泄洪洞进水口诱发漩涡产生的主要因素分析

泄洪洞进水口诱发漩涡产生的主要因素分析

泄洪洞有压进口漩涡问题一直是困扰水力工作者的一个难题，进口漩涡的存在给泄水建筑物正常运行带来隐患（增加了空化空蚀破坏的可能性、降低泄流能力、携带杂物影响泄水建筑物的使用寿命）。漩涡的形成因素复杂，且不同工程往往具有独特特征，文章就漩涡形成原因着手研究，对诱发漩涡产生的主要因素进行分析，以期为漩涡防治提供相应参考。

标签：泄洪洞；进水口；漩涡；影响因素

引言

水利工程中，泄洪洞是常见的泄水建筑物。在泄洪洞运行中随水位不同，进水口流态会有不同变化。一般而言低水位下泄洪洞会有漩涡出现，但由于漩涡复杂性，高水位工况下也可能发生漩涡现象。根据漩涡形态可将其分为横轴漩涡、立轴漩涡两类，泄洪洞进口漩涡属于立轴漩涡。从数学上分析，立轴漩涡即是径向的函数，又是轴向的函数，属于强非线性水汽二相流问题[1]。某些工况下泄洪洞进口漩涡强度剧烈，若处理不当会发生较大的工程事故。我国龙羊峡、黄坛口、水口、紫平铺、漫湾、宝珠寺等工程均出现漩涡问题，在日本、美国、前苏联等许多国家，也有不少类似的工程问题[1]。Heckeer[2]研究中有20例存在立轴漩涡实例，其中有14个工程发生了较为严重的问题，占70%。

泄洪洞进口漩涡异常复杂，漩涡具有必然性和偶然性两种特性。必然性是指在某库水位之间必然会发生漩涡，偶然性是指漩涡发生位置、强弱程度在同等工况、同一水位下不会完全一致，即没有完全可重复性。鉴于漩涡防治的重要性，对诱发漩涡产生的主要因素进行研究，以便于工程采用合理措施减轻漩涡危害，就显得非常有工程实践应用研究意义。

1 漩涡的分类

美国Alden[3]实验研究室根据实验观察到的现象，将自由表面漩涡依其强弱分为以下六种类型：漩涡运动形态复杂：A型（表明涡纹）、B型（表面漩涡）、C型（纯水漩涡）、D型（携物漩涡）、E型（间断吸气漩涡）、F型（串通吸气漩涡）。该分类方法详细，将漩涡形成从弱到强进行了仔细观察，其中A型和B型近于无漩涡，不会引起危害，允许存在；C型和D型为弱漩涡，对机组与建筑物会产生一定作用，但危害一般不严重，实际中应努力防止其出现；E型和F型属于强漩涡，可能引起较严重的后果，工程中通常不允许出现。

杜敏[3]从对工程危害程度大小进行研究，对漩涡进行了归纳，将漩涡分为表面凹陷漩涡、间歇吸气漩涡和贯通吸气漩涡三类。表面凹陷漩涡为不吸气漩涡，仅在水面有轻微凹陷，对水工建筑物正常运行没有危害；间歇吸气漩涡顾名思义为间接性吸气漩涡，水面凹陷较深，该漩涡不稳定，但明显地降低泄流能力，携带杂物进入泄洪洞洞，影响工程正常运行；贯通式漩涡存在贯通连续的空气通道，

尾部经常吸气，形成挟气涡流带甚至气囊[1]，进入泄洪洞的气囊不仅降低了泄流能力，而且在低压区会突然膨胀，发生放炮等不良现象，缩短建筑物的适用寿命，工程中应尽量避免这种漩涡的发生。

2 诱发漩涡产生的主要因素分析

漩涡问题普遍存在于泄洪洞进口，其影响因素异常复杂。综合前人研究成果认为有压进水口漩涡的产生受水流边界地形、进水口体型、进水口深入水库的距离、来流方向与进水口之间夹角、来流条件、运行工况等条件影响。

2.1 进水口边界地形

泄洪洞进口漩涡产生，主要是由于进口水流不平顺，发生绕流引起的。来流流速小的水利枢纽，水流是平稳的，不易产生漩涡，只有在流速发生较大改变，且水流受地形等因素影响，发生绕流等现象时才会发生漩涡。

进水口地形狭窄挤压水流造成的漩涡问题，如：黄坛口电站进口前因地形挤压水流，产生回流造成吸气漩涡出现。工程表明进水口地形若过于凹陷或狭窄，该地形条件下，相邻边界的水流对孔口来水造成挟带挤压，使进口前流向回转，导致较小的进口在很低的流速下（即弗劳德数数较低）产生吸气漩涡，破坏正常运行工况。

来流流向和孔口轴线交角过大造成的漩涡问题，如：石头河泄洪洞来流不顺，进口一侧水位雍高，加之离心力作用，在进口前造成一种涡转的始流流势，诱导水而出现吸气漩涡，危害工程安全。

2.2 进水口体型

研究认为：当边界条件一定时，H/D≈2.0（H位孔口水头，D为孔口高度或直径）时，漩涡强度最大，显然进水口体型与漩涡问题密切相关。大型孔口（D>8.0m）流量大，较小型孔口易出现吸气漏斗漩涡。这是因为孔门大，来流流速增大后，表层的下垂流速也增加，流速及压力分布极不均匀，形成一种辐射流动，又因孔口收缩及流体紊动，引起切向力的不平衡，形成水体旋转，继之出现水面吸气漩涡。如：宝珠寺底孔、龙羊峡中孔泄水道直径均大于8m，加之流量大，均出現了严重漩涡破坏问题。锦屏一级泄洪洞（孔口尺寸为12.00m×15.00m （宽×高））在无消涡措施前，在水位1880m时出现最大漩涡（直径约2.5m）。因此工程设计中应慎重采用大型孔口，若必须采用大型孔口，则必须采取措施避免或减轻漩涡危害。

此外，水力学试验研究表明，在行近水流方向不改变时，引水渠的长宽比愈大，进水口附近的环量愈弱，避免吸气旋涡所要求的界限水深愈小。显然在一般中小型工程中通过增加引水渠段长度是可以避免漩涡危害的。但在高水头工程中，高水位时引水渠的长宽比对漩涡形成影响不再显著，该方法对进水口附近的环量影响很弱，此时应考虑其他措施来避免漩涡危害。

3 结束语

影响漩涡问题异常复杂，不同工程出现漩涡问题往往具有各自特点，文章从地形条件、进水口体型等方面对诱发漩涡产生的主要因素进行了分析，分析结果表明：边界地形、体型结构等是泄洪洞进水口处诱发漩涡产生的主要因素，在工程实践应用中应非常重视工程边界地形的合理处理和结构体形的优化设计，确保工程高效优质、节能经济的建设发展。文章对诱发漩涡产生的主要因素进行了研究，对实际工程中采取合理设计方案、工程措施和技术措施等，有效避免漩涡产生具有重要意义，为后续研究工作奠定了一定基础。

参考文献

[1]陈云良.进水口前立轴旋涡水力特性的研究[D].四川大学，2006.

[2]郑双凌，马吉明，陈浩波，等.进水口漩涡特性及临界淹没水深的研究进展[J].南水北调与水利科技，2010，8（5）：129-132.

[3]党媛媛，韩昌海.进水口漩涡问题研究综述[J].水利水电科技进展，2009，29（1）：90-94.

作者简介：宋亮（1988-），男，汉族，陕西杨陵人，硕士研究生，助教，主要从事水工建筑物和水工制图教学研究。