泄洪洞進水口消除漩渦的技術(shù)措施研究

宋亮　楊吉健

摘 要：進水口漩渦會對水工建筑物和水力機械造成嚴(yán)重破壞，直接影響到工程的安全穩(wěn)定運行。實際工程設(shè)計和運行管理中，必須結(jié)合工程特性選擇合理的方案措施進行漩渦消除，以提高工程運行的安全可靠性。本文從地形條件、進水口體型、消渦體型設(shè)計、運行管理等方面，對泄洪洞進水口消除漩渦的技術(shù)措施進行了詳細(xì)分析研究，為工程優(yōu)化設(shè)計和運行管理提供了依據(jù)，同時也期望供給類似工程參考借鑒。

關(guān)鍵詞：泄洪洞進水口；漩渦；措施

中圖分類號：TV135.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0166-02

1 概 述

在水利水電工程中，水工建筑物進水口其復(fù)雜的邊界地形、結(jié)構(gòu)體形以及運行管理不到位等，經(jīng)常會漩渦，嚴(yán)重影響到水工建筑物和水力機械功能的正常發(fā)揮和安全運行。從是否吸氣來劃分，漩渦分為吸氣漩渦和不吸氣漩渦。

當(dāng)進水口處發(fā)生吸氣漩渦后：

其一，會吸入大量懸浮物，直接堵塞進水口，從而降低進水口的進水能力，影響水電站的正常發(fā)電運行；

其二，當(dāng)吸入空氣在輸水系統(tǒng)形成氣囊，則會惡化隧洞、進水管道等內(nèi)部的水流流態(tài)，進而增加輸水系統(tǒng)的脈動壓力，嚴(yán)重時會造成隧洞襯砌破壞、壓力管道壓壞等問題；

其三，空氣進入水力機械后，會引起水浪造成水力機械發(fā)生振蕩和空化氣蝕，直接影響到水利水電工程的安全穩(wěn)定運行。

因此，結(jié)合相關(guān)研究成果，采取合理的技術(shù)措施來預(yù)防和抑制漩渦的產(chǎn)生，控制和降低漩渦危害，就顯得非常有工程實踐應(yīng)用研究意義。

2 合理設(shè)計泄洪洞進口邊界地形

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

合理設(shè)計泄洪洞進口邊界地形可以避免或減輕漩渦危害。一般而言在泄洪洞進口均會設(shè)置適宜大小的平臺，這不僅便于工程施工，更有利于保證水流平穩(wěn)流入泄洪洞進口，減少漩渦發(fā)生的可能性。泄洪洞進口地形不僅體現(xiàn)在平臺的修建上，在泄洪洞左右兩邊坡開挖上也有體現(xiàn)，依據(jù)工程經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)將泄洪洞進口地形開挖成對稱地形，水流更易平順，更容易避免漩渦的出現(xiàn)。

3 合理設(shè)計進水口結(jié)構(gòu)體型

合理設(shè)計進水口，增加淹沒水深或降低進流流速，可削弱旋渦強度或避免形成旋渦，這是目前最常用的避免旋渦形成的設(shè)計方案。另外，在工程設(shè)計中應(yīng)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。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(huán)量影響很弱，此時應(yīng)考慮其他措施來避免漩渦危害。

4 消除漩渦特殊工程措施

4.1 專門結(jié)構(gòu)物消渦（消渦柵 、消渦導(dǎo)墻、消渦梁等）

傳統(tǒng)的消除漩渦措施是修建消渦柵（如樂昌峽水利樞紐工程施工導(dǎo)流洞進口[1]）。依據(jù)傳統(tǒng)的消渦柵進行改進，王英奎自制了消渦排，其創(chuàng)新之處在于消渦排能漂浮在水面之上，并隨著水面的變化而自動升降，是一種比較方便易行的消渦措施[1]。馬振海[2]所研制的消渦器，可隨水流運動，而且可隨時追尋漩渦的中心，在漩渦的中心旋轉(zhuǎn)，起到最佳的防渦、消渦作用。這些依據(jù)傳統(tǒng)消渦柵改進的措施雖然在試驗中表現(xiàn)良好，但在實際工程中仍有待進一步驗證。

消渦導(dǎo)墻、消渦梁與消渦柵應(yīng)用原理一樣，工程中均有體現(xiàn)，如：錦屏一級泄洪洞的進水口通過多方案試驗研究，選擇在泄洪洞臨普斯羅溝側(cè)1 827 ～1 860 m高程之間設(shè)置透水消渦導(dǎo)墻，在墻體上預(yù)留透水孔，透水孔尺寸為1.0 m×1.0 m，間距5.0 m。該措施極大削弱了漩渦強度，滿足工程正常運行要求[3]；長河壩深孔泄洪洞在深孔泄洪洞進水塔擋水胸墻上部沿鉛垂方向布置9根豎向消渦梁，消渦梁高12.0 m，寬2.0 m，厚度可根據(jù)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計，間距5.0 m，消除了漏斗漩渦危害[1]。

此外，消渦墩、漂浮排筏、金屬網(wǎng)等也能起到相應(yīng)效果。實際工程應(yīng)根據(jù)具體情況，因地制宜，采用不同的工程方式，以最經(jīng)濟合理的方式，達到最優(yōu)消渦效果。

4.2 胸墻體形優(yōu)化

旋渦區(qū)一般發(fā)生在進口上方30 °的范圍內(nèi)，如A區(qū)。鑒于此，采取措施重點避免進水口上方30 °的范圍內(nèi)發(fā)生漩渦將是消除漩渦重點考慮的。研究表明由于進水口漩渦出現(xiàn)在B區(qū)，如圖1（a）所示。由此可見漩渦是異常復(fù)雜的，不同研究進行不同試驗極有可能得到不同研究結(jié)果。

優(yōu)化胸墻體型方法，如圖1（b）所示，也是一種消除漩渦的工程技術(shù)措施。胸墻采用倒坡方式可有效避免漩渦出現(xiàn)，或減輕漩渦危害。但倒坡胸墻的做法一般會給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定難度，如：可可托海泄洪洞最終方案采用的是前傾的胸墻，便是采用的這一原理。

4.3 隔板方案

隔板方案與消渦柵類似，是在進水口加設(shè)若干大小的垂直隔板，該方案一般也能起到較好的消渦效果，在呼和浩特抽水蓄能電站泄洪排沙洞中得到成功運用。

4.4 其他措施

有關(guān)的漩渦的消除措施在不斷的發(fā)展和應(yīng)用，比如泄水建筑物的側(cè)墻摻氣技術(shù)、調(diào)壓井的應(yīng)用、防渦墻的設(shè)置等，這些工程措施的主要目的是使泄洪洞內(nèi)的水流流態(tài)更穩(wěn)定，更有效地渲泄洪水，避免漩渦造成危害。

5 加強水利樞紐運行管理

通過運行管理來減輕漩渦危害從本質(zhì)上還是改變來流條件實現(xiàn)的。水利樞紐中泄水建筑物往往包括泄洪洞、溢洪道、放空洞等建筑物，一般而言泄洪洞不會單獨運行，在與其他水工建筑物聯(lián)合運行過程中泄洪洞進口水流會受到不同程度的影響，有利的影響表現(xiàn)為對擾亂洪洞進口水流，產(chǎn)生的紊動足以抵抗漩渦發(fā)生；或使水流以更加對稱方式進入泄洪洞進口，減少漩渦出現(xiàn)概率；但若泄洪洞與其他泄水建筑物同時運行激化了漩渦的產(chǎn)生，則須盡量避免泄洪洞與其他泄水建筑物聯(lián)合運行，避免漩渦的產(chǎn)生。因此在制定工況時需要滿足工程實際需求的同時，根據(jù)試驗結(jié)果進行優(yōu)化安排。

6 結(jié) 語

消除漩渦的技術(shù)措施較多，但由于漩渦的誘發(fā)機理和運動規(guī)律非常復(fù)雜，沒有一種通用的漩渦消除準(zhǔn)則，在實際工程中應(yīng)根據(jù)工程特性，從地形條件、進水口體型、消渦體型設(shè)計、運行管理等方面，合理采用消除漩渦的技術(shù)措施，主要表現(xiàn)在以下幾個方面，即：

①泄洪洞進水口地形對稱且進口設(shè)有平臺對減輕漩渦危害具有積極作用；

②進水口體型主要體現(xiàn)在孔口直徑和引水渠設(shè)計兩方面，采用滿足工程較小的直徑可減輕漩渦危害，加設(shè)引水渠可降低低水位下漩渦危害；

③消渦體型設(shè)計廣泛應(yīng)用在實際工程中，但鑒于漩渦復(fù)雜，并未有適用于所有工程的工程措施，應(yīng)根據(jù)實際工程漩渦最經(jīng)濟合理的方式減輕漩渦危害；

④運行管理方面應(yīng)該根據(jù)工程實際，盡可能優(yōu)化運行方案，降低漩渦發(fā)生的可能性。合理采用消除漩渦的技術(shù)措施，可以提高水工建筑物和水力機械的運行安全水平，確保工程高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能經(jīng)濟的運行發(fā)展。

參考文獻：

[1] 蒙富強，陳軍，郭真余.泄洪洞進水口消渦措施的研究[J].中國水運：下半 月，2012，（7）.

[2] 馬振海.底孔前伸進水口消渦措施試驗研究[J].水利水電技術(shù)，2005，（11）.

[3] 徐自立，梁宗祥.泄洪排沙洞進口消渦措施試驗研究[J].人民黃河，2009，（1）.