泄洪洞进水口消除漩涡的技术措施研究

宋亮　杨吉健

摘 要：进水口漩涡会对水工建筑物和水力机械造成严重破坏，直接影响到工程的安全稳定运行。实际工程设计和运行管理中，必须结合工程特性选择合理的方案措施进行漩涡消除，以提高工程运行的安全可靠性。本文从地形条件、进水口体型、消涡体型设计、运行管理等方面，对泄洪洞进水口消除漩涡的技术措施进行了详细分析研究，为工程优化设计和运行管理提供了依据，同时也期望供给类似工程参考借鉴。

关键词：泄洪洞进水口；漩涡；措施

中图分类号：TV135.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0166-02

1 概 述

在水利水电工程中，水工建筑物进水口其复杂的边界地形、结构体形以及运行管理不到位等，经常会漩涡，严重影响到水工建筑物和水力机械功能的正常发挥和安全运行。从是否吸气来划分，漩涡分为吸气漩涡和不吸气漩涡。

当进水口处发生吸气漩涡后：

其一，会吸入大量悬浮物，直接堵塞进水口，从而降低进水口的进水能力，影响水电站的正常发电运行；

其二，当吸入空气在输水系统形成气囊，则会恶化隧洞、进水管道等内部的水流流态，进而增加输水系统的脉动压力，严重时会造成隧洞衬砌破坏、压力管道压坏等问题；

其三，空气进入水力机械后，会引起水浪造成水力机械发生振荡和空化气蚀，直接影响到水利水电工程的安全稳定运行。

因此，结合相关研究成果，采取合理的技术措施来预防和抑制漩涡的产生，控制和降低漩涡危害，就显得非常有工程实践应用研究意义。

2 合理设计泄洪洞进口边界地形

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。

合理设计泄洪洞进口边界地形可以避免或减轻漩涡危害。一般而言在泄洪洞进口均会设置适宜大小的平台，这不仅便于工程施工，更有利于保证水流平稳流入泄洪洞进口，减少漩涡发生的可能性。泄洪洞进口地形不仅体现在平台的修建上，在泄洪洞左右两边坡开挖上也有体现，依据工程经验发现将泄洪洞进口地形开挖成对称地形，水流更易平顺，更容易避免漩涡的出现。

3 合理设计进水口结构体型

合理设计进水口，增加淹没水深或降低进流流速，可削弱旋涡强度或避免形成旋涡，这是目前最常用的避免旋涡形成的设计方案。另外，在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。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。

4 消除漩涡特殊工程措施

4.1 专门结构物消涡（消涡栅 、消涡导墙、消涡梁等）

传统的消除漩涡措施是修建消涡栅（如乐昌峡水利枢纽工程施工导流洞进口[1]）。依据传统的消涡栅进行改进，王英奎自制了消涡排，其创新之处在于消涡排能漂浮在水面之上，并随着水面的变化而自动升降，是一种比较方便易行的消涡措施[1]。马振海[2]所研制的消涡器，可随水流运动，而且可随时追寻漩涡的中心，在漩涡的中心旋转，起到最佳的防涡、消涡作用。这些依据传统消涡栅改进的措施虽然在试验中表现良好，但在实际工程中仍有待进一步验证。

消涡导墙、消涡梁与消涡栅应用原理一样，工程中均有体现，如：锦屏一级泄洪洞的进水口通过多方案试验研究，选择在泄洪洞临普斯罗沟侧1 827 ～1 860 m高程之间设置透水消涡导墙，在墙体上预留透水孔，透水孔尺寸为1.0 m×1.0 m，间距5.0 m。该措施极大削弱了漩涡强度，满足工程正常运行要求[3]；长河坝深孔泄洪洞在深孔泄洪洞进水塔挡水胸墙上部沿铅垂方向布置9根竖向消涡梁，消涡梁高12.0 m，宽2.0 m，厚度可根据结构要求设计，间距5.0 m，消除了漏斗漩涡危害[1]。

此外，消涡墩、漂浮排筏、金属网等也能起到相应效果。实际工程应根据具体情况，因地制宜，采用不同的工程方式，以最经济合理的方式，达到最优消涡效果。

4.2 胸墙体形优化

旋涡区一般发生在进口上方30 °的范围内，如A区。鉴于此，采取措施重点避免进水口上方30 °的范围内发生漩涡将是消除漩涡重点考虑的。研究表明由于进水口漩涡出现在B区，如图1（a）所示。由此可见漩涡是异常复杂的，不同研究进行不同试验极有可能得到不同研究结果。

优化胸墙体型方法，如图1（b）所示，也是一种消除漩涡的工程技术措施。胸墙采用倒坡方式可有效避免漩涡出现，或减轻漩涡危害。但倒坡胸墙的做法一般会给结构设计带来一定难度，如：可可托海泄洪洞最终方案采用的是前倾的胸墙，便是采用的这一原理。

4.3 隔板方案

隔板方案与消涡栅类似，是在进水口加设若干大小的垂直隔板，该方案一般也能起到较好的消涡效果，在呼和浩特抽水蓄能电站泄洪排沙洞中得到成功运用。

4.4 其他措施

有关的漩涡的消除措施在不断的发展和应用，比如泄水建筑物的侧墙掺气技术、调压井的应用、防涡墙的设置等，这些工程措施的主要目的是使泄洪洞内的水流流态更稳定，更有效地渲泄洪水，避免漩涡造成危害。

5 加强水利枢纽运行管理

通过运行管理来减轻漩涡危害从本质上还是改变来流条件实现的。水利枢纽中泄水建筑物往往包括泄洪洞、溢洪道、放空洞等建筑物，一般而言泄洪洞不会单独运行，在与其他水工建筑物联合运行过程中泄洪洞进口水流会受到不同程度的影响，有利的影响表现为对扰乱洪洞进口水流，产生的紊动足以抵抗漩涡发生；或使水流以更加对称方式进入泄洪洞进口，减少漩涡出现概率；但若泄洪洞与其他泄水建筑物同时运行激化了漩涡的产生，则须尽量避免泄洪洞与其他泄水建筑物联合运行，避免漩涡的产生。因此在制定工况时需要满足工程实际需求的同时，根据试验结果进行优化安排。

6 结 语

消除漩涡的技术措施较多，但由于漩涡的诱发机理和运动规律非常复杂，没有一种通用的漩涡消除准则，在实际工程中应根据工程特性，从地形条件、进水口体型、消涡体型设计、运行管理等方面，合理采用消除漩涡的技术措施，主要表现在以下几个方面，即：

①泄洪洞进水口地形对称且进口设有平台对减轻漩涡危害具有积极作用；

②进水口体型主要体现在孔口直径和引水渠设计两方面，采用满足工程较小的直径可减轻漩涡危害，加设引水渠可降低低水位下漩涡危害；

③消涡体型设计广泛应用在实际工程中，但鉴于漩涡复杂，并未有适用于所有工程的工程措施，应根据实际工程漩涡最经济合理的方式减轻漩涡危害；

④运行管理方面应该根据工程实际，尽可能优化运行方案，降低漩涡发生的可能性。合理采用消除漩涡的技术措施，可以提高水工建筑物和水力机械的运行安全水平，确保工程高效优质、节能经济的运行发展。

参考文献：

[1] 蒙富强，陈军，郭真余.泄洪洞进水口消涡措施的研究[J].中国水运：下半 月，2012，（7）.

[2] 马振海.底孔前伸进水口消涡措施试验研究[J].水利水电技术，2005，（11）.

[3] 徐自立，梁宗祥.泄洪排沙洞进口消涡措施试验研究[J].人民黄河，2009，（1）.