泄洪洞進(jìn)水口誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素分析

摘 要：泄洪洞有壓進(jìn)口漩渦問題一直是困擾水力工作者的一個(gè)難題，進(jìn)口漩渦的存在給泄水建筑物正常運(yùn)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(fù)雜，且不同工程往往具有獨(dú)特特征，文章就漩渦形成原因著手研究，對(duì)誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素進(jìn)行分析，以期為漩渦防治提供相應(yīng)參考。

關(guān)鍵詞：泄洪洞；進(jìn)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(yùn)行中隨水位不同，進(jìn)水口流態(tài)會(huì)有不同變化。一般而言低水位下泄洪洞會(huì)有漩渦出現(xiàn)，但由于漩渦復(fù)雜性，高水位工況下也可能發(fā)生漩渦現(xiàn)象。根據(jù)漩渦形態(tài)可將其分為橫軸漩渦、立軸漩渦兩類，泄洪洞進(jìn)口漩渦屬于立軸漩渦。從數(shù)學(xué)上分析，立軸漩渦即是徑向的函數(shù)，又是軸向的函數(shù)，屬于強(qiáng)非線性水汽二相流問題[1]。某些工況下泄洪洞進(jìn)口漩渦強(qiáng)度劇烈，若處理不當(dāng)會(huì)發(fā)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(xiàn)漩渦問題，在日本、美國、前蘇聯(lián)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(shí)例，其中有14個(gè)工程發(fā)生了較為嚴(yán)重的問題，占70%。

泄洪洞進(jìn)口漩渦異常復(fù)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(huì)發(fā)生漩渦，偶然性是指漩渦發(fā)生位置、強(qiáng)弱程度在同等工況、同一水位下不會(huì)完全一致，即沒有完全可重復(fù)性。鑒于漩渦防治的重要性，對(duì)誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素進(jìn)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(shí)踐應(yīng)用研究意義。

1 漩渦的分類

美國Alden[3]實(shí)驗(yàn)研究室根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象，將自由表面漩渦依其強(qiáng)弱分為以下六種類型：漩渦運(yùn)動(dòng)形態(tài)復(fù)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(xì)，將漩渦形成從弱到強(qiáng)進(jìn)行了仔細(xì)觀察，其中A型和B型近于無漩渦，不會(huì)引起危害，允許存在；C型和D型為弱漩渦，對(duì)機(jī)組與建筑物會(huì)產(chǎn)生一定作用，但危害一般不嚴(yán)重，實(shí)際中應(yīng)努力防止其出現(xiàn)；E型和F型屬于強(qiáng)漩渦，可能引起較嚴(yán)重的后果，工程中通常不允許出現(xiàn)。

杜敏[3]從對(duì)工程危害程度大小進(jìn)行研究，對(duì)漩渦進(jìn)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(duì)水工建筑物正常運(yùn)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(wěn)定，但明顯地降低泄流能力，攜帶雜物進(jìn)入泄洪洞洞，影響工程正常運(yùn)行；貫通式漩渦存在貫通連續(xù)的空氣通道，尾部經(jīng)常吸氣，形成挾氣渦流帶甚至氣囊[1]，進(jìn)入泄洪洞的氣囊不僅降低了泄流能力，而且在低壓區(qū)會(huì)突然膨脹，發(fā)生放炮等不良現(xiàn)象，縮短建筑物的適用壽命，工程中應(yīng)盡量避免這種漩渦的發(fā)生。

2 誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素分析

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

2.1 進(jìn)水口邊界地形

泄洪洞進(jìn)口漩渦產(chǎn)生，主要是由于進(jìn)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(shí)才會(huì)發(fā)生漩渦。

進(jìn)水口地形狹窄擠壓水流造成的漩渦問題，如：黃壇口電站進(jìn)口前因地形擠壓水流，產(chǎn)生回流造成吸氣漩渦出現(xiàn)。工程表明進(jìn)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(duì)孔口來水造成挾帶擠壓，使進(jìn)口前流向回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致較小的進(jìn)口在很低的流速下（即弗勞德數(shù)數(shù)較低）產(chǎn)生吸氣漩渦，破壞正常運(yùn)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(jìn)口一側(cè)水位雍高，加之離心力作用，在進(jìn)口前造成一種渦轉(zhuǎn)的始流流勢(shì)，誘導(dǎo)水而出現(xiàn)吸氣漩渦，危害工程安全。

2.2 進(jìn)水口體型

研究認(rèn)為：當(dāng)邊界條件一定時(shí)，H/D≈2.0（H位孔口水頭，D為孔口高度或直徑）時(shí)，漩渦強(qiáng)度最大，顯然進(jìn)水口體型與漩渦問題密切相關(guān)。大型孔口（D>8.0m）流量大，較小型孔口易出現(xiàn)吸氣漏斗漩渦。這是因?yàn)榭组T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(dòng)，又因孔口收縮及流體紊動(dòng)，引起切向力的不平衡，形成水體旋轉(zhuǎn)，繼之出現(xiàn)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(xiàn)了嚴(yán)重漩渦破壞問題。錦屏一級(jí)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(shí)出現(xiàn)最大漩渦（直徑約2.5m）。因此工程設(shè)計(jì)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。

此外，水力學(xué)試驗(yàn)研究表明，在行近水流方向不改變時(shí)，引水渠的長(zhǎng)寬比愈大，進(jìn)水口附近的環(huán)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(zhǎng)度是可以避免漩渦危害的。但在高水頭工程中，高水位時(shí)引水渠的長(zhǎng)寬比對(duì)漩渦形成影響不再顯著，該方法對(duì)進(jìn)水口附近的環(huán)量影響很弱，此時(shí)應(yīng)考慮其他措施來避免漩渦危害。

3 結(jié)束語

影響漩渦問題異常復(fù)雜，不同工程出現(xiàn)漩渦問題往往具有各自特點(diǎn)，文章從地形條件、進(jìn)水口體型等方面對(duì)誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：邊界地形、體型結(jié)構(gòu)等是泄洪洞進(jìn)水口處誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素，在工程實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)非常重視工程邊界地形的合理處理和結(jié)構(gòu)體形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保工程高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展。文章對(duì)誘發(fā)漩渦產(chǎn)生的主要因素進(jìn)行了研究，對(duì)實(shí)際工程中采取合理設(shè)計(jì)方案、工程措施和技術(shù)措施等，有效避免漩渦產(chǎn)生具有重要意義，為后續(xù)研究工作奠定了一定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳云良.進(jìn)水口前立軸旋渦水力特性的研究[D].四川大學(xué)，2006.

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

[3]黨媛媛，韓昌海.進(jìn)水口漩渦問題研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2009，29（1）：90-94.

作者簡(jiǎn)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(xué)研究。