某电站导流洞进口消涡措施试验研究

蒲云娟 魏鹏程 王川 吕海艳

【摘要】水电站导流洞由于其布置位置的局限性以及运行水位较低的特点，进口出现漩涡是较为普遍的。本文针对某一工程导流洞进口存在贯穿漩涡的问题，进行了多种消涡措施的试验研究。试验结果表明，对于导流洞进口的侧向进流、不对称来流以及表面环流等不利流态，可设置多组消涡梁截断回流或加挡水墙隔断进口顶部表面环流来阻止漩涡的产生。同时，在工程设计中，为了避免出现漩涡，导流洞进口应尽量避免设置在河道凹岸，洞脸应尽量与洞轴线垂直。

【关键词】导流洞进口；漩涡；消涡措施；模型试验

1、概述

在水电工程中，导流洞进水口一般布置在大坝旁侧，运行水位较低，淹没深度有限，进口前出现立轴漩涡是较为常见的水力现象。漩涡一般分为表面漩涡、间歇性吸气漩涡以及贯穿漩涡。其中贯穿漩涡对工程的危害较大，主要表现在：（1）漩涡中心旋转角的速度较大，压强较低，具有很大的下曳力，会将库区的漂浮物吸入，容易对导流洞造成破坏；（2）漩涡挟带空气进入导流洞，会增大边壁的脉动压力，降低空化数，加大导流洞产生空蚀破坏的可能性；（3）漩涡进入导流洞，会减小有效过水面积，且漩涡存在切向水流运动，水头损失增加，会导致导流洞的过流量减小，降低其泄流能力。

本文就某一工程导流洞进口漩涡的形成与消除的研究实例入手，介绍了消除漩涡的试验过程，供设计参考。

2、问题的提出

2.1 工程概况及模型设计

两条导流洞进出口同高程布置于河道左岸，设计标准为20年一遇洪水，相应流量为5280m3/s。1#导流洞长1045.018m，2#导流洞长1235.346m，洞身段断面尺寸（宽×高）为12×13m（城门洞型），闸室型式为竖井式。两条导流洞的进口布置体型见图1。导流洞进口段轴线与原河道水流方向的夹角为48.23°，进口段顶部采用椭圆渐变曲线，曲线方程为。1#、2#导流洞进口处洞脸并未与洞轴线垂直，而是分别以50.19°和38.66°与洞轴线斜交。

模型按重力相似准则设计，采用正态模型，几何比尺为1：60。导流洞进口采用有机玻璃加工制作，河道地形采用断面板法控制、水泥砂浆成型。

2.1 存在问题

当两条导流洞为满流、泄量相对较小时，1#导流洞和2#导流洞进口前开始出现漩涡，间歇性的贯穿、吸气。随着流量增大，水位升高，1#导流洞进口前的漩涡消失，而2#导流洞进口前的漩涡出现频率增加、强度增大。设计流量5280m3/s时，导流洞进口水流流态如图1所示，2#导流洞进口前的漩涡频繁的贯穿、吸气，产生的噪声强烈，漩涡直径大、持续时间长。

3、漩涡成因分析

（1）导流洞运行水位较低，淹没深度较小，易产生漩涡，因此对不产生贯穿漩涡的最小淹没深度和实际淹没深度进行了比较，最小淹没深度根据规范公式计算：

采用上式进行计算，流量为5280m3/s时，2#导流洞不产生贯穿漩涡的最小淹没深度为47.9m，而实际淹没深度为45.8m，实际淹没深度小于最小淹没深度，进口前会产生贯穿漩涡。

（2）导流洞进口附近河道地形如图3所示，此工程中，受地形地质条件的限制，2#导流洞进口上游左岸存在一凸岸，上游来流经过此凸岸后，主流偏河道右侧，而导流洞进口布置在左岸凹岸，水流到达导流洞进口附近时，一部分直接进入导流洞，另一部分由于凸岸的作用，到达上游围堰后变成回流回到导流洞进口前。导流洞进口前存在回流，很容易产生漩涡， 而且漩涡随着回流强度的加大而加大。

（3）导流洞进口处洞脸与洞轴线斜交，为斜面迎水，并未和来流方向垂直，来流边界条件不对称。

4、修改方案

贯穿漩涡对工程的危害较大，因此，主要针对2#导流洞进口、设计流量（Q=5280m3/s）工况来研究消涡措施。

根据漩涡形成的原因及影响因素，可通过优化进水口设计、改善运行方式、修建专门的消涡建筑物等途径消除进水口的漩涡。在本工程的消涡试验中，分别尝试了多组消涡板方案和进口优化方案。

多组消涡板方案如图4所示：在2#导流洞进口前布置三个一长两短的消涡板。消涡板坐落在进口顶部开挖的马道上，间距为8.1m，高27m，右侧消涡板长7.9m，中部和左侧消涡板长6.1m。

进口优化方案如图5所示：在2#导流洞进口右侧增加一段明洞，将进口处的洞脸由原来的与洞轴线斜交调整为正交。调整后的导流洞进口顶部加一挡水墙，挡水墙高24m。

设计流量5280m3/s时，两种修改方案2#导流洞进口水流流态如图6和图7所示，各修改方案试验结果比较见表1。

2#导流洞进口漩涡形态

从以上试验结果可以看出：（1）消涡板的存在，可截断水体的回转途径，阻止吸气漏斗向进口方向发展。并且，在导流洞进口右侧布置一较长的消涡板，可以阻挡部分回流回到导流洞进口，改变形成漩涡的边界条件，阻止漩涡的产生。设计流量时，导流洞進口前较远处偶尔会产生贯穿吸气漩涡，漩涡直径小，持续时间短，强度较低，而且发展至消涡板附近就会消失，与原方案相比已有改善。（2）吸气漏斗是由导流洞进口前地形不对称引起的表面环流作用产生的。此工程中，导流洞进口受地形条件的限制，只能在较低高程范围内改变其开挖地形，这对消除表面环流的作用不大。因此，通过在2#导流洞进口右侧增加一段明洞，使其来流对称，同时，在调整后的导流洞进口顶部加一挡水墙，将进水口顶部的表面环流区隔断，改变形成漩涡的边界条件，达到消涡的目的。此方案中，设计流量时，2#导流洞进口前仅存在阵发性表面漩涡，较原方案已有明显改善。

综合考虑：由于导流洞进口顶部均为原地形开挖而成的，在开挖的直坡上设置三个较长的悬臂消涡梁，施工难度较大。并且，进口优化方案的消涡效果较好，因此最后选择进口优化方案。

5、结论

本文针对某一工程导流洞进口存在贯穿漩涡的问题，分析了贯穿漩涡的形成原因，通过实验对比了固定消涡设施和优化进口体型措施的消涡效果，认为采用优化进口体型的方法效果较好，便于施工，具有一定的实用性，可供工程设计参考。

导流洞进口前漩涡的形成虽然跟导流洞本身的布置位置和淹没深度的局限性有关，但在工程设计中，导流洞进口应尽量不要设置在河道凹岸或者凸岸的下游，进口处洞脸应尽量与洞轴线垂直，保证来流较对称，避免在导流洞进口顶部形成较大范围的表面环流区。

对于侧向来流、不对称进流以及表面环流等不利流态引发的漩涡，可设置消涡板截断回流或加挡水墙隔断进口顶部表面环流来改变漩涡形成的边界条件，从而阻止漩涡的产生。

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