渦管螺旋流排沙在動力渠上的應用研究

白玉龍，李 麗

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

推移質泥沙通常在一些低閘、低壩或無壩引取水的灌溉、供水、發電等水利水電工程上伴隨引入水流，經引取水口進入引調水、輸配水或用水系統，對渠(管)道、閘(閥)、水力機械、金屬結構、渠系建筑物等造成淤積、淤堵或磨損。因此，對多泥沙或汛期仍需引水的水利水電工程，應在工程設計中考慮采取防止和減少泥沙進入引取水口措施，如在進水口前設攔(導)沙坎(網)、沖沙閘等，而對于難以避免進入引取水口的推移質泥沙，則通常采用沉沙池(井)等沉沙設施解決泥沙問題。但在引水比高及引水量大的灌溉(供水)渠道，以及水電站引水發電動力渠道上，往往因邊界條件限制或經濟效益指標差而難以設置大斷面的沉沙設施，需研究探索采取排除泥沙能力強且高效的工程設施，以解決入渠(管)泥沙問題，渦管(Vortex Tube)排沙技術即為此而誕生、應用和發展。

我國于20世紀80年代，首先由新疆石河子大學張開泉等人開始進行螺旋排沙試驗研究[1]，利用布設于引水渠道底部的渦管，研究分析渠道推移質泥沙渦管排沙機理，依據試驗研究成果，提出了水沙關系的一些經驗或半經驗分析計算方法。90年代中后期，陜西及新疆等省區渦管排沙技術逐漸應用于工程實踐，取得了較好的排沙效果。做為一種有效的渠道排沙設施，渦管排沙技術于1997年分別寫入水利部及原電力部發布實施的技術標準SL/T 205—97、DL/T 5079—1997《水電站引水渠道及前池設計規范》中，做為行業技術標準的一項工程措施推廣應用，并給出了主要技術特性參數的選取參考值和計算公式，后續修訂版均繼續推薦應用。

筆者在分析研究渦管排沙技術螺旋流形成條件及適用條件的基礎上，著重對甘肅省長江與黃河流域不同地理環境、不同河道與水文條件下的6座引水式水電站動力渠渦管排沙技術及其應用成效進行全面研究總結，對于渦管排沙技術傳承、成果借鑒、以及進一步持續創新發展具有重要意義。

1 渦管排沙技術原理

渦管排沙的技術原理是利用布置于渠道底部的開口渦管，在通過管道過境水流切向流速作用下，管內產生螺旋式前進水流，即螺旋流(渦流)，進入管中的泥沙依靠旋轉水流以少量的水將其排出[2- 3]。渦管螺旋流排沙結構布置如圖1所示。

2 形成螺旋流水力條件研究

2.1 縱橫向水流動力

渦管內的螺旋流屬三維空間流，可分解為二維空間內立面旋轉的環向運動水流，以及一維空間縱向線性運動水流，渦管內形成螺旋流需具備橫向環流及縱向線流的能量。渦管內水流形成橫向旋轉流的動力，來源于管道頂部過水斷面渦管開口處的水流動能[4- 6]，當渦管軸線與水流流向呈一定夾角，渦管開口上部渠道水流通過時，一部分水流被管道開口后緣分流導入渦管內，促使管內水體基本以管道中心為圓心，在渦管內形成立面旋轉的環流。渦管內水流形成縱向流的動力，僅在渦管軸線與水流流向呈一定夾角，過境水流進入渦管，并在渦管內壁的疏導下產生沿管道軸線方向的分項動能，壓迫管內水體流向管道出口。渦管內縱橫向水流流速分布如圖2所示。

圖1 渦管結構布置

圖2 渦管內縱橫向水流流速分布

2.2 過境水流條件

渦管內形成強勁螺旋流是渦管排沙成效的關鍵，螺旋流動力來源于渠道過水斷面內過境水流的動能，進入渦管水流的流速可近似認為是過水斷面貼近渦管開口處過境水流流速。工程應用時，通常較易率定過水斷面的平均流速，而過水斷面水深條件、邊界糙率、挾沙量等因素均不同程度影響流速在垂直向的分布，若直接采用過水斷面平均流速替代進入渦管開口流速，判別螺旋流排沙效果，往往存在較大的誤差。因此，需引入反映過水斷面能量特性的參數分析研究，通常采用過水斷面流體力學無量綱參數“佛汝德數Fr”(Froude Number)，即流體慣性力與重力的比值，判別螺旋流水流流態及其排沙效果，既可反映流速的動力作用，又能反映斷面水深所起的作用，其表達式如下：

Fr=V/(gH)0.5

(1)

式中：Fr—佛汝德數；V—平均流速，m；H—平均水深，m；g—重力加速度，為9.81m/s2。

水力學中對于水流“佛汝德數Fr”的定性，當Fr<1.0時水流為緩流；Fr=1.0時水流為臨界流；Fr>1.0時水流為急流。對于渦管螺旋流水流流態及其排沙效果的判別，關于“佛汝德數Fr”的取值，一些研究者根據試驗提出Fr=0.7～0.95及Fr=0.8～1.0為優，但仍存在爭議，水力學上主要屬緩流流態，上限達臨界流，部分工程應用實踐表明，較低的“佛汝德數Fr”仍能取得較好的排沙效果。還有學者提出采用斷面水深與渦管直徑的比值，即深徑比評判排沙效果，并給出了參考值h/D=3.0～5.0。

2.3 渦管與水流夾角條件

大量的工程實踐及試驗研究表明，形成螺旋流的水力條件與進入渦管水流的縱、橫兩個分向流速大小密切關聯，而兩個方向的流速大小又與渦管和水流方向的夾角θ直接相關。夾角大，則橫向流速大，縱向流速小，渦管內形成強旋轉弱出水水流；夾角小，則橫向流速小，縱向流速大，形成弱旋轉強出水水流。工程實踐及試驗研究表明，渦管和水流流向的夾角呈30.0°<θ<60.0°時，在具備足夠的過境流速情況下，能夠提供渦管內形成帶動泥沙的橫向啟動流速，同時具備能將渦管遠端泥沙快速輸送出渦管的縱向流速，且在45.0°≤θ≤50.0°時，雙向流速配比最優，排沙效果最好。因此，在工程實際應用時，相關技術標準推薦采用45.0°≤θ≤50.0°為宜[7- 8]。

另外，在渦管排沙工程布置時，需保證渠道過水斷面與管道出口之間有較大的水位差，在損失少量過境水流靜水頭后，可利用較大水位差所產生的勢能，使渦管內具備快速排出泥沙的流速，也即為渦管排沙技術的必要條件。

2.4 渦管排水流量計算

現行水利及電力行業技術標準SL 205—2015、DL/T 5079—2007《水電站引水渠道及前池設計規范》中均給出渦管排水流量Qs估算式，并提出渦管分流比為5.0%～15.0%時，排沙比可達75.0%～90.0%[7- 8]。渦管排水流量估算式如下：

(2)

式中，A—渦管斷面面積，m2，A=πD2/4；D—渦管直徑，m；h—上游渠道水深，m；Δy—渦管管中心至開口邊緣的距離，m；μ—流量系數。渦管開口中心角為30°≤α≤90°時，取0.6～0.7。

3 渦管排沙適用條件研究

我國于20世紀在北方一些山區多泥沙或汛期含沙量大的河道上，引水流量較小的低閘壩或無壩取水的灌溉、供水、發電等水利水電工程，一般均采用技術成熟的沉沙池(井)等措施，解決入渠推移質泥沙問題[9- 10]。沉沙池的沉沙原理是通過擴大過水斷面面積，以減小水流流速，降低水流的挾沙能力，使之沉淀于沉沙池池底，利用沖沙廊道或機械式清除泥沙。

21世紀以來，水利水電工程逐漸向高引水比、大引水流量方向發展[11]，低閘壩或無壩取水的引水式水電站，常因沉沙池平面面積大，地形、地質、征占地等環境邊界條件難以滿足其布置，且工程量大投資高，一般難以被工程建設投資方所接受。再者，當進入動力渠的推移質泥沙通過發電機組時，對機組的磨損是長期累積過程，難以定量測定或預測對機組壽命的影響程度及數值，相應設置沉沙池的必要性較難分析論證，其調度運行也較為困難。因此，水電站通常多采用直接開啟樞紐泄沖閘，利用大流量沖泄降低泥沙入渠問題，汛期高泥沙洪水時段甚至被迫停機沖沙，尤其高引水比的水電站，因發電水資源珍貴，在利益驅動下，電站運營方常常詬病此類“大開大泄”的沖沙方式給工程運行管理帶來諸多不便。

北方山區河道一般汛期水量大，相應泥沙含量高，采用引取水口攔截泥沙結合渠道渦管排沙技術，在不增加工程占地，僅在動力渠內設置渦管及其控制設施，通過合理運行調度即可有效解決汛期推移質泥沙過機導致機組磨損問題。汛期挾沙量大的水流在經過進水口前的攔沙坎時，通常表層水流雖較平穩，但坎前中下層流態具紊亂攪動作用，底層部分大顆粒推移質泥沙被攔沙坎攔截，但仍有部分推移質泥沙因紊流攪動越過攔沙坎進入渠道，此時需啟動樞紐沖沙設施，同時結合渠道渦管，統籌協調解決攔沙坎前及入渠泥沙問題，即在不斷流、不降低閘前水位的情況下，局部開啟沖沙閘，盡可能做到進水口“門前清”，進入取水口的泥沙經動力渠歸束平穩后，底層推移質泥沙進入渦管，利用水流能量長時或間歇性開啟渦管排沙。

4 渦管排沙技術工程應用研究

甘肅省南部長江流域虎家崖與錦屏，以及中部黃河流域平安、新莊、杜家灣與永和一級等6座水電站均為徑流引水式，動力渠明流輸水，電站樞紐河道均屬山區性河道，水流含輸沙量評判為中—大，推移質泥沙主要集中于汛期洪水時段，約占年輸沙總量的70.0%～90.0%，引水樞紐全部為攔河低閘壩，開敞式引水，閘壩壅高水位低，攔沙坎坎高0.7～1.5m，較低矮，不具備引取庫內中上層含沙量相對較小的水深條件，汛期洪水時段推移質泥沙入渠問題難以避免，工程設計均采用渦管排沙技術。

4.1 動力渠渦管總體布置

4.1.1虎家崖水電站

虎家崖水電站位于嘉陵江上游最大支流白龍江干流甘肅隴南市舟曲縣河段，屬長江二級支流，裝機容量28.0MW，2007年建成發電。電站地處西秦嶺南脈典型的山區性河道，流域是泥石流多發區，汛期河道推移質泥沙較多，水流渾濁，含沙量大，樞紐進水口后接動力渠、隧洞、前池、壓力管道及發電廠房等引水發電系統，排沙渦管布置于距取水口約130.0m的矩型動力渠段底板內。渦管段渠道底板上游側較下游側低0.5m，形成管前三角沉沙區，管道設“刀型”閘閥控制，出口直接入河，入河處設置丁壩式導水墻，防止河道推移質泥沙淤堵管口，其渦管布置如圖3所示。

4.1.2錦屏水電站

錦屏水電站位于長江二級支流白龍江干流甘肅隴南市武都區河段，上距虎家崖水電站約50.0km，裝機容量18.0MW，2017年建成發電。電站樞紐進水口后接動力渠、前池及發電廠房等引水發電系統，排沙渦管布置于動力渠末端矩型斷面底板內，河流泥沙特性及渦管布置方式與虎家崖水電站類似，管道出口設“刀型”閘閥控制，接入前池溢流側槽入河，其渦管布置如圖4所示。

4.1.3平安水電站

平安水電站位于黃河一級支流湟水干流甘肅蘭州市紅古區河段，裝機容量12.0MW，2011年建成發電。 工程區屬秦嶺西段山間盆地河段， 汛期水流渾濁，含沙量大。電站樞紐進水口后接動力渠、前池及發電廠房等引水發電系統，排沙渦管布置于矩型動力渠末端底板內，布置方式與虎家崖及錦屏2座水電站類似，管道出口設“刀型”閘閥控制，接入前池溢流側槽入河，其渦管布置如圖5所示。

圖3 虎家崖水電站渦管布置

圖4 錦屏水電站渦管布置

圖5 平安水電站渦管布置

4.1.4新莊水電站

新莊水電站位于黃河一級支流湟水干流甘肅蘭州市紅古區河段，下距平安水電站約27.0km，裝機容量4.5MW，2009年建成發電。電站樞紐進水口后接動力渠、前池及發電廠房等引水發電系統，排沙渦管布置于動力渠末端矩型斷面底板內，河流泥沙特性與平安水電站類似，渦管排沙段底板整體下沉0.5m，管道設半球閥控制，出口接入前池溢流側槽入河，其渦管布置如圖6所示。

4.1.5杜家灣水電站

杜家灣水電站位于湟水最大支流大通河干流甘肅蘭州市永登縣河段，屬黃河二級支流，裝機容量4.8MW，2011年建成發電。工程區屬祁連山東麓大通河下游山間盆地區，汛期水流渾濁，含沙量較大。電站樞紐進水口后接動力渠、前池及發電廠房等引水發電系統，排沙渦管布置于動力渠末端矩型斷面底板內，與新莊水電站類似，不同的是管道通過“刀型”閘閥控制后合二為一，出口延伸直接入河，其渦管布置如圖7所示。

圖6 新莊水電站渦管布置

圖7 杜家灣水電站渦管布置

4.1.6永和一級水電站

永和一級水電站是杜家灣水電站的下游梯級，裝機容量1.0MW，2005年建成發電。電站樞紐進水口后接動力渠、前池及發電廠房等引水發電系統，排沙渦管布置于動力渠末端矩型斷面底板內，河流泥沙特性及渦管布置方式與新莊水電站類似，管道設閘門控制，出口接入前池溢流側槽入河，其渦管布置如圖8所示。

圖8 永和一級水電站渦管布置

4.2 河道含輸沙量及動力渠特性

6座水電站樞紐河道多年平均含輸沙量見表1，渦管排沙段動力渠工程技術特性見表2。

6座水電站渦管排沙技術工程應用實踐研究表明，排沙渦管段均布置于矩型斷面動力渠內，虎家崖水電站受建設條件限制，渦管段布置于動力渠上游渠段，其它水電站均布置于前池進口前動力渠末端。動力渠末端一般與河道形成較大落差，渦管出口直接接入前池溢流堰側槽排沙入河，可有效避免汛期河道高水位對排沙效果的影響，排沙成效優異，排沙率通?？蛇_到85.0%以上。通過對6座水電站動力渠過水斷面能量特性參數“佛汝德數Fr”的工程應用實踐研究，結果表明其值大都為0.4左右，遠低于常規理念與認識值。因此，大流量引水時僅采用“佛汝德數Fr”判別螺旋流排沙效果，并不適宜，為渦管排沙機理的進一步研究探討，以及理念與認識提供了新的可靠依據。

4.3 排沙渦管布置及試驗研究

4.3.1渦管布置型式

6座水電站排沙渦管在動力渠渠道底板內主要有2種布置方式，一種是渦管段渠道底板呈“前低后高”型式，另一種是渦管段渠道底板下沉，管口(頂部)與底板齊平，即“下沉齊平”型式，2種布置方式動力渠縱剖面及渦管橫剖面如圖9—10所示，排沙渦管技術特性見表3。

6座水電站渦管排沙技術工程應用實踐研究表明，渦管與水流流向夾角、開口中心角及分流比基本均在相關技術標準推薦范圍內，斷面水深與渦管直徑的比值，即深徑比為4.0～6.0，基本處于或接近一些學者推薦參考值，渦管均可產生較強螺旋流，排沙效果顯著。工程應用實踐表明，大流量引水時，采用深徑比評判排沙效果相對較為可靠。

表1 6座水電站樞紐河道含輸沙量

表2 6座水電站渦管排沙段動力渠技術特性

圖9 渦管段渠道底板“前低后高”布置型式

圖10 渦管段渠道底板下沉齊平布置型式

表3 六座水電站渦管技術特性

4.3.2渦管排沙試驗研究

對虎家崖水電站渦管設計與排沙效果進行了水工模型試驗研究驗證。初期試驗渦管采用常規布置方式，即渦管段及其上下游渠道底部處于同一高程，在管道出口河道水位較低時，明顯觀測到泥沙被卷入渦管排出渠道，試驗在模型上游渠段投放遠大于實際來沙量的泥沙，泥沙逐步移動至渦管段，隨時間延續，泥沙大部排出，沉積泥沙微少。但在河道水位逐漸增至高水位時，隨渠道內外水位差減小，排沙效果隨之降低。

為增強渦管縱向流強度，后續將模型渦管段上游側三角區渠道底板降低0.5m，即渠道底板呈“前低后高”型式再行試驗研究。試驗研究表明，河道水位較低時，泥沙移動至管前三角沉沙區進入渦管，被渦流卷動排出管道，排沙效果良好；河道水位逐漸增至高水位時，排沙效果雖有所降低，但較之前明顯提高[12]。分析其原理認為，這種優化的布置方式，迫使渠道過境水流動能更多的轉化為管軸線方向的縱向動能，彌補水位差過小導致的管道縱向流速不足、排沙效果差的缺點，因此，當渠道內外水位差變幅大，將渦管段渠道底板優化為“前低后高”(即渦管切口適當轉向來水方向)是提升渦管排沙成效的一種優異布置型式。

4.3.3渦管運行的主要問題

(1)新莊及永和一級2座水電站渠道底板與渦管“下沉齊平”布置，停水觀察到渦管下游坎前三角體內存有少量泥沙，分析其原因，主要是少量推移質泥沙在渦流影響下，越過渦管開口位置，由于下游底層流速較小，使之沉積。

(2)錦屏水電站停水觀察到渦管遠端端頭部位存在部分推移質泥沙聚集，分析其原因，主要是渠寬大，渦管過長，遠端管內縱向流速不足所造成。

(3)永和一級水電站布置3根渦管，實際運行中多啟用1—2根，渦管數量和控制設備相對較多，需多次開閉閘閥，實際運行存在卡堵顧慮。

(4)杜家灣水電站2根渦管為1用1備，出口匯總為單管，2根同時運行螺旋流效應大為減弱，單管運行分流比較小。

(5)新莊及永和一級2座水電站渦管分別采用半球閥和閘門控制，首次排沙即導致“卡閥”與“卡門”，隨即更換改造控制設備，其它4座水電站均采用薄體且底部無槽“刀型”閘閥，運行正常。

4.4 攔排沙系統調度運行實踐

6座水電站樞紐工程經幾年～十幾年的運行，摸索并總結出一些攔排沙系統調度運行實踐經驗。

(1)枯水期河道來流量小，相應泥沙含量小，多以懸移質泥沙為主，因庫區減緩水流流速，少量推移質泥沙主要沉積于庫區溢流壩壩前及庫尾，基本無需啟動樞紐沖排沙系統。

(2)汛期河道來流量較大，相應泥沙含量高，通常在不停機和不降低閘前水位的情況下，間歇性局部開啟樞紐泄沖閘，短時排除攔沙坎前淤積泥沙，同時，間歇性開啟渦管與泄沖閘錯時調度沖排沙。而當來流量大于引用流量時，則穩定閘前水位，保證機組滿負荷發電引用流量，長時局部或全開啟樞紐泄沖閘，同時開啟渦管沖排沙。

(3)洪水過境時泥沙含量大增，需同時開啟樞紐泄沖閘及渦管排沙系統，穩定閘前水位，保證機組滿負荷發電引用流量，采取“大開大泄”方式，保證防洪安全，利用洪峰水量對庫區及動力渠沖排沙清淤。

5 結語

水電站動力渠引用流量、渦管管徑較大時，將相關技術標準推薦的布置型式優化為渦管段渠道底板“前低后高”，渠道內外水位差減小時，能夠有效增強渦管縱向流速，仍能取得較好的排沙效果，同時渦管進口段切口形成的矮坎(坎高