竖式进水口消涡措施试验研究

杨超林，王均星，罗志鹏，郝 鑫，杨 晓

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

0 引 言

进水口前立轴旋涡会对建筑物的正常运行造成严重危害，主要表现在以下几个方面：立轴旋涡将空气吸入进水口，空气气团滞留在进水口上方，进水口有效过水面积减小，影响隧洞的泄流能力；立轴旋涡携带的空气形成的螺旋运动，使水流运动具有不稳定的特性，容易产生强烈的脉动压力，这将给建筑物壁面增加脉动荷载，引发振动；立轴旋涡形成之后旋涡中心压强降低，具有强烈的下曳力，容易卷吸水库中的漂浮物，对建筑物的安全运行造成巨大威胁。因此针对水工建筑物进口处出现的立轴旋涡需要进行专门的研究去消除，而立轴旋涡的研究一直以来都是水力学中研究的难点，目前对于其生成机理和规律性的研究取得一定的成果[1-5]但总体来说还是十分欠缺，对立轴旋涡现象进行消涡措施的研究成果大多是针对具体工程而言[6-10]。而车马碧水库泄洪放空隧洞竖式进口的布置方式使得进水口上方有一立轴旋涡持续存在，针对出现的立轴旋涡本文利用模型试验提出一种可消除竖式进水口前立轴旋涡的消涡建筑物的布置方案。

1 工程概况

车马碧水库位于云南省曲靖市，总库容12 449 万m3，为Ⅱ等、大(2)型水库，主要建筑物由大坝、溢洪道、泄洪放空隧洞组成。水库正常蓄水位为1 938.5 m，设计洪水位1 938.8 m，校核洪水位1 941.2 m。大坝为混凝土面板堆石坝。枢纽总体布置图如图1所示。

泄洪放空隧洞位于左岸溢洪道左侧山体中，采用竖向进水口形式，孔口为矩形断面，由11 m×11 m渐变为5 m×5 m，渐变喇叭口高3 m，喇叭口下直线段长7.08 m，直线段与水平隧洞段采用圆弧渐变段连接，水平段有压隧洞为3.2 m×4 m(B×H)的矩形断面。闸门竖井段长20.2 m，闸室底板高程1 899.20 m，内设1道平板检修闸门和1道弧形工作闸门，检修闸门为3.2 m×4 m(B×H)，弧形闸门为3.2 m×3.2 m(B×H)。无压洞身段长205.3 m，底坡i=1/100，断面为4 m×5 m的圆拱直墙形断面。出口明渠段长69.567 m，底坡i=1/9.416。在2000年一遇洪水时下泄流量为211.8 m3/s，100年一遇洪水时下泄流量为204.8 m3/s，50年一遇洪水下时泄流量为204.4 m3/s。竖向进水口剖面图如图2所示。

消力池为联合消力池，长50 m，池宽20.5 m，池深6.6 m，池底板高程为1 890.0 m，边墙高16.6 m。

图1 枢纽总体布置图Fig.1 General layout of the project

图2 泄洪放空隧洞竖式进口剖面图(单位：m)Fig.2 Transverse section of the vertical intake of the flood discharge tunnel

2 试验模型设计

在原型中因雷诺数和韦伯数都足够大，黏滞力和表面张力对旋涡的影响可略去不计，但是在模型中，因模型缩尺效应的影响，黏滞力和表面张力对旋涡的作用相对较大，所以在模型设计时，尽量使雷诺数Re和韦伯数We超过一定的临界值，使黏滞力和表面张力对旋涡的影响处于次要的位置。Amphlett.M.B.[11]提出，模型雷诺数Re>3×104时，按重力相似准则设计的模型可近似模拟原型中进水口前旋涡；Jain.A.K.[12]提出模型韦伯数We>120时，表面张力可忽略不计。按重力相似准则设计比尺为1∶30的正态模型，计算该比尺条件下各水位工况下进口处雷诺数及韦伯数，计算结果如表1所示。

由表1可知，按重力相似准则设计比尺为1∶30的正态模型中可以忽略黏滞力和表面张力对旋涡的影响，能够正确模拟出原型中的立轴旋涡。

表1 各水位工况进口处雷诺数及韦伯数Tab.1 Weber number and Reynolds numberat the intake of all conditions

3 竖式进水口处的旋涡观测及分析

3.1 旋涡形式及危害

在设计水位下，在距竖式进水口中轴线下游5 m、顺水流方向左侧2 m处存在一立轴旋涡，旋涡呈顺时针旋转，旋涡直径在2.7 m左右，贯通至进水口内，并且在竖式进水口上方持续出现，如图3所示。

图3 进口立轴旋涡Fig.3 The vertical vortex at the intake

旋涡的存在影响泄洪放空隧洞的过流能力，实测无消涡设施的泄洪放空隧洞比消涡之后的泄洪放空隧洞的泄流能力小8%左右；立轴旋涡涡尾进入到竖式进水口内使得泄洪放空隧洞有压段压力值有明显波动，实测转弯段时均压力值波动最大值约2.4 m水头；立轴旋涡涡尾导致竖井闸室工作弧形闸门出口处流态紊乱，水流不时以较大的流速溅起，拍击弧形闸门下支臂及无压段边墙。因此，立轴旋涡的存在严重威胁着泄洪放空隧洞的安全运行。

3.2 进口流速对旋涡的影响

为研究进水口处水流流速对旋涡的影响，在保持进口体型不变的条件下，通过不同的闸门开度改变泄洪放空隧洞泄流量，从而达到改变进水水流流速的目的。试验观测了设计水位时4个闸门开度情况下进口旋涡的尺寸，如表2所示。

表2 旋涡尺寸与进口流速的关系Tab.2 The relation between the size of thevortex and water velocity at the intake

由表2可知，旋涡尺寸的大小随着进水口流速的减小而减小，闸门开度为0.75H时，旋涡表面直径由闸门全开时的3 m减小到0.9 m，减小约60%；当闸门开度0.25H，进水口流速3.23 m/s时，立轴旋涡消失，在进水口上方只有一表面直径约0.6 m，深度约0.2 m的表面凹陷。可见，进水口水流流速对旋涡的类型及旋涡尺寸的大小影响较大。

3.3 淹没深度对旋涡的影响

为研究淹没深度对旋涡的影响，试验观测了闸门全开时4组不同水位工况条件下进水口旋涡情况，如表3所示。

表3 旋涡尺寸与淹没深度的关系 m

由表3可知，旋涡大小受淹没深度影响较大，随着淹没深度的增大，旋涡表面直径减小，但旋涡深度没有发生明显变化，涡尾一直延伸至进水口内；旋涡表面直径由淹没深度为23.2 m时的3 m减小到淹没深度为25.9 m时的1.5 m。在本工程中，淹没深度增加3 m只能在一定程度上减小立轴旋涡的尺寸，还不足以消除立轴旋涡。

4 消涡措施试验研究

4.1 消涡措施

目前绝大部分消涡措施都是针对具体工程而言，不同的工程可能采取不同的针对性的消涡措施。而其中最主要的消涡措施主要有两种，即优化进水口设计和修建专门的消涡建筑物：

优化进水口设计。旋涡产生的水力要素与进水口处的水流流速及淹没深度有关，通过合理优化进水口设计，可减小进水口水流流速和增大淹没深度，从而达到避免旋涡产生的目的。减小进水口水流流速，一般需要通过增大进水口过水面积来实现；而增加进水口淹没深度，在库水位一定的条件下，势必需要进一步降低进水口高程。

修建专门的消涡建筑物。在进水口布置受到限制或者优化进水口设计需要较大的工程量时，一般通过修建专门的消涡建筑物达到消除旋涡的目的。

由前期试验可知，当进水口流速为3.23 m/s时，进水口处立轴旋涡消失；在淹没深度增加3 m后，立轴旋涡表面直径虽减小至1.2 m，但立轴旋涡一直存在。因此如果通过优化进口的方式达到消除进口旋涡的目的，需要将进口流速降低到3.23 m/s左右，而为满足泄流要求，进口过流面积需要约65 m2；与原设计方案的25 m2相比工程量过大且进口过大在结构上不安全；因此在不增加太多工程量的基础上，可以通过修建一个专门的消涡建筑物达到消除旋涡的目的。

结合前期试验流态分析，从减小进水口处环量以及阻断涡体出发，提出消涡建筑物设计方案：保持原有进口体型不变，在进水口四周增加12个流线型隔墩并且在隔墩上方设置一盖板，盖板底缘与进水口底板垂直距离为3 m，隔墩与盖板组成的消涡亭使得水流由原先的竖向进水变为四边侧向进水，盖板的存在在空间上阻断立轴旋涡，而12个流线型隔墩能够有效减小入流的环量，避免形成侧向进水口式的贯通立轴旋涡，方案具体布置图如图4所示。

图4 消涡建筑物布置图(单位：m)Fig.4 Layout of the vortex elimination construct

4.2 设置消涡措施试验成果

在进水口处增加消涡设施之后，各水位工况下进水口处无旋涡出现。在增加消涡设施之后，泄洪放空隧洞泄流能力达到设计要求，且比无消涡设施时高8%左右，如表4所示；有压段时均压力值波动明显减小，波动幅度比无消涡设施时减小1.5 m左右，如表5所示；闸室段水流流态稳定，有压段出口处水流稳定无水流溅起。该消涡建筑物在保证泄流能力不受影响的情况下，消除了旋涡，改善了有压段压力分布及闸室段水流流态。

表4 有无消涡设施泄流能力对比表Tab.4 Comparison of discharge capacity between the verticalintake with & without the vortex elimination construct

表5 有无消涡设施有压段压力波幅对比表Tab.5 Comparison of pressure amplitude of thepressure conduit between the vertical intakewith & without the vortex elimination construct

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