除險加固工程泄洪洞進口消渦梁消渦效果研究

馬 鈞

（山西藍金工程咨詢有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

山西省芮城縣里莊小流域壩系西堯骨干壩除險加固工程位于芮城縣陽城鎮(zhèn)西堯村，壩址所在流域?qū)冱S河一級支流里莊河的二級溝道——里莊小流域，多年平均氣溫12.8℃，無霜期203.6 d，多年平均降水量為533.7 mm，西堯骨干壩于2006年建成，壩控面積為3.05 km2，樞紐由大壩和放水建筑物組成，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計（P=5%），200年一遇校核（P=0.5%），淤積年限20年，壩高19.4 m，總庫容51.25 萬m3。攔泥庫容32.85 萬m3，滯洪庫容18.4 萬m3。壩頂高程871.1 m，壩底高程851.7 m，淤積高度14.8 m，防洪壩高1.4 m，淤積面積7.3 hm2，設(shè)計淤積高程866.5 m，設(shè)計洪水位867.9 m，校核洪水位869.1 m，大壩壩高19.4 m，壩頂寬4 m，壩頂長124.2 m，在上下游壩高9.3 m 處壩坡設(shè)馬道，馬道寬1.5 m。上游馬道以上坡比為1∶2，馬道以下坡比為1∶2.5，下游馬道以上坡比為1∶1.5，馬道以下坡比為1∶2。

本工程泄洪洞采用開敞式，由進口段、泄槽段、消能設(shè)施三部分組成，根據(jù)實地勘測，泄洪洞布置在壩的左岸為宜。泄洪洞底板高程為867.31 m，下游河道高程為849.21 m，跌差為18.1 m，水平長度為111.16 m。泄洪臥管采用箱式方型結(jié)構(gòu)，底坡1∶2，臺階高0.45 m，蓋板采用C20 鋼筋砼預(yù)制板，最低放水孔高程854.6 m，最高放水孔高程869.1 m，通氣孔高程868.4 m。臥管軸線與涵洞軸線夾角為98°，臥管斜長32.8 m，臥管總高度17.2 m，共41 臺，42 個出水孔，42 塊蓋板。放水流量Q放=0.1903 m3/s，放水孔徑d=0.25 m，臥管斷面為0.45 m×0.45 m，消力池斷面尺寸確定為長×寬×高=3.0 m×0.8 m×0.6 m。泄槽段技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 泄槽段技術(shù)參數(shù)

由表1 可知，泄槽側(cè)墻高度應(yīng)滿足設(shè)計情況下水位加0.5 m 安全超高，并滿足校核情況下泄流量，進口處側(cè)墻高1.3 m，10 m 處側(cè)墻高0.8 m，末端側(cè)墻高0.8 m。

2 漩渦成因分析

2.1 淹沒深度及洞徑

根據(jù)印度水電研究中心所提供的經(jīng)驗公式［1]進行泄洪洞進口處是否會形成吸氣漏斗漩渦的判別，公式如下：

式中：Fr為泄洪洞進口處佛汝德數(shù)，反應(yīng)漩渦擾動能力；Frs為泄洪洞淹沒佛汝德數(shù)，反應(yīng)漩渦穩(wěn)定力；v為泄洪洞進口處流速均值，m/s；S0為泄洪洞進口形心之上淹沒深度，取84.55 m；d為泄洪洞進口管徑，取7.51 m。

根據(jù)西堯骨干壩除險加固工程設(shè)計洪水、校核洪水等進行驗算，結(jié)果見表2。

表2 不同工況下西堯骨干壩除險加固工程漩渦特性參數(shù)結(jié)果

按照加拿大水利科研中心所提出的吸氣漏斗漩渦經(jīng)驗公式進行泄洪洞進口處最小淹沒深度計算，公式如下：

式中：S 為吸氣漏斗漩渦出現(xiàn)的臨界值，m；v 為進口處流速均值，m/s；h 為泄洪洞進水口后管道高度，取8 m。

計算結(jié)果見表3。

表3 不同工況下淹沒深度最小值

根據(jù)表2 的計算結(jié)果可知，式（1）符合要求，故本工程泄洪洞進口淹沒深度和洞口界面尺寸基本合適，也并非為吸氣漏斗漩渦產(chǎn)生的原因。根據(jù)表3 的計算結(jié)果，本工程設(shè)計洪水位以上淹沒深度存在較大富余，隧洞進口屬于側(cè)向非對稱來水情況，漩渦出現(xiàn)的概率比對稱來水情況要大。

2.2 漩渦成因

根據(jù)以上對淹沒深度及洞徑的計算結(jié)果，考慮到本工程泄洪洞進口位于凹岸，起進口上方滯水區(qū)規(guī)模較大，因此正向、反向及橫向水流速的綜合作用是形成泄洪洞進口處漩渦的主要原因之一。此外，泄洪洞進口處地形左高右低，影響平面流速的均勻性，進而產(chǎn)生十分明顯的流速梯度和剪力，所形成的環(huán)量導(dǎo)致進水口產(chǎn)生漩渦［2]。

3 消渦梁方案及消渦效果

3.1 消渦梁方案

借鑒類似工程所采用的如增設(shè)防渦梁、增設(shè)垂直隔板及水平隔板、設(shè)置導(dǎo)流墻及封閉格柵等消渦方法，本工程原布置方案下，在校核洪水位持續(xù)出現(xiàn)漩渦，并在洞口前20 m 引水渠左側(cè)頻繁出現(xiàn)直徑3 m～4 m 的吸氣漏斗。所進行的洞口頂板向上游延伸并設(shè)置多組消渦梁方案的修改試驗，具體成果見表4。

表4 本工程消渦梁方案試驗結(jié)果

根據(jù)表4 試驗結(jié)果，本工程泄洪洞進口處立軸漩渦和吸氣漏斗產(chǎn)生的主要原因在于進口處地形不對稱、左高右低的地形影響平面流速的均勻性而誘發(fā)表面環(huán)流，且進口處地形陡峭，水流流速較大時導(dǎo)致洞口前出現(xiàn)立軸漩渦，通過改變低高程小范圍內(nèi)的地形并不會明顯破壞表面環(huán)流作用，只有在泄洪洞前較高高程設(shè)置消渦梁及浮排以改變水流邊界條件，才能基本消除漩渦，并防止吸氣漏斗發(fā)生。

3.2 消渦效果

浮排與消渦梁相比，成本較低，但是在運行的安全性及維修方面比消渦梁差。消渦梁能避免浮排消渦等技術(shù)缺陷，但是為完全消除漩渦，必須加強排架高度，在110 m 高程處設(shè)置消渦梁還必須增設(shè)10 m 排架，而在100 m 高程處設(shè)置消渦梁則無須增設(shè)排架。從消渦效果、經(jīng)濟性及實用性等方面綜合考慮，本工程采用消渦梁消渦方式，并將其設(shè)置于100 m 高程處，且消渦梁寬至少為0.8 m。消渦梁能從表層至深層阻隔漩渦水體迴轉(zhuǎn)路徑，并防止消渦梁寬度范圍內(nèi)水體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，該區(qū)域水體對相鄰水流的摩阻作用還能進一步消除消渦梁寬度范圍外漩渦中心區(qū)域水體旋轉(zhuǎn)動能，控制并消除漏斗漩渦。

3.3 水壓力測試

為進行梁底面和頂面壓力差的量化計算，結(jié)合本工程實際進行消渦梁方案試驗時，增測7 根消渦梁底頂水壓力，壓力差為梁底面壓力值和梁頂面壓力值之差。測試結(jié)果見表5。

表5 消渦梁底頂水壓力測試結(jié)果 單位：m 水柱

根據(jù)上表結(jié)果，第1～6 根消渦梁底面與頂面壓力差較小，其中，第1～3 根消渦梁底面壓力比頂面壓力大0.2 m水柱～1.0m水柱，第3～6 根消渦梁底面壓力比頂面壓力小0～0.8 m水柱，緊鄰隧洞口的第7 根消渦梁底面與頂面壓力差最大，達3.6 m 水柱。

4 結(jié)論

本文針對山西省芮城縣里莊小流域壩系西堯骨干壩除險加固工程泄洪洞進水口具體情況，分析進水口前漩渦形成的主要原因，并有針對性的進行消渦梁消渦方案設(shè)計及模型試驗。從消渦效果、經(jīng)濟性及實用性等方面綜合考慮，本工程采用消渦梁消渦方式，并將其設(shè)置于100 m 高程處，且消渦梁寬至少為0.8 m。工程運行效果表明，該措施較好地解決了泄洪洞進水口前所存在的貫通吸氣漩渦問題，分析過程及結(jié)果可供類似工程借鑒參考。