侧向进水倒虹吸进水池消涡措施试验研究

周殊凡，傅宗甫，张茹玉，吕家才

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.广州珠科院工程勘察设计有限公司，广州 510610）

0 引 言

旋涡是水利工程中普遍存在的现象，如水电站、泵站、船闸、取水口、引调水工程进水口前等。倒虹吸在引调水工程管网中广泛应用［1］，但受其进水口的边界条件、水力学因素、体型等因素［2］的影响，倒虹吸进水池也常常会出现涡旋，严重时甚至出现吸气漩涡现象。倒虹吸进口旋涡的存在会恶化洞身内水流流态、增加水流脉动、加大水头损失、减小引水流量以及严重时引起建筑物的振动。

旋涡的研究一直受到国内外学者的重视，主要针对在正向进流条件下的旋涡特性、淹没深度、边界条件、消涡板梁等开展研究。蔡程俊［3］在运用戈登公式计算进水口最小淹没水深的基础上，分析了水电站进水口消涡的措施，可以为进水口最小淹没水深和消涡措施提供参考。刘贞姬［4］等通过模型试验研究了水平进水口旋涡形成过程及对流量的影响，并根据试验数据拟合得到了旋涡形成的临界淹没深度与水流弗劳德数的定量关系式。韦晔、张忠孝［5，6］基于数学模型对泵站进水池的水流流动进行了数值模拟，得到不同旋涡类型及涡量特性。高传昌等［7］基于泵站物理模型和湍流数学模型分析了不同进水流速泵站进水池水流流场分布、漩涡涡量的变化及分布规律。卢永金［8］针对进水口上游的流动特性进行了实验研究，结果表明，不利的入流条件会导致垂直涡的形成。陈宗娜等［9］按漩涡形态将其分为三类（见图1）：表面凹陷漩涡——水面略微凹陷，对建筑物安全运行无影响［图1（a）］；间歇吸气漩涡——水面下凹较明显并伴有气泡串，对建筑物运行有一定影响［图1（b）］；贯通吸气漩涡——出现贯通连续的空气通道，形成涡流区，对建筑物危害较大［图1（c）］。漩涡的消除主要采用优化进水口设计、改善运行方式、修建消涡筑物等措施，认为最简单的方法就是保证进水口前的淹没深度超过最小淹没水深，但部分工程受地形等条件限制，达到增加淹没深度并不经济［10，11］，因此可以修建专门的消涡建筑物来改善水流流态，达到消除漩涡的目的。段文刚等［2］以系列水工模型试验为研究手段，分别从电站、导流洞、渠道倒虹吸和河道倒虹吸等典型水工建筑物进水口漩涡形成的诱因与工程实例着手，介绍了消除漩涡的试验过程，提出了不同的消涡方法。陈兴亮、黄智敏等［12，13］分别针对电站进水口和溢流坝泄流孔进行了消涡试验研究，提出优化孔口边界条件及设置消涡墩等消涡措施。蒙富强、徐自立等［14］针对锦屏一级泄洪洞等工程，利用水工模型试验，提出设置消涡导墙、消涡栅、消涡梁等消涡措施。徐自立［15］根据抽水蓄能电站泄洪排沙洞试验，提出在进水塔上游面设置几道垂直隔板，垂直隔板下部设置水平隔板可以消除进口前的吸气旋涡。石俊营［16］以淇河渠倒虹吸工程为例提出通过调整出口闸墩体型改善出口水面振荡与尾涡的影晌。李娟等［17］针对大型倒虹吸管道进水口的立轴漩涡问题建议对进口段进行优化。

在受地形地貌和地质条件限制而采用侧向进水的取水口时，引渠进水方向与取水口进水方向几乎成90 度角，水流进入取水口前就受边界条件的影响产生预旋，即侧向进水口存在产生旋涡的条件，因此更容易在进水口前形成立轴旋涡，而且消涡的难度较大，目前针对侧向进水消涡措施的研究鲜有报道。以云南滇中甸头倒虹吸工程的侧向进水布置方式为背景开展研究，由于进水口前的立轴旋涡为一种游离而不稳定的旋涡，目前的数值仿真技术难以准确模拟旋涡的发生和消失过程，而且计算往往难以收敛，计算结果难以令人满意，因此采用水工物理模型试验的方法开展研究，通过对进水口前水流流态及旋涡特征参数的观测和分析，分析了旋涡产生的原因，研究了消涡方法，提出了组合式消涡措施，可为侧向进水的消涡设计和深入研究提供参考。

1 滇中甸头倒虹吸概况及存在问题

1.1 倒虹吸概况

滇中引水工程甸头倒虹吸（图2）总长525.87 m，进水池设计流量135 m3/s，管身设计流量125 m3/s。进出口受地形、地质限制，进、出水方向为侧向进、出水（进出水池中心线与倒虹吸管中心线夹角为60°），倒虹吸管数为5根，进水池长53.26 m，净断面（高×宽）9.70 m×14 m，容积5 342 m3，倒虹吸管进口底高程1 969.697 m，管径4.0 m；出水池长51.26 m，净断面（高×宽）9.70 m×12 m，容积4 333 m3。

图2 甸头倒虹吸布置图（单位：mm）Fig.2 Layout of Diantou inverted siphon

1.2 存在问题

滇中引水工程甸头倒虹吸受进口地形地貌和地质条件的影响，进水池采用侧向进水方式，进水池进流方向与倒虹吸管进水方向夹角60°，由进水池进入倒虹吸的水流需要在平面上转弯60°，倒虹吸进口附近进水池的水流存在横向流动分量，存在预旋的条件，而进水池右侧墙采用突扩方式，形成局部脱流，也容易形成附壁旋涡。

2 模型试验设计

2.1 模型相似比尺及试验系统设计

滇中引水工程水流主要受重力作用流动，因此模型采用重力相似准则设计。但是进水口前的旋涡，还同时受黏性力和表面张力的影响，按照重力相似设计的模型会存在缩尺效应，如果是泵站进水池，通常通过加大流量（流速）的方式达到旋涡相似，倒虹吸进水池如果采用加大流量的方法，则进水池的淹没水深会增加而不相似。因此考虑到表面旋涡的相似性，通常的做法是满足重力相似基础上，尽可能采用较大比尺的模型以满足旋涡的相似［18］，或者模型中进水口的雷诺数大于影响旋涡的临界雷诺数3×104，以消除黏性对旋涡的影响［19］，同时模型进水口的韦伯数大于临界韦伯数120，以忽略表面张力的影响［20］。模型采用几何比尺为1∶20 模型，模型中倒虹吸进口的雷诺数大于7.8×104，韦伯数大于500，因此模型中可以忽略黏性及表面张力对旋涡的影响，模型和原型可以达到进口旋涡相似的条件。

模型模拟了引渠、进水池、倒虹吸管、出水池、控制堰等有关建筑物，模型全长约30 m。模型选用有机玻璃制作，有机玻璃糙率约为0.008，换算为原型为0.013 左右，与原型混凝土糙率接近。为了叙述方便，将倒虹吸管自进水池进口至末端依次编号为1号管、2号管、3号管、4号管和5号管，模型见图3。

图3 模型布置示意图Fig.3 Model layout diagram

2.2 模型水力参数测量方法

试验中需要对流量、水位以及倒虹吸进口前的水流流态及旋涡特性参数进行测量。模型进水流量通过电磁流量计测定，出水侧采用标准矩形薄壁堰进行流量校核，量水堰堰顶与测针零点误差小于0.2 mm；进出水池水位利用测针筒引出后采用测针进行测量，水位测针读数精度可达±0.1 mm；旋涡形态及尺度采用大范围表面流场测量系统LSSFMS-3101B对进口前的旋涡进行连续捕捉获得旋涡的形态，再由Hawksoft PIV 软件进行图像叠合处理获得时均的旋涡形态及平面尺度；旋涡持续时间采用连续摄像的方式记录后由后台处理得到；水流流态通过观察法并结合水流示踪数码摄像和照相的方法进行辅助测量。

3 试验结果与分析

3.1 原设计方案试验

原设计方案进水池体型见图4。试验在运行频率最频繁的设计总流量125 m3/s（单管流量25 m3/s，进水池水位1 979.71 m），5管同时运行条件下进行。

图4 倒虹吸进水池原设计方案布置图（单位：mm）Fig.4 Layout of the original design scheme of the inverted siphon sump

3.1.1 进水池流态及倒虹吸进口旋涡形态

试验观察到，进水池前来流平顺，进水池内水面平稳，无明显波动，水流沿进水池行进过程中，逐渐分流转向，流入各倒虹吸进口中，5根倒虹吸管进口前均形成了持续性吸气旋涡，旋涡旋转方向为顺时针方向，最大旋涡表面直径约为2 m，相比较而言，1 号管前的进口流态最差，旋涡最为强烈，旋涡强度按照1、2、3、4、5号的顺序逐渐递减，倒虹吸管进口流态见图5。

图5 原方案倒虹吸管进口水流流态Fig.5 The flow pattern of the inlet water flow in the inverted siphon of the original scheme

3.1.2 倒虹吸进口旋涡形成原因分析

水利工程进水口前出现旋涡是一种普遍现象，其形成原因是多方面的，对于工程的进水口，进口存在纵向、横向突然收缩，进水池的来流与进水口出流方向存在60°夹角（侧向进水），水流在行进过程中存在横向流动分量，而且进水池在倒虹吸进口附近具有旋涡自由旋转的空间，另外，进水池右侧与1号倒虹吸管的边界连接采用突变等都会引起旋涡的形成。受地形地质条件限制，进水池采用侧向进水方式，来流与倒虹吸进水方向存在60°角，因此，倒虹吸进口前产生持续吸气旋涡的主要原因是受地形、地貌和地质条件限制，采用了侧向进水、进口前边界存在突变等因素造成的。

3.2 消涡方案比较试验

3.2.1 消涡的主要思路及消涡方案

根据旋涡形成的原因，消除旋涡的方法应该是取消引起旋涡形成的条件。但是实际的进水口布置由于地形、地貌和地质条件以及经济性的限制难以做到。现有的消涡措施主要有增加进水口的淹没深度，设置消涡梁、消涡板，进口前水面设置浮体，改变进口胸墙体型，调整来流方向等。根据工程的布置及限制条件，提出通过优化进水渠右侧墙体型，调整倒虹吸进口导流墩型式，进口设置消涡板，侧墙设置竖向消涡梁的不同组合方法进行消涡，在保证消涡效果的前提下力求结构体型简单为原则。设导流墩长度为L，消涡板距底板高度为B，竖梁的高度为t，倒虹吸进口高度a作为特征长度，拟定的四种消涡方案（图6）主要参数如下：

图6 四种进水口体型优化方案布置图（单位：mm）Fig.6 Layout of four types of water inlet optimization plan

方案一，将进水池进口段右侧边墙改为椭圆曲线，同时将各个倒虹吸管进口前的导流墩延长至6.25 m（L/a=1.56）。

方案二，进水池进口段右侧边墙与方案一相同，将各倒虹吸管进口前的导流墩较原方案延长9.25 m（L/a=2.31）。

方案三，进水池进口段右侧边墙与方案一相同，将各倒虹吸管进口前的导流墩较原方案延长8.30 m（L/a=2），并在进口前1.80 m 处设置一个消涡板，消涡板底与进口底板（高程1 969.697 m）的距离为6.90 m（B/a=1.72），消涡板底高程为1 976.597 m。

方案四，在方案三的基础上进行了进一步优化。在1 号孔右侧边墙加一根截面为梯形的竖梁，梯形梁的高度为0.40 m（孔口高度的0.1 倍），同时在2～5 号孔前，增设第二道消涡板，第二道消涡板与坡底（分缝）平行，设置在底坡线上游1.8 m，消涡板底与进口底板距离为7.20 m（B/a=1.8），底高程为1 976.897 m。

3.2.2 消涡方案试验

试验观察到，总体上消涡方案一倒虹吸管进口前的水流流态较原设计方案有明显的改善。具体表现在3 号管、4 号管和5号管进口前的旋涡由设计方案的持续吸气性旋涡转变为间歇性吸气旋涡，1 号管和2 号管进口前虽仍有连续性吸气旋涡，但旋涡的尺寸大为缩小，旋涡表面直径约为0.8 m。

消涡方案二倒虹吸进口前的流态与方案一基本相同，虽然较方案一有一定程度的改善，即旋涡的强度有所降低，旋涡大小有所减小，但1 号管和2 号管进口前仍有持续的吸气旋涡，3号管、4 号管和5 号管进口前仍存在间歇性少量吸气旋涡。说明单一靠延长导流墩长度不足以消除进口前的旋涡。

从消涡方案三的试验可以发现，与消涡方案一和二相比，倒虹吸进口前的水流流态有比较大的改善。但1号管进口消涡板前仍观测到间歇性微凹涡，并伴有少量的吸气现象；2号孔至5号孔，进口消涡板前观测到偶发性的微凹涡，偶有微量的吸气现象。

消涡方案四的试验结果表明，该方案下倒虹吸管进口前的吸气现象完全消失，仅在进口前存在偶发的微凹涡，旋涡的尺度也大为减小。

从上述消涡试验可以得出，延长进口前的导流墩，可以在一定程度上改善水流流态，但不能消除吸气旋涡；在适当延长导流墩的基础上，通过增设消涡板，在最靠近上游的1#孔右侧边墙设置竖梁，可以完全消除倒虹吸管进口的吸气现象，因此可以作为优选方案。

各消涡方案旋涡特性参数列于表1，倒虹吸进口水流流态见图7。

表1 各消涡方案旋涡特性参数Tab.1 Vortex characteristic parameters of each vortex elimination scheme

图7 倒虹吸管进口水流流态（Q=125 m3/s）Fig.7 Flow pattern at the inlet of Inverted Siphon（Q=125 m3/s）

3.3 优选方案试验

3.3.1 优选方案试验参数组合

为了检验优选方案是否全面满足校核及检修工况的运行要求，对在设计水位及流量条件下得到的消涡方案进行进一步的试验，试验参数组合见表2。

表2 优选方案试验参数组合Tab.2 Test parameter combination of the optimal scheme

3.3.2 优选方案试验结果

倒虹吸校核运行工况，即单管流量27 m3/s（总过流量为135 m3/s），5 管同时运行，进水池水位1 980.365 m 时，进水池水流流态与设计方案（总流量125 m3/s）时基本相同，倒虹吸管进口出现偶发性弱小微凹涡，没有吸气现象，旋涡大小约0.3 m。校核工况虽然单管流量增加了2 m3/s，但是进水池水位增加了0.655 m，相应地倒虹吸管的淹没水深也增加了0.655 m，增加的淹没深度基本抵消了流量增加导致旋涡增强的趋势，因此总体流态没有恶化。

倒虹吸管在检修期间运行时，根据检修的具体情况，可能存在5 管以下的多种组合运行方式，试验中分别进行了1 管、2管、3管和4管的总共30种的试验组合。试验结果表明，各种倒虹吸管组合的检修工况，倒虹吸管进口前仅出现偶发性弱小微凹涡，没有吸气现象，旋涡大小约0.2 m。虽然检修工况，倒虹吸进水池水位均不同程度低于5 根管设计运行时的水位，但倒虹吸管进口均未发现吸气旋涡等不良流态，说明检修工况，进水渠来流流量不同程度减小，水流在行进过程中的横向流动分量也相应减小，抵消了淹没深度减小旋涡加强的趋势，在设计水位流量工况条件下得到的消涡方案可以满足检修工况要求。

4 结 论

（1）除了传统布置的纵向和横向收缩，侧向进水倒虹吸管，由于来流与倒虹吸进水方向存在夹角，边界存在突变等均容易导致进口附近产生吸气旋涡的不良流态；

（2）对于多管倒虹吸，侧向进水沿水流方向越靠近进水侧（上游）的进水口越容易产生旋涡，沿水流方向旋涡有逐渐减弱的趋势；

（3）延长导流墩对于改善进水池旋涡有一定的效果，但是纯粹靠延长导流墩不能完全消除进口旋涡，当导流墩长度L/a超大2以后，消涡的作用不再增加；

（4）采用延长导流墩+加消涡板的方式对于改善侧向进水倒虹吸管进口旋涡的效果明显；

（5）曲线边墙+延长导流墩（L/a=2）+两道消涡板（B/a=1.72、1.8）+竖向消涡梁（t/a=0.1）的组合消涡方法可以完全消除侧向进水倒虹吸管进口的吸气旋涡，满足全工况运行要求，对于类似的侧向进水口的消涡设计具有参考应用作用；

（6）基于重力流运行的倒虹吸，基于设计工况下得到的消涡措施可以满足全工况运行要求。