浅析进水口最小淹没水深和消涡措施

第１３卷　第１期　２０１３在　中　国水运　Ｖｏｌ　１３　Ｊａｎｕａｒｙ　Ｎｏ．１　１月　Ｏｈ　ｊ　ｎａ　Ｗａｒｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　２Ｏ１３　浅析进水口最小淹没水深和消涡措施　蔡程俊　（上海勘测设计研究院，上海２００４３４）　摘要：在水利工程中，水工建筑物的进水口前经常会出现漩涡，进水口漩涡现象很普遍，进水口漩涡会造成水工　建筑物和水力机械的破坏。为了防止进水口前产生吸气漩涡，水电站或泵站进水口前要求有一定的淹没深度，合理　设计进水口，保证足够的淹没深度，能有效地防止漩涡的发生。本文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，以期为进水口最小淹没水深和消涡措施提供参考。　关键词：进水口；最小淹没水深；消涡措施　中图分类号：ＴＶ１３５　前言　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１３）０１—０１　７５—０２　漩涡的存在特别是吸气漩涡，对工程结构会产生危害，　电站、泵站进水口、孔口泄洪和管道泄洪等都可能有漩涡出　现，而且漩涡的运动规律很复杂。自由表面漩涡可分为不吸　三＝ｃ　｛＝ｋｎ　ａ　４ｇａ　（２）　式中，Ｆｒ＝　／　ｇ为重力加速度，ｋ＝ｃ√　为比例　因素，前苏联泄水建筑物水力学计算手册推荐公式：　三：ｒ１６３～２．１９）Ｆｒ　．气漩涡和吸气漩涡两大类，按其发展过程可具体分为若干类　型，如表面涡丝；表面漩涡；纯水漩涡；挟物漩涡；问断吸　气漩涡；串通吸气漩涡等。不同类型的漩涡对工程的影响程　度是不同的。进水口漩涡危害体现为：减少进流量、降低流　量系数；引起机组或结构物的振动；降低机组效率：卷吸漂　浮物、堵塞或损坏拦污栅等。因此，研究进水口最小淹没水　深和消涡措施具有十分重要的现实意义。鉴于此，笔者对进　水口最小淹没水深和消涡措施进行了初步探讨。　一（３）　ａ　式中，Ｆｒ前系数最小值适用于正向来流，大值适用于斜　向来流。　马吉明通过试验得到类似Ｇｏｒｄｏｎ公式形式的经验公式　（正向取水口）　兰：２３８８Ｆｒ一０．０１：ｋＦｒ一０．０１　．（４）　ａ　、进水口最小淹没水深计算　式中，Ｆｒ＝Ｏ．３～Ｏ．６，ｋ＝２．３８８。　Ｙ．Ｒ．Ｒｅｄｄｙ和Ｊ．Ａ．Ｐｉｃｋｆｏｒｄ提出的经验公式　ｓ＝Ｆｒ×ａ　（５）　通过增加进口前的淹没深度就可以减少漩涡，但淹没深　度的增加往往是很不经济的，比如增加基础开挖量，增加挡　水建筑物的高度等，为此，需要确定出一个合适的最小淹没　水深，或称临界淹没水深。　戈登（Ｊ：Ｌｏｒｄｏｎ）根据２９个常规电站取水口的原型　观测资料得到经验公式：　Ｓ＝ｃｌ￣ｃ／　（１）　式中，：为进水口喇叭口以上淹没水深，ｍ；ａ为进水口　喇叭口的直径，ｍ。　印度水电中心研究所提出的经验公式　＝０　５　＋０．０８　（６）　式中，ａ为门高，ｓ是从门顶算起的淹没深度，ｖ是闸门　处水流流速，ｍＩｓ１　，Ｃ是系数，正向引水取ｃ＝Ｏ．５５，侧向　取水时，ｃ＝Ｏ．７３。我国　水电站进水口设计规范　中采用的公　式就是戈登公式，图１为进水口示意图。　式中，Ｆｒ＝　／√　为孔口佛汝德数；Ｆｓ＝　／√　为淹　没佛汝德数；ｖ为进水口管道水流流速（ｎＶｓ）；ｄ为进水口　管道直径（ｍ）；Ｓ为进水口中心线以上淹没水深。　由于ＧｏｒｄｏｎＩ。　式来源于实际资料，表现形式简单，计　算方便，应用最为广泛，虽然我国　水电站进水口设计规范　就是采用此公式，但是在实际工程中，经验公式只能提供初　步参考，还应根据水工模型试验对该计算值进行修正。　二、进水口消涡措施分析　１．消除漩涡的措施　从漩涡形成的原因以及影响因素，分析消除漩涡的可能　措施有以下几个方面：（１）合理设计进水口，优化进水口设　计。在设计进水口的过程中，应增大淹没深度，限制进流流　图１　进水口淹没深度示意图　将式（１）量纲化为一　收稿日期：２０１２—０８—２０　速，减小进水角，防止回流，合理设计喇叭口曲线以及胸墙、　导墙的形式和位置等。对于侧式进水口，使来流在水平和垂　作者简介：蔡程俊（１９８０一），男，上海市人，上海勘测设计研究院工程师，研究方向为水利水电工程。　１　７６　中国水运　第１３卷　直向平顺，避免用后倾式胸墙。对大流量的孔口可通过减小　闸门开度来减小行近流速，削弱水流紊动。对低水头的进流，　使孔口上的胸墙向上游倾斜，能抑制来流使之平顺，阻止漩　涡的发生。（２）安装防涡结构。水电站水工建筑物进水口形　成的自由表面漏斗旋涡，通过安装防涡结构，如设置防涡梁、　漂浮式排筏、封闭式防涡格栅等，可以在一定程度上减少漩　涡的发生。（３）修建消涡建筑物。进水口漩涡可以通过改善　进水口水流边界条件，如修建隔墙、翼墙、水平隔板等。对　于垂直胸墙，孔口前两侧设置与孔顶齐平的椭圆翼墙能够消　除漩涡，而胸墙后倾时在孔口间的胸墙上设隔墩是有效的。　（４）改善运行方式：尽量在高水位工况下运行，以保证进水　口前有一定的淹没深度。另外，高水位时，在保证出流一定　１一进水１：２；２一防涡梁；３一消涡挡板；４一拦污栅槽或检修　闸门槽；５一排架；６一工作桥　图２实用新型的进水口消涡挡板的横断面　三、结语　情况下，可减小进水口的流速，削弱水流的紊动，避免漩涡　的发生。　２．采用进水１：２消涡挡板消涡　总之，进水口最小淹没水深和消涡措施具有长期性和复　杂性。在水利工程中，对进水口最小淹没深度的计算，目前　尚无普遍的公式，对重要的工程，最好通过模型实验确定出　临界淹没水深。与此同时，为保证水工建筑物进水口前不出　现吸气漩涡，应合理设计进水口、安装防涡结构、修建消涡　建筑物和改善运行方式，不断探索进水口消涡措施，进一步　消除进水口漩涡的危害，从而保障水工建筑物的安全运行。　参考文献　（１）消涡挡板简介　在技术领域方面，一种进水口消涡挡板的设计，适用于　水利、水电、市政等工程。就其设计背景技术而言，水电站　进水口、抽水蓄能电站进／出水口、水泵站进水口等，对水流　流态的要求非常高。如果处理不好，在各种运行工况下拦污　栅槽、检修闸门槽上方易产生漏斗漩涡，将严重影响电站或　泵站的安全运行。通常采用的消涡措施是改变进水口前沿的　边界体型、设置防涡梁等方式，但有时受地形、地质条件的　限制，难以取得理想的效果或者工程量很大。　（２）消涡挡板的优势　本实用新型要解决的技术问题是：提供一种简单方便的结　构用于减弱或消除进水口拦污栅槽、检修闸门槽上方的漏斗漩　涡。本实用新型所采用的技术方案是：在拦污栅槽或检修闸门　槽前、进水口上方设置透水的消涡挡板。消涡挡板对回流形成　阻尼，降低拦污栅槽或检修闸门槽上方排架问的水流流速，减　轻固体壁面对水流的反射作用，降低水流从排架固壁脱落形成　漩涡的机率，削弱漩涡强度。所述的消涡挡板指混凝土结构；　…１高学平，杜敏，赵耀南等．进水口随机出现的漩涡试验研　究【Ｉ１．水力发电学报，２００９，（（）４）．　【２Ｊ党媛媛，韩昌海．进水１３漩涡问题研究综述Ｕ１．水利水电科　技进展，２００９，（（）１）．　Ｉ３】郑双凌，马吉明，陈浩波等．进水口漩涡特性２１＿）１ｇ界淹没　水深的研究进展　南水北调与水利科技，２０１０，（（１５）．　『４】刘贞姬，刘焕芳，宗全利等．水平进水１３旋涡形成条件试　验研究ｌｌ１＿人民黄河，２００８，（０６）．　ｆ５ｌ叶茂，伍超，杨朝晖等．进水口前立轴旋涡的数值模拟及　消涡措施分析ＩＪ［．四川大学学报（工程科学版），２００７，　（（）２）．　或钢结构；或其他材料制作的结构。所述的消涡挡板指在挡板　上开有圆孔；或方孔；或其他形状的孔洞。本实用新型的有益　效果表现在三个方面：一是施工方便，结构简单。二是消涡效　果明显，工程量小。三是对进水口结构影响小。　具体实施方式：　６杜敏，高学平．进水口最小淹没水深和消涡措施Ｕ１．辽宁工　程技术大学学报，２００７，（ｓ２）．　【７】ＤＬ／Ｔ　５３９８—２００７，水电站进水口设计规范【ＳＪ．（ＤＬ／Ｔ　５３９８—２００７．Ｄｅｓｉｇｎ　ｓｐｅｃｉｉｃａｔｆｉｏｎ　ｆｂｒ　ｉｎｔａｋｅ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　如图２所示，根据进水口体型开挖完成后浇筑进水口结构　１；接着浇筑防涡梁２、排架结构５和消涡挡板３；或在排架　结构５上预留埋件后安装消涡挡板３；最后浇筑工作桥６。　…＿…。…。…●…。…－…＿…’…。…－…●一　ｓｔａｔｉｏｎ［Ｒ］．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））．　［８Ｊ　Ｇｏｒｄｏｆ１Ｊ．Ｌ’Ｖｏｎｔｉｃｅｓ　ａｔ　ｉｎｔａｋｅｓ［Ｊ］．ｗａｔｅｒ　ｐｏｗｅｒ，１９７０，２２（４）：　１３７～１３８．　（上接第１２１页）　…１　Ｓａｍａｒａ　Ｓ，Ｏｈｕｃｈｉ　Ｈ　ａｎｄ　Ｍａｔｓｕｄａ　Ｔ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　１９９５　Ｈａｎｓｈｉｎ——Ａｗａｊｉ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ［Ｊ［．Ｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，１９９７，１９　（３）：２２３－２３９．　ｆ３】Ｈｕｏ　Ｈ．，ｅｔ　ａｌ　Ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｇｒｏｕｎｄ：ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄａｉｋａｉ　ｓｔａｔｉｏｎ　Ｕ１．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｇｅｏｅｎｖｉ　ｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，１３１（１２）：１５２２—１５３３．　［４】孔戈．盾构隧道地震响应分析及抗减震措施研究【Ｄ】。上　海：同济大学，２００７．　［５］Ｉｔａｓｃａ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ．Ｆａｓｔ　ｌａｇｒａｎｇｉａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕａ　ｉｎ　３　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ［Ｒ］．Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ：　Ｉｔａｓｃａ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，　ＩｎＣ，２００２．　ｆ２Ｊ　Ａｎ　Ｘ．Ｈ．，Ｓｈａｗｋｙ　Ａ．Ａ．ａｎｄ　Ｍａｅｋａｗａ　Ｋ．Ｔｈｅ　ｃｏＲａｐｓｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ａ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｇｒｅａｔ　Ｈａｎｓｈｉｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅⅢ．Ｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，１　９９７，１　９　（３）：２４１－２５７．