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,并未和來流方向垂直,來流邊界條件不對(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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