旋涡及防涡措施

进口旋涡及防涡、减涡措施综述
作者：黄贤荣单位：江西省水利规划设计院（现在河海大学读研）一、前言
在水工隧洞进口和抽水蓄能电站进（出）水口、水电站引水管道等入流进口，时常出现吸气漏斗旋涡。

本文就进口旋涡的危害性、产生机理、影响因素及防治措施展开讨论，提供了工程切实可行的防涡方法，并列举工程实例供防涡梁设计参考。

二、旋涡的危害性
强烈的旋涡将对工程造成相当大的危害，会严重降低进流量，引起机组或结构振动，降低机组效率，卷吸漂浮物并堵塞或损坏拦污栅等，现分述如下：
1、降低泄流能力
由于气芯的存在，过流断面减小，从而过流能力降低。

另外，由于存在切向运动水流，从而增加了水头损失，共同作用的结果则导致泄流能力减小。

2、形成气囊，影响洞内水流稳定
由于气囊的存在，气囊到洞口处破碎，导致有压流与无压流交替出现，因而洞内水流及出流呈现极不稳定的阵发状态。

3、增大洞身脉动压力
有资料显示，相同流量时的同一测点，在有旋涡时的脉动压力可增大2倍以上，有旋涡时水流对洞身衬砌材料的破坏不容忽视。

4、吸入水面漂浮物
水面漂浮物均可能被吸入洞口，造成洞口堵塞或损坏拦污栅等，也可能对过往船只及人员造成威胁。

三、旋涡的产生
1、旋涡产生吸气现象的原因
r，边上的旋涡的流速分布如图2，旋涡中心部分(有涡流动部分)的半径为
0 u，速度环量为R。

接近旋涡中心部分，流速按双曲线规律增加而压强降流速为
低，见图3。

可见旋涡中心部分的压强变化，是按抛物线规律分布的，压强随着向心面下降。

说明旋涡吮吸物体的性质，以及水在旋涡处水面呈漏斗状降低的现
象。

旋涡较大，即0u 较大，旋涡中心点的压强2/20
0u p p c ρ-=较小，当小到低于大气压时，旋涡将产生吸气现象。

2、旋涡的影响因素
进水口的旋涡有两种，即立轴旋涡和横轴旋涡，立轴旋涡更容易造成进气。

普遍认为，旋涡运动的影响因素主要有行近水流的速度环量、进水口的淹没水深、进水口的流量（或流速）和边界条件。

在实际运行过程中，进水口处的环流一般是由地形或引渠的几何形状变化引
起的，进口结构平面布置和地形不对
称，断面上流速分布不均匀，使行近进
水口的水流具有一定的初始环量，从而
在不同流速水头下产生强度不同的旋
涡。

要减轻或消除水流的环流强度，往
往采取改变边界条件的方式来达到这
一目的。

淹没水深d H /是主要因素之一，
根据试验产生吸气旋涡的d H /范围
是： 对于垂直的旋涡d H /< 3 ~ 5，对
于水平旋涡d H /< 2。

因此在高水位时
问题不大，在低水位时就要注意。

H 、
d 的意义，如图1所示。

Gardo 根据29个水电站进水口的
原型观测分析结果认为，最小的淹没深
度H ，与引水道口高度d ，以及闸门处的流速V 有关，即
2/1C V d H =
式中，C 为系数，当进流对称时，用0.55，当来流左右不对称时，更易发生轴旋涡，系数C 增大为0.73。

Pennino 等总结了13个侧式、井式进水口的模型试验，认为进水口的佛汝德数应小于0.23。

23.0/'<=gH V F
式中 g ——重力加速度；
'H ——进口中心线以上的最小淹没深度。

上述条件，均指行近流速流态较好，即比较均匀对称时，才不出现吸气旋涡。

若设计不当，即使满足上述要求的数值，也会发生吸气旋涡；相反，如果采取一定的防涡吸气措施，即使淹没深度小于上述计算值时，也还有可能不进气。

此外，如果进水口流道不够平顺或尺寸不足，也容易发生回流、脱离和吸气。

四、防治旋涡的措施
由海姆霍兹( Hel mholts)定理知，涡管或涡丝既不能在流体中间开始亦不能终止，它必须呈闭合环形，或者从流体边界上开始和终止。

可见，消涡和防涡要
从破坏旋涡赖以存在的边界条件入手。

根据日本《电力土木》的研究，在进水口上方0
30角的范围内常有一旋涡发生区，见图1。

工程实际中，通常在进水口的上方采用相应措施遮断旋涡的流心，阻止其发展，使旋涡失去存在的边界条件，达到防涡和消涡的目的。

由实践和实验得知，防止旋涡的措施可有下列几种：改善进流状态，设置防涡梁，进口上部倾斜以及设置浮排。

1、改善进流情况
在设计进水口时，应使行近水流流态平稳，尽量减小速度环量，多个进水口在平面布置和运行时应符合对称原则，进水口的边墙形式应圆滑，避免水流间断面的形成，从而防止旋涡的产生。

改变进水建筑物的位置、体型，使行近流速均匀对称，可以减轻或消除环流。

进水前能有几十米至几百米的直线引渠，可使来流较为对称。

渠宽比孔口尺寸不宜过大，渠道两侧边坡宜陡些，以减少可能产生环流的空间；沿来流方向的断面不能扩大，最好稍有收缩而使水流加速。

在井式进（出）水口，也有设置防环流
墙的办法，如图6所示。

2、防涡梁法
目的是遮断旋涡的流心，以阻止其发展，分
散流速分布，降低速度梯度，减小产生旋涡的条
件。

旋涡并不停留在一个地方，而在一定的范围
内缓缓地旋转。

若在旋涡流心通过的范围内设置
适当间隙的格栅，流心自然而然被格栅所切断，
旋涡便不能发展。

这种利用涡流性质，在进水口
上方设置几根栅梁以防止旋涡的方法，对于水深
较大的进水口较为合适。

防涡梁的位置一般设置在最低水位附近或
进口顶端。

梁间距要适当，若太窄，旋涡会转移
至防涡梁的前方，栅梁不能切断流心，起不到防
止涡流的作用。

若栅梁间距太宽，流心将停留在栅梁中间，也切不断流心，同样起不到防止涡流的作用。

防涡梁按结构特征可分为水平布置防涡梁、阶梯立式防涡梁和V型防涡梁。

（1）水平布置防涡梁
水平布置防涡梁按断面形式分为矩形梁和百叶窗式斜梁两种。

图4为经过试
45角为宜，且在最低水位时，验得到的适宜结构尺寸。

百叶窗式斜梁上下以相对0
最小淹没水深5.0≥∆D m ，进口水头损失g V h 2/2≥∆。

水平布置防涡梁适合工作水深变幅较大的进水口防涡，布置越靠近水面，防涡和消涡效果越好。

通常布置在最低水位之下，所以此种防涡梁结构方案适宜进水口流速小于1.0 m/s 。

（2）阶梯立式防涡梁
阶梯立式防涡梁是在进水口上方030角旋涡发生区范围内，竖向顺着旋涡向上延伸线方向呈阶梯型布置几道防涡梁。

经试验研究，防涡梁的结构尺寸宜为：
高度0.3=h m 左右，梁宽按结构要求取值。

防涡梁的纵向间距为0.2~0.1m 左右，间距太宽消涡不充分，太窄旋涡将移至梁的前方。

防涡梁竖向间距t 在2.0m 左右，有利于进流流态平稳。

防涡梁宽度与扩散段相同。

防涡梁设置高度，可视进水口进流流速而定。

试验得出，当进水口前流速0.1<V m/s 时，设置一层立式防涡梁即满足防涡要求；若进水口前流速0.2m/s >0.1>V m/s 时，需设两层立式防涡梁。

详见图5。

第一根防涡梁布置在进水口上方030线与最低水位的交汇处，防涡梁顶高程
需高出最低水位1.0m ，梁底高程低于最
低水位2.0m 。

此梁的作用能有效地防止
进水口边墩产生绕流旋涡。

（3）V 型防涡梁
当进水口流速超过0.2m/s 时，采用
阶梯立式防涡梁已不能满足要求，原因
是进水口流速过大，所产生的旋涡强度
也较大，旋涡遇到防涡梁阻隔而调头反
方向延展。

此时，旋涡发生区为对称、
反方向030的范围。

所以，当进水口流速
0.2>V m/s 时，需要对称布置阶梯立式
防涡梁——称为V 型防涡梁方案。

其设
计方法相同，不再赘述。

3、进口上部倾斜法
根据日本的试验研究指出，在进水口上方常有一旋涡发生区，范围如图1。

在此旋涡发生区以外，通常都不会有旋涡发生。

进口上部倾斜法就是在旋涡发生区域内作一倒坡斜墙，相当于把可能出现旋涡的水体用建筑物置换或隔离起来。

斜墙使进水口向外延伸，相当于扩大了进水入口，减小了进口单宽流量，亦减小了流速分布的不均匀性及进水口的流速，降低了速度梯度，使满足旋涡发生的条件减少。

倒坡斜墙（或板）相对水平面的倾斜角度一般为045左右，具体可通过试验确定。

此外，须注意斜墙（或板）与进口挡墙连接处的间隙不能过大，否则在斜墙（或板）上方会出现小旋涡。

4、浮体法
在产生旋涡的水面上，安放漂浮的板、梁、栅格等浮体，防止旋涡的发生。

漂浮物可视为刚体，相当于使水流表面张力增加到无穷大，阻碍旋涡的发生；同
时当旋涡诱导流速的水流到达刚体时，刚体亦可破坏速度环量。

浮体需设专门机构，且洪水时期流速快或有流木的地方以及冬季冰冻较严重时不能使用此方法。