彭　诚，王均星，谭哲武



U 型堰进水口防涡墩试验研究

彭诚1，王均星1，谭哲武2

（1．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室，武汉430072；
2．长江勘测规划设计研究院，武汉430010）

进水口漩涡是一种常见的水力学问题。以辽宁省清河分水口工程为研究背景，采用物理模型试验的方法，在大比尺为1/10的模型条件下对分流堰部位的进水口漩涡进行了重点试验研究。通过对原设计方案的相对临界淹没水深、速度与环量、进水口边界条件3个漩涡成因进行分析，从边界条件的角度出发提出了修改方案下边墙段的截弯取直、U型堰与防涡墩相结合的消涡方法。试验结果证明，修改方案不仅避免了进水口初始环量的产生，改善了整个分水口的水流流态，同时还优化了进口边界条件，显著地达到了消除进水口漩涡的目的。

进水口漩涡；U型堰；防涡墩；消涡；模型试验

doi：10．11988/ckyyb．20150438

1　研究背景

漩涡是一种极其复杂的流体运动，具有非定常性和非线性2项复杂机制，对漩涡的研究涉及到流体力学、紊动力学等知识。漩涡极易发生在进水口前，且危害很多，如降低进水口的泄流能力、引起机组或结构物的振动、降低机组效率、堵塞或损坏拦污栅等［1］。

对漩涡类型的研究，美国麻省Worcester综合研究所得出了较为认可的6种类型漩涡［2-3］：①表面涡纹，表面不下凹，水流旋转不明显；②表面凹陷涡，表面微凹，水面之下有浅层的缓慢旋转流体，但未向下延伸；③染料核涡，表面下陷，有明显的漏斗状旋转水柱；④挟物漩涡，表面下陷明显，杂物落入漩涡后，会随漩涡旋转下沉并吸入取水口内，但没有空气吸入；⑤间歇吸气涡，表面下陷较深，漩涡间断地挟带气泡进入取水口；⑥连续吸气涡，漩涡中心为贯通的漏斗形气柱，空气连续进入取水口。

对漩涡问题的研究，物理模型试验依然是最主要的研究手段。近些年来国内外为解决实际工程中遇到的漩涡问题，利用不同比尺系列的水工模型进行试验研究，并与工程原型结果进行对比，得到了一系列关于漩涡产生以及发展规律、漩涡影响因素、消涡措施等宝贵的试验资料，解决了水电工程建设中众多的进水口漩涡难题。

消涡措施的方法较多，但是由于受到具体工程的地质地貌、运行条件等限制消涡方法各异，总体归纳其主要的方法有优化进口设计、改善运行方式、设置专门消涡建筑物等措施［3］。本文结合具体工程实例，采用优化进口边界和设置防涡墩结构相结合的方式来进行消涡试验研究，具体为修改分水口的引水边界条件、进水口边界条件以及增设防涡墩消涡结构。

2　工程概况

清河分水口地处于开原市李家台乡清河左岸，距下游清河水库约47．9 km。清河分水口由扩散段、分水前池段、检修闸室段组成。扩散段长20．0 m，由隧洞出口6．8 m渐变至前池进口8．8 m。分水前池段长40．1 m，底宽42．9 m。

分水前池由 1/4圆弧分流堰（堰顶高程为224．36 m，长48 m）将其分为左右2池：左池为辽西北供水管道进水前池，宽为23 m，最低池板底高程为209．75 m，布置3孔辽西北供水管道取水口（D= 3．6 m）和1孔柴河分水口（D=2．9 m）；右池为清河分水前池，宽为11．6 m，出口最低池板底高程为213．07 m，布置有1孔电站取水口和1孔放空闸孔。整个清河分水口的平面布置如图1所示。

3　模型制作及消涡方案

3．1模型选取

模型采用λL=10的水工整体正态模型，按重力相似准则设计［4-5］。模型模拟的范围为：长度范围由上游无压隧洞至电站引水管道下游，总共长度约为210 m；宽度方向为左侧进水前池的边墙模拟至右侧泄水槽边墙，宽度约为37 m，模型中为3．7 m；高度方向上，最低点为管道进水口前，高程为209．75 m，最高点高程为229．54 m。

图1　分水口平面布置Fig．1　Layout of the diversion intake

3．2消涡的研究方案

清河分水口的上游来流由分流堰一分为二，一部分经由左侧进水前池后的4根输水隧道输出；另一部分则经由右侧的引水发电管道流出。其中管道进水前池内洞室从左岸至右岸依次表示为1#，2#，3#，4#，根据闸门开度控制各洞室泄流流量。本文基于大比尺的物理模型试验，研究了正常运行工况条件下管道进水前池部位的流态及漩涡情况，正常运行工况条件见表1。

表1　试验工况流量分配Table 1　Flow distribution under test scheme

本文涉及的2种方案下的边界条件，具体结构如下所述。

（1）原方案：扩散段左岸边墙为直角转弯边墙段，分流堰为1/4圆弧分流堰，其布置如图1所示。

（2）修改方案：扩散段部位边墙进行了截弯取直；进水前池内将原方案的1/4圆弧分流堰改为了对称的U型分流堰；在进水口30°漩涡易发区增设防涡墩；在U型堰上设置隔水导墙（灰色方框所示），其布置如图2所示。

4　试验结果及分析

4．1原方案试验结果

原方案条件下的试验结果包括闸室段进水口的漩涡流态进行描述，测量漩涡的发生位置、漩涡的直径以及持续时间等。然后通过对试验结果进行分析，从而得出消涡的具体措施。

图2　修改方案布置Fig．2　Layout of modified scheme

4．1．1漩涡流态

在正常运行工况下，闸室段各隧洞进口外观流态如图3所示。

图3　各洞室进口流态Fig．3　Flow patterns of inlet in the four chambers

由图3中的外观流态可知，1#和3#进水口均有不同程度的漩涡流态产生，2#和4#进水口漩涡不明显，但是有明显的回流现象。试验过程中，4个进水口的具体试验数据见表2。

表2　各进水口漩涡试验数据Table 2　Test data of swirl in four intakes

结合图3、表2可知，1#与3#洞进水口有明显和稳定的漩涡产生，分别为表面凹陷漩涡和挟物漩涡；2#，4#洞进水口漩涡不明显，为表面涡纹。漩涡的位置和大小均不固定，在闸室段一定范围内游弋变化；同时，漩涡出现的时间具有规律性，按照一定时长的频率交替出现。

4．1．2漩涡成因的分析

漩涡的形成主要受来流条件、运行条件、边界条件以及水流特性等因素的影响。在模型试验研究中，一般不考虑黏滞力和表面张力的影响，因此本文在对漩涡成因的分析中仅从相对临界淹没水深［6］、速度与环量、进水口边界条件3个方面进行分析。

4．1．2．1相对临界淹没水深

在边界条件、来流条件和运行条件一定时，存在一个临界淹没水深Sc，低于该水深则可能诱发漩涡。参照临界水深经验公式以及规范［7］，本工程中选取临界水深公式为式中：C为系数，对称水流取值0．54；v为进水口断面平均流速；d为闸孔高度，等于3．6 m。

根据不可压缩流体恒定总流的能量方程（式（2））可得流速v=13．70 m/s。

式中：z1为自由水面的位能p1为自由水面的压强；γ为水的容重；v1为自由水面的流速；z2为进口断面的位能；p2为进口断面的压强；v2为进口断面的流速；a1，a2分别为自由水面和进口断面的动能修正系数，取1．0；g为重力加速度，取9．8 m/s2，为水头损失。

根据式（1）可计算得Sc=14．04 m，本工程中进水孔口轴线高程为211．55 m，相应设计水位条件下发生漩涡的临界水位为225．60 m。因为正常运行工况水位为226．00 m，高于临界水位，不足以诱发漩涡，所以可以忽略临界淹没水深因素的影响。

图4　进水口表面流速分布Fig．4　Velocity distribution at the surface of water inlet

4．1．2．2漩涡的速度

试验对1/4圆弧堰中的流场分布进行了研究，分流堰中水流流态较为紊乱，横向流速与纵向流速并行，进水口流场分布与漩涡方向一致呈环状，试验测得闸室段各进水口流速分布见图4。

由流速分布图4可知，整个进水前池中的流速均较小，在0．35～1．30 m/s范围波动。4个进水口部位的流速均在0．50～0．80 m/s范围波动，呈环状分布。1/4圆弧堰上的流速相对较大，在0．57～1．30 m/s范围波动，呈斜向分布。

分析其原因，是因为受1/4不对称圆弧分流堰的边界影响，一部分水流沿着隧洞轴线纵方向由上游向下游流动，还有一部分水流沿着1/4圆弧堰与隧洞轴线成45°～90°的夹角流动，且该部分横向水流的速度较纵向流速大，在0．95～1．30 m/s范围变化。水流方向的不对称和大夹角的出现使得水流自然呈现环状运动，受横向较大流速分布的影响，水流环状运动成顺时针方向，这与漩涡的试验现象吻合。4．1．2．3速度环量

速度环量为速度v沿封闭曲线L的线积分。当上游来流受边界条件影响使得流速v的方向与进水口轴线存在交角时，会在进水口前形成一定的初始环量Γ诱发出现漩涡。1/4圆弧分流堰中环状分布的流速促使了速度环量的产生，速度环量可以根据式（3）计算。式中：vτ为沿顺时针方向的切向流速，本文取平均回流流速；r为计算半径，最大取回流半径，最小取漩涡半径。

原设计方案中4个进水口回流区的速度环量分布如表3所示。

由表3可知，在复杂流场分布的条件下，1#—4#进水孔口均产生了一定的初始环量，创造了诱发漩涡的条件。

表3　1#—4#进水口回流区速度环量分布Table 3　Velocity circulation distribution of backflow area at four intakes

综上所述，受到不规则边界条件的影响，1/4圆弧分流堰内部呈现横向、纵向和斜向交错分布的流场；同时环状分布的流场促使了速度环量的产生，2方面因素共同诱发了进水口漩涡的产生。然而，流场的不规则分布以及速度环量的产生主要是受到不规则边界条件的影响，因此需要对1/4圆弧分流堰的边界条件进行修改和优化，这有助于从根本上改善流场分布的条件。

4．1．2．4进水口边界条件

众多的工程案例表明进水口周围的边界条件对漩涡的形成起着主导作用。结合本工程原方案条件下的边界条件（如图5所示）和内部结构进行漩涡的成因分析。

图5　漩涡易发区范围Fig．5　Region of vortex-prone areas

（1）不对称性：整个模型从扩散段开始一直到进水前池部分均极具不对称性，在管道进水前池部分，1/4圆弧分流堰的结构使得管道进水前池的边界也不对称，影响了上游来流的对称性，使得流速发生横向和纵向的交叉分布，诱发了漩涡的产生。

（2）锐缘性：在模型的左侧连续有3处直角，使得进水边界较尖锐。这样的边界容易使得水流速度发生瞬时突变，严重影响水流的顺畅。

（3）复杂性：整个分水口结构较为复杂，分布有平坡段、斜坡段、铅垂段、直角段等边界条件，尤其是1/4圆弧分流堰的结构的存在使得整个分水口一分为二，改变了流场的连续性和均匀性。

（4）漩涡易发区：除上述外围边界条件对漩涡成因的影响外，进水口斜上方部位也是产生漩涡的重要条件。根据日本研究成果表明，在进水口上方30°的范围存在一个漩涡易发区。本工程案例中漩涡易发区的范围（阴影部分）如图5所示，在30°漩涡易发区没有设置消涡和防涡的措施，加之进水口周围的边界具有不对称性、锐缘性、复杂性的特征，从而促使了漩涡的产生。

4．1．3消涡措施

由原方案条件下的试验结果可知，临界淹没水深不足以诱发漩涡的产生，复杂的流场和环量诱发了漩涡的产生，然而流场的不规则分布主要是受到不复杂边界条件的影响，因此究其原因需要对分水口的边界条件进行修改和优化，以从根本上解决漩涡产生的条件。根据边界条件的特殊性进行以下防涡措施的修改。

（1）从对称性角度出发，将1/4圆弧分流堰进行修改为对称的U型堰。

（2）从锐缘性角度出发，将直角边墙段截弯取直。

（3）从30°漩涡易发区角度出发，在该区域设置专门消涡结构——防涡墩。并设置隔水导墙：在第1排防涡墩至进口的位置，U型分流堰左右两侧对称加高，加高长度各为6．4 m，高度从U型堰顶高程224．36 m加高至229．54 m，与横向隔水墙相接。

4．2修改方案试验结果

在修改方案条件下进行同工况下的试验研究，其中1#—4#洞进水口的外观流态如图6示。

图6　修改方案进水口流态Fig．6　Flow patterns at intakes in modified scheme

由图6可知，在修改方案条件下1#—4#洞进口在试验整个过程均无漩涡流态产生，各进水口流态平稳良好。以上试验结论说明修改方案中的防涡措施从本质上解决了原设计方案中的漩涡问题，证明了修改措施是合理的，现对其进行进一步的分析。

（1）直角转弯边墙段的截弯取直，1/4圆弧分流堰改为对称的U型分流堰这2项措施的结合，改变了原方案中水流不均匀不对称的现象，水流在U型分流堰中变得对称均匀分布，这为水流平顺地进入闸室段营造了条件。

（2）防涡墩结构的设置，一方面其特殊的布置方式改变了水流的大小和方向，使得水流对称和均匀分布，没有出现诱发漩涡的环量产生；另一方面防涡墩遮挡漩涡的涡心及破坏了漩涡的回转路线，消减了漩涡的回转强度，使漩涡消灭在萌芽中，从而达到防涡、消涡的目的。

（3）增加的隔水导墙改变了过堰水流的位置和方向，水流受隔水导墙的阻挡作用，其较大的横向流速的路径更加偏离闸室段，从而诱发进水口速度环量的可能性更小，改善了水流流态，抑制了漩涡的产生。

5结论

本文采用物理模型试验的方法进行了U型堰下进水口防涡墩的消涡研究，解决了漩涡问题，得出了以下几点结论，可为同类设计提供参考。

（1）在漩涡的成因中，临界淹没水深是可以通过合理的水位设计来避免诱发漩涡产生的。对于临界淹没水深的计算，应类比具体工程经验选择计算公式。

（2）速度和环量对漩涡的产生起着直接作用。复杂分布的流速和进水口初始环量的产生会直接诱发漩涡，因此需要改善水流条件，尽量避免进水口初始环量的产生。

（3）边界条件是诱发漩涡的最主要因素，通过对进口边界条件的合理优化可以改善水流的特性，从而防止漩涡的产生。本文通过采用边墙的截弯取直，分流堰结构的对称改造，进水口上方30°漩涡易发区防涡墩结构设置，闸室段附近隔水导墙的设置等措施的联合作用，有效的消除了漩涡，达到了理想的消涡效果。

［1］叶茂，伍超，杨朝晖，等．进水口立轴漩涡的数值模拟及消涡措施分析［J］．四川大学学报（工程科学版），2007，39（2）：36-40．

［2］夏毓常，张黎明．水工水力学原型观测与模型试验［M］．北京：中国电力出版社，1999．

［3］吴英卓，江耀祖，周赤，等．船闸短廊道输水系统进口漩涡成因及消除措施研究［J］．长江科学院院报，2011，28（11）：52-56．

［4］ 左启东．模型试验的理论和方法［M］．北京：水利电力出版社，1984．

［5］ 赵昕，张晓元，赵明登，等．水力学［M］．北京：中国电力出版社，2009．

［6］马吉明，梁元博．电站双进水口临界淹没水深的试验研究［J］．清华大学学报（自然科学版），2000，40（5）：122-124．

［7］SL285—2003，水利水电工程进水口设计规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2003．

（编辑：姜小兰）

Experimental Study on Anti-swirl Pier at the Intake of U-shaped Diversion Weir

PENG Cheng1，WANG Jun-xing1，TAN Zhe-wu2
（1．State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan430010，China）

Intake vortex is a hydraulic problem which is common in actual project．In order to solve the problem，we take Qinghe water diversion project，located in Liaoning province，as research background．By using physical model test with big scale of 1∶10，we lay emphasis on intake vortex in diversion weir．There are three causes of vortex in original scheme：relative critical submerged water depth，velocity and circulation，and intake boundary condition．From the perspective of boundary condition，we analyze these causes and propose modified anti-swirl scheme，which contains side wall segment straightening and U-shaped diversion weir with anti-swirl pier．Experimental results prove that the modified scheme can be used to avoid initial circulation at intake and improve the flow pattern throughout diversion intake，in the same time，we can use it to optimize intake boundary conditions and significantly eliminate vortex at water inlet．

intake vortex；U-shaped weir；anti-swirl pier；vortex elimination；model test

TV671

A

1001-5485（2016）07-0055-05

2015-05-26；

2015-06-15

彭诚（1992-），男，湖南永州人，硕士研究生，主要从事水工水力学方面的研究，（电话）13307145325（电子信箱）pc1118@whu．edu．cn。

王均星（1963-），男，湖北宜城人，教授，博士，主要从事水工水力学、高坝复杂地基与边坡工程方面的研究，（电话）13707182138（电子信箱）jxwang@whu．edu．cn。