生貫穿吸氣漩渦，漩渦直徑小，持續(xù)時(shí)間短，強(qiáng)度較低，而且發(fā)展至消渦板附近就會(huì)消失，與原方案相比已有改善。（2）吸氣漏斗是由導(dǎo)流洞進(jìn)口前地形不對(duì)稱引起的表面環(huán)流作用產(chǎn)生的。此工程中，導(dǎo)流洞進(jìn)口受地形條件的限制，只能在較低高程范圍內(nèi)改變其開挖地形，這對(duì)消除表面環(huán)流的作用不大。因此，通過在2#導(dǎo)流洞進(jìn)口右側(cè)增加一段明洞，使其來(lái)流對(duì)稱，同時(shí)，在調(diào)整后的導(dǎo)流洞進(jìn)口頂部加一擋水墻，將進(jìn)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(dá)到消渦的目的。此方案中，設(shè)計(jì)流量時(shí)，2#導(dǎo)流洞進(jìn)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(dǎo)流洞進(jìn)口頂部均為原地形開挖而成的，在開挖的直坡上設(shè)置三個(gè)較長(zhǎng)的懸臂消渦梁，施工難度較大。并且，進(jìn)口優(yōu)化方案的消渦效果較好，因此最后選擇進(jìn)口優(yōu)化方案。

5、結(jié)論

本文針對(duì)某一工程導(dǎo)流洞進(jìn)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(shí)驗(yàn)對(duì)比了固定消渦設(shè)施和優(yōu)化進(jìn)口體型措施的消渦效果，認(rèn)為采用優(yōu)化進(jìn)口體型的方法效果較好，便于施工，具有一定的實(shí)用性，可供工程設(shè)計(jì)參考。

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

對(duì)于側(cè)向來(lái)流、不對(duì)稱進(jìn)流以及表面環(huán)流等不利流態(tài)引發(fā)的漩渦，可設(shè)置消渦板截?cái)嗷亓骰蚣訐跛畨Ω魯噙M(jìn)口頂部表面環(huán)流來(lái)改變漩渦形成的邊界條件，從而阻止漩渦的產(chǎn)生。

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