泄洪洞進水口誘發漩渦產生的主要因素分析

摘 要：泄洪洞有壓進口漩渦問題一直是困擾水力工作者的一個難題，進口漩渦的存在給泄水建筑物正常運行帶來隱患（增加了空化空蝕破壞的可能性、降低泄流能力、攜帶雜物影響泄水建筑物的使用壽命）。漩渦的形成因素復雜，且不同工程往往具有獨特特征，文章就漩渦形成原因著手研究，對誘發漩渦產生的主要因素進行分析，以期為漩渦防治提供相應參考。

關鍵詞：泄洪洞；進水口；漩渦；影響因素

引言

水利工程中，泄洪洞是常見的泄水建筑物。在泄洪洞運行中隨水位不同，進水口流態會有不同變化。一般而言低水位下泄洪洞會有漩渦出現，但由于漩渦復雜性，高水位工況下也可能發生漩渦現象。根據漩渦形態可將其分為橫軸漩渦、立軸漩渦兩類，泄洪洞進口漩渦屬于立軸漩渦。從數學上分析，立軸漩渦即是徑向的函數，又是軸向的函數，屬于強非線性水汽二相流問題[1]。某些工況下泄洪洞進口漩渦強度劇烈，若處理不當會發生較大的工程事故。我國龍羊峽、黃壇口、水口、紫平鋪、漫灣、寶珠寺等工程均出現漩渦問題，在日本、美國、前蘇聯等許多國家，也有不少類似的工程問題[1]。Heckeer[2]研究中有20例存在立軸漩渦實例，其中有14個工程發生了較為嚴重的問題，占70%。

泄洪洞進口漩渦異常復雜，漩渦具有必然性和偶然性兩種特性。必然性是指在某庫水位之間必然會發生漩渦，偶然性是指漩渦發生位置、強弱程度在同等工況、同一水位下不會完全一致，即沒有完全可重復性。鑒于漩渦防治的重要性，對誘發漩渦產生的主要因素進行研究，以便于工程采用合理措施減輕漩渦危害，就顯得非常有工程實踐應用研究意義。

1 漩渦的分類

美國Alden[3]實驗研究室根據實驗觀察到的現象，將自由表面漩渦依其強弱分為以下六種類型：漩渦運動形態復雜：A型（表明渦紋）、B型（表面漩渦）、C型（純水漩渦）、D型（攜物漩渦）、E型（間斷吸氣漩渦）、F型（串通吸氣漩渦）。該分類方法詳細，將漩渦形成從弱到強進行了仔細觀察，其中A型和B型近于無漩渦，不會引起危害，允許存在；C型和D型為弱漩渦，對機組與建筑物會產生一定作用，但危害一般不嚴重，實際中應努力防止其出現；E型和F型屬于強漩渦，可能引起較嚴重的后果，工程中通常不允許出現。

杜敏[3]從對工程危害程度大小進行研究，對漩渦進行了歸納，將漩渦分為表面凹陷漩渦、間歇吸氣漩渦和貫通吸氣漩渦三類。表面凹陷漩渦為不吸氣漩渦，僅在水面有輕微凹陷，對水工建筑物正常運行沒有危害；間歇吸氣漩渦顧名思義為間接性吸氣漩渦，水面凹陷較深，該漩渦不穩定，但明顯地降低泄流能力，攜帶雜物進入泄洪洞洞，影響工程正常運行；貫通式漩渦存在貫通連續的空氣通道，尾部經常吸氣，形成挾氣渦流帶甚至氣囊[1]，進入泄洪洞的氣囊不僅降低了泄流能力，而且在低壓區會突然膨脹，發生放炮等不良現象，縮短建筑物的適用壽命，工程中應盡量避免這種漩渦的發生。

2 誘發漩渦產生的主要因素分析

漩渦問題普遍存在于泄洪洞進口，其影響因素異常復雜。綜合前人研究成果認為有壓進水口漩渦的產生受水流邊界地形、進水口體型、進水口深入水庫的距離、來流方向與進水口之間夾角、來流條件、運行工況等條件影響。

2.1 進水口邊界地形

泄洪洞進口漩渦產生，主要是由于進口水流不平順，發生繞流引起的。來流流速小的水利樞紐，水流是平穩的，不易產生漩渦，只有在流速發生較大改變，且水流受地形等因素影響，發生繞流等現象時才會發生漩渦。

進水口地形狹窄擠壓水流造成的漩渦問題，如：黃壇口電站進口前因地形擠壓水流，產生回流造成吸氣漩渦出現。工程表明進水口地形若過于凹陷或狹窄，該地形條件下，相鄰邊界的水流對孔口來水造成挾帶擠壓，使進口前流向回轉，導致較小的進口在很低的流速下（即弗勞德數數較低）產生吸氣漩渦，破壞正常運行工況。

來流流向和孔口軸線交角過大造成的漩渦問題，如：石頭河泄洪洞來流不順，進口一側水位雍高，加之離心力作用，在進口前造成一種渦轉的始流流勢，誘導水而出現吸氣漩渦，危害工程安全。

2.2 進水口體型

研究認為：當邊界條件一定時，H/D≈2.0（H位孔口水頭，D為孔口高度或直徑）時，漩渦強度最大，顯然進水口體型與漩渦問題密切相關。大型孔口（D>8.0m）流量大，較小型孔口易出現吸氣漏斗漩渦。這是因為孔門大，來流流速增大后，表層的下垂流速也增加，流速及壓力分布極不均勻，形成一種輻射流動，又因孔口收縮及流體紊動，引起切向力的不平衡，形成水體旋轉，繼之出現水面吸氣漩渦。如：寶珠寺底孔、龍羊峽中孔泄水道直徑均大于8m，加之流量大，均出現了嚴重漩渦破壞問題。錦屏一級泄洪洞（孔口尺寸為12.00m×15.00m（寬×高））在無消渦措施前，在水位1880m時出現最大漩渦（直徑約2.5m）。因此工程設計中應慎重采用大型孔口，若必須采用大型孔口，則必須采取措施避免或減輕漩渦危害。

此外，水力學試驗研究表明，在行近水流方向不改變時，引水渠的長寬比愈大，進水口附近的環量愈弱，避免吸氣旋渦所要求的界限水深愈小。顯然在一般中小型工程中通過增加引水渠段長度是可以避免漩渦危害的。但在高水頭工程中，高水位時引水渠的長寬比對漩渦形成影響不再顯著，該方法對進水口附近的環量影響很弱，此時應考慮其他措施來避免漩渦危害。

3 結束語

影響漩渦問題異常復雜，不同工程出現漩渦問題往往具有各自特點，文章從地形條件、進水口體型等方面對誘發漩渦產生的主要因素進行了分析，分析結果表明：邊界地形、體型結構等是泄洪洞進水口處誘發漩渦產生的主要因素，在工程實踐應用中應非常重視工程邊界地形的合理處理和結構體形的優化設計，確保工程高效優質、節能經濟的建設發展。文章對誘發漩渦產生的主要因素進行了研究，對實際工程中采取合理設計方案、工程措施和技術措施等，有效避免漩渦產生具有重要意義，為后續研究工作奠定了一定基礎。

參考文獻

[1]陳云良.進水口前立軸旋渦水力特性的研究[D].四川大學，2006.

[2]鄭雙凌，馬吉明，陳浩波，等.進水口漩渦特性及臨界淹沒水深的研究進展[J].南水北調與水利科技，2010，8（5）：129-132.

[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.

作者簡介：宋亮（1988-），男，漢族，陜西楊陵人，碩士研究生，助教，主要從事水工建筑物和水工制圖教學研究。