豎式進(jìn)水口消渦措施試驗(yàn)研究

楊超林，王均星，羅志鵬，郝 鑫，楊 曉

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021；2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

進(jìn)水口前立軸旋渦會對建筑物的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：立軸旋渦將空氣吸入進(jìn)水口，空氣氣團(tuán)滯留在進(jìn)水口上方，進(jìn)水口有效過水面積減小，影響隧洞的泄流能力；立軸旋渦攜帶的空氣形成的螺旋運(yùn)動，使水流運(yùn)動具有不穩(wěn)定的特性，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動壓力，這將給建筑物壁面增加脈動荷載，引發(fā)振動；立軸旋渦形成之后旋渦中心壓強(qiáng)降低，具有強(qiáng)烈的下曳力，容易卷吸水庫中的漂浮物，對建筑物的安全運(yùn)行造成巨大威脅。因此針對水工建筑物進(jìn)口處出現(xiàn)的立軸旋渦需要進(jìn)行專門的研究去消除，而立軸旋渦的研究一直以來都是水力學(xué)中研究的難點(diǎn)，目前對于其生成機(jī)理和規(guī)律性的研究取得一定的成果[1-5]但總體來說還是十分欠缺，對立軸旋渦現(xiàn)象進(jìn)行消渦措施的研究成果大多是針對具體工程而言[6-10]。而車馬碧水庫泄洪放空隧洞豎式進(jìn)口的布置方式使得進(jìn)水口上方有一立軸旋渦持續(xù)存在，針對出現(xiàn)的立軸旋渦本文利用模型試驗(yàn)提出一種可消除豎式進(jìn)水口前立軸旋渦的消渦建筑物的布置方案。

1 工程概況

車馬碧水庫位于云南省曲靖市，總庫容12 449 萬m3，為Ⅱ等、大(2)型水庫，主要建筑物由大壩、溢洪道、泄洪放空隧洞組成。水庫正常蓄水位為1 938.5 m，設(shè)計(jì)洪水位1 938.8 m，校核洪水位1 941.2 m。大壩為混凝土面板堆石壩。樞紐總體布置圖如圖1所示。

泄洪放空隧洞位于左岸溢洪道左側(cè)山體中，采用豎向進(jìn)水口形式，孔口為矩形斷面，由11 m×11 m漸變?yōu)? m×5 m，漸變喇叭口高3 m，喇叭口下直線段長7.08 m，直線段與水平隧洞段采用圓弧漸變段連接，水平段有壓隧洞為3.2 m×4 m(B×H)的矩形斷面。閘門豎井段長20.2 m，閘室底板高程1 899.20 m，內(nèi)設(shè)1道平板檢修閘門和1道弧形工作閘門，檢修閘門為3.2 m×4 m(B×H)，弧形閘門為3.2 m×3.2 m(B×H)。無壓洞身段長205.3 m，底坡i=1/100，斷面為4 m×5 m的圓拱直墻形斷面。出口明渠段長69.567 m，底坡i=1/9.416。在2000年一遇洪水時(shí)下泄流量為211.8 m3/s，100年一遇洪水時(shí)下泄流量為204.8 m3/s，50年一遇洪水下時(shí)泄流量為204.4 m3/s。豎向進(jìn)水口剖面圖如圖2所示。

消力池為聯(lián)合消力池，長50 m，池寬20.5 m，池深6.6 m，池底板高程為1 890.0 m，邊墻高16.6 m。

圖1 樞紐總體布置圖Fig.1 General layout of the project

圖2 泄洪放空隧洞豎式進(jìn)口剖面圖(單位：m)Fig.2 Transverse section of the vertical intake of the flood discharge tunnel

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

在原型中因雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)都足夠大，黏滯力和表面張力對旋渦的影響可略去不計(jì)，但是在模型中，因模型縮尺效應(yīng)的影響，黏滯力和表面張力對旋渦的作用相對較大，所以在模型設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使雷諾數(shù)Re和韋伯?dāng)?shù)We超過一定的臨界值，使黏滯力和表面張力對旋渦的影響處于次要的位置。Amphlett.M.B.[11]提出，模型雷諾數(shù)Re>3×104時(shí)，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的模型可近似模擬原型中進(jìn)水口前旋渦；Jain.A.K.[12]提出模型韋伯?dāng)?shù)We>120時(shí)，表面張力可忽略不計(jì)。按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)比尺為1∶30的正態(tài)模型，計(jì)算該比尺條件下各水位工況下進(jìn)口處雷諾數(shù)及韋伯?dāng)?shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)比尺為1∶30的正態(tài)模型中可以忽略黏滯力和表面張力對旋渦的影響，能夠正確模擬出原型中的立軸旋渦。

表1 各水位工況進(jìn)口處雷諾數(shù)及韋伯?dāng)?shù)Tab.1 Weber number and Reynolds numberat the intake of all conditions

3 豎式進(jìn)水口處的旋渦觀測及分析

3.1 旋渦形式及危害

在設(shè)計(jì)水位下，在距豎式進(jìn)水口中軸線下游5 m、順?biāo)鞣较蜃髠?cè)2 m處存在一立軸旋渦，旋渦呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋渦直徑在2.7 m左右，貫通至進(jìn)水口內(nèi)，并且在豎式進(jìn)水口上方持續(xù)出現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 進(jìn)口立軸旋渦Fig.3 The vertical vortex at the intake

旋渦的存在影響泄洪放空隧洞的過流能力，實(shí)測無消渦設(shè)施的泄洪放空隧洞比消渦之后的泄洪放空隧洞的泄流能力小8%左右；立軸旋渦渦尾進(jìn)入到豎式進(jìn)水口內(nèi)使得泄洪放空隧洞有壓段壓力值有明顯波動，實(shí)測轉(zhuǎn)彎段時(shí)均壓力值波動最大值約2.4 m水頭；立軸旋渦渦尾導(dǎo)致豎井閘室工作弧形閘門出口處流態(tài)紊亂，水流不時(shí)以較大的流速濺起，拍擊弧形閘門下支臂及無壓段邊墻。因此，立軸旋渦的存在嚴(yán)重威脅著泄洪放空隧洞的安全運(yùn)行。

3.2 進(jìn)口流速對旋渦的影響

為研究進(jìn)水口處水流流速對旋渦的影響，在保持進(jìn)口體型不變的條件下，通過不同的閘門開度改變泄洪放空隧洞泄流量，從而達(dá)到改變進(jìn)水水流流速的目的。試驗(yàn)觀測了設(shè)計(jì)水位時(shí)4個(gè)閘門開度情況下進(jìn)口旋渦的尺寸，如表2所示。

表2 旋渦尺寸與進(jìn)口流速的關(guān)系Tab.2 The relation between the size of thevortex and water velocity at the intake

由表2可知，旋渦尺寸的大小隨著進(jìn)水口流速的減小而減小，閘門開度為0.75H時(shí)，旋渦表面直徑由閘門全開時(shí)的3 m減小到0.9 m，減小約60%；當(dāng)閘門開度0.25H，進(jìn)水口流速3.23 m/s時(shí)，立軸旋渦消失，在進(jìn)水口上方只有一表面直徑約0.6 m，深度約0.2 m的表面凹陷。可見，進(jìn)水口水流流速對旋渦的類型及旋渦尺寸的大小影響較大。

3.3 淹沒深度對旋渦的影響

為研究淹沒深度對旋渦的影響，試驗(yàn)觀測了閘門全開時(shí)4組不同水位工況條件下進(jìn)水口旋渦情況，如表3所示。

表3 旋渦尺寸與淹沒深度的關(guān)系 m

由表3可知，旋渦大小受淹沒深度影響較大，隨著淹沒深度的增大，旋渦表面直徑減小，但旋渦深度沒有發(fā)生明顯變化，渦尾一直延伸至進(jìn)水口內(nèi)；旋渦表面直徑由淹沒深度為23.2 m時(shí)的3 m減小到淹沒深度為25.9 m時(shí)的1.5 m。在本工程中，淹沒深度增加3 m只能在一定程度上減小立軸旋渦的尺寸，還不足以消除立軸旋渦。

4 消渦措施試驗(yàn)研究

4.1 消渦措施

目前絕大部分消渦措施都是針對具體工程而言，不同的工程可能采取不同的針對性的消渦措施。而其中最主要的消渦措施主要有兩種，即優(yōu)化進(jìn)水口設(shè)計(jì)和修建專門的消渦建筑物：

優(yōu)化進(jìn)水口設(shè)計(jì)。旋渦產(chǎn)生的水力要素與進(jìn)水口處的水流流速及淹沒深度有關(guān)，通過合理優(yōu)化進(jìn)水口設(shè)計(jì)，可減小進(jìn)水口水流流速和增大淹沒深度，從而達(dá)到避免旋渦產(chǎn)生的目的。減小進(jìn)水口水流流速，一般需要通過增大進(jìn)水口過水面積來實(shí)現(xiàn)；而增加進(jìn)水口淹沒深度，在庫水位一定的條件下，勢必需要進(jìn)一步降低進(jìn)水口高程。

修建專門的消渦建筑物。在進(jìn)水口布置受到限制或者優(yōu)化進(jìn)水口設(shè)計(jì)需要較大的工程量時(shí)，一般通過修建專門的消渦建筑物達(dá)到消除旋渦的目的。

由前期試驗(yàn)可知，當(dāng)進(jìn)水口流速為3.23 m/s時(shí)，進(jìn)水口處立軸旋渦消失；在淹沒深度增加3 m后，立軸旋渦表面直徑雖減小至1.2 m，但立軸旋渦一直存在。因此如果通過優(yōu)化進(jìn)口的方式達(dá)到消除進(jìn)口旋渦的目的，需要將進(jìn)口流速降低到3.23 m/s左右，而為滿足泄流要求，進(jìn)口過流面積需要約65 m2；與原設(shè)計(jì)方案的25 m2相比工程量過大且進(jìn)口過大在結(jié)構(gòu)上不安全；因此在不增加太多工程量的基礎(chǔ)上，可以通過修建一個(gè)專門的消渦建筑物達(dá)到消除旋渦的目的。

結(jié)合前期試驗(yàn)流態(tài)分析，從減小進(jìn)水口處環(huán)量以及阻斷渦體出發(fā)，提出消渦建筑物設(shè)計(jì)方案：保持原有進(jìn)口體型不變，在進(jìn)水口四周增加12個(gè)流線型隔墩并且在隔墩上方設(shè)置一蓋板，蓋板底緣與進(jìn)水口底板垂直距離為3 m，隔墩與蓋板組成的消渦亭使得水流由原先的豎向進(jìn)水變?yōu)樗倪厒?cè)向進(jìn)水，蓋板的存在在空間上阻斷立軸旋渦，而12個(gè)流線型隔墩能夠有效減小入流的環(huán)量，避免形成側(cè)向進(jìn)水口式的貫通立軸旋渦，方案具體布置圖如圖4所示。

圖4 消渦建筑物布置圖(單位：m)Fig.4 Layout of the vortex elimination construct

4.2 設(shè)置消渦措施試驗(yàn)成果

在進(jìn)水口處增加消渦設(shè)施之后，各水位工況下進(jìn)水口處無旋渦出現(xiàn)。在增加消渦設(shè)施之后，泄洪放空隧洞泄流能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且比無消渦設(shè)施時(shí)高8%左右，如表4所示；有壓段時(shí)均壓力值波動明顯減小，波動幅度比無消渦設(shè)施時(shí)減小1.5 m左右，如表5所示；閘室段水流流態(tài)穩(wěn)定，有壓段出口處水流穩(wěn)定無水流濺起。該消渦建筑物在保證泄流能力不受影響的情況下，消除了旋渦，改善了有壓段壓力分布及閘室段水流流態(tài)。

表4 有無消渦設(shè)施泄流能力對比表Tab.4 Comparison of discharge capacity between the verticalintake with & without the vortex elimination construct

表5 有無消渦設(shè)施有壓段壓力波幅對比表Tab.5 Comparison of pressure amplitude of thepressure conduit between the vertical intakewith & without the vortex elimination construct

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