除险加固工程泄洪洞进口消涡梁消涡效果研究

马 钧

（山西蓝金工程咨询有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概况

山西省芮城县里庄小流域坝系西尧骨干坝除险加固工程位于芮城县阳城镇西尧村，坝址所在流域属黄河一级支流里庄河的二级沟道——里庄小流域，多年平均气温12.8℃，无霜期203.6 d，多年平均降水量为533.7 mm，西尧骨干坝于2006年建成，坝控面积为3.05 km2，枢纽由大坝和放水建筑物组成，设计标准为20年一遇设计（P=5%），200年一遇校核（P=0.5%），淤积年限20年，坝高19.4 m，总库容51.25 万m3。拦泥库容32.85 万m3，滞洪库容18.4 万m3。坝顶高程871.1 m，坝底高程851.7 m，淤积高度14.8 m，防洪坝高1.4 m，淤积面积7.3 hm2，设计淤积高程866.5 m，设计洪水位867.9 m，校核洪水位869.1 m，大坝坝高19.4 m，坝顶宽4 m，坝顶长124.2 m，在上下游坝高9.3 m 处坝坡设马道，马道宽1.5 m。上游马道以上坡比为1∶2，马道以下坡比为1∶2.5，下游马道以上坡比为1∶1.5，马道以下坡比为1∶2。

本工程泄洪洞采用开敞式，由进口段、泄槽段、消能设施三部分组成，根据实地勘测，泄洪洞布置在坝的左岸为宜。泄洪洞底板高程为867.31 m，下游河道高程为849.21 m，跌差为18.1 m，水平长度为111.16 m。泄洪卧管采用箱式方型结构，底坡1∶2，台阶高0.45 m，盖板采用C20 钢筋砼预制板，最低放水孔高程854.6 m，最高放水孔高程869.1 m，通气孔高程868.4 m。卧管轴线与涵洞轴线夹角为98°，卧管斜长32.8 m，卧管总高度17.2 m，共41 台，42 个出水孔，42 块盖板。放水流量Q放=0.1903 m3/s，放水孔径d=0.25 m，卧管断面为0.45 m×0.45 m，消力池断面尺寸确定为长×宽×高=3.0 m×0.8 m×0.6 m。泄槽段技术参数见表1。

表1 泄槽段技术参数

由表1 可知，泄槽侧墙高度应满足设计情况下水位加0.5 m 安全超高，并满足校核情况下泄流量，进口处侧墙高1.3 m，10 m 处侧墙高0.8 m，末端侧墙高0.8 m。

2 漩涡成因分析

2.1 淹没深度及洞径

根据印度水电研究中心所提供的经验公式［1]进行泄洪洞进口处是否会形成吸气漏斗漩涡的判别，公式如下：

式中：Fr为泄洪洞进口处佛汝德数，反应漩涡扰动能力；Frs为泄洪洞淹没佛汝德数，反应漩涡稳定力；v为泄洪洞进口处流速均值，m/s；S0为泄洪洞进口形心之上淹没深度，取84.55 m；d为泄洪洞进口管径，取7.51 m。

根据西尧骨干坝除险加固工程设计洪水、校核洪水等进行验算，结果见表2。

表2 不同工况下西尧骨干坝除险加固工程漩涡特性参数结果

按照加拿大水利科研中心所提出的吸气漏斗漩涡经验公式进行泄洪洞进口处最小淹没深度计算，公式如下：

式中：S 为吸气漏斗漩涡出现的临界值，m；v 为进口处流速均值，m/s；h 为泄洪洞进水口后管道高度，取8 m。

计算结果见表3。

表3 不同工况下淹没深度最小值

根据表2 的计算结果可知，式（1）符合要求，故本工程泄洪洞进口淹没深度和洞口界面尺寸基本合适，也并非为吸气漏斗漩涡产生的原因。根据表3 的计算结果，本工程设计洪水位以上淹没深度存在较大富余，隧洞进口属于侧向非对称来水情况，漩涡出现的概率比对称来水情况要大。

2.2 漩涡成因

根据以上对淹没深度及洞径的计算结果，考虑到本工程泄洪洞进口位于凹岸，起进口上方滞水区规模较大，因此正向、反向及横向水流速的综合作用是形成泄洪洞进口处漩涡的主要原因之一。此外，泄洪洞进口处地形左高右低，影响平面流速的均匀性，进而产生十分明显的流速梯度和剪力，所形成的环量导致进水口产生漩涡［2]。

3 消涡梁方案及消涡效果

3.1 消涡梁方案

借鉴类似工程所采用的如增设防涡梁、增设垂直隔板及水平隔板、设置导流墙及封闭格栅等消涡方法，本工程原布置方案下，在校核洪水位持续出现漩涡，并在洞口前20 m 引水渠左侧频繁出现直径3 m～4 m 的吸气漏斗。所进行的洞口顶板向上游延伸并设置多组消涡梁方案的修改试验，具体成果见表4。

表4 本工程消涡梁方案试验结果

根据表4 试验结果，本工程泄洪洞进口处立轴漩涡和吸气漏斗产生的主要原因在于进口处地形不对称、左高右低的地形影响平面流速的均匀性而诱发表面环流，且进口处地形陡峭，水流流速较大时导致洞口前出现立轴漩涡，通过改变低高程小范围内的地形并不会明显破坏表面环流作用，只有在泄洪洞前较高高程设置消涡梁及浮排以改变水流边界条件，才能基本消除漩涡，并防止吸气漏斗发生。

3.2 消涡效果

浮排与消涡梁相比，成本较低，但是在运行的安全性及维修方面比消涡梁差。消涡梁能避免浮排消涡等技术缺陷，但是为完全消除漩涡，必须加强排架高度，在110 m 高程处设置消涡梁还必须增设10 m 排架，而在100 m 高程处设置消涡梁则无须增设排架。从消涡效果、经济性及实用性等方面综合考虑，本工程采用消涡梁消涡方式，并将其设置于100 m 高程处，且消涡梁宽至少为0.8 m。消涡梁能从表层至深层阻隔漩涡水体迴转路径，并防止消涡梁宽度范围内水体发生旋转运动，该区域水体对相邻水流的摩阻作用还能进一步消除消涡梁宽度范围外漩涡中心区域水体旋转动能，控制并消除漏斗漩涡。

3.3 水压力测试

为进行梁底面和顶面压力差的量化计算，结合本工程实际进行消涡梁方案试验时，增测7 根消涡梁底顶水压力，压力差为梁底面压力值和梁顶面压力值之差。测试结果见表5。

表5 消涡梁底顶水压力测试结果 单位：m 水柱

根据上表结果，第1～6 根消涡梁底面与顶面压力差较小，其中，第1～3 根消涡梁底面压力比顶面压力大0.2 m水柱～1.0m水柱，第3～6 根消涡梁底面压力比顶面压力小0～0.8 m水柱，紧邻隧洞口的第7 根消涡梁底面与顶面压力差最大，达3.6 m 水柱。

4 结论

本文针对山西省芮城县里庄小流域坝系西尧骨干坝除险加固工程泄洪洞进水口具体情况，分析进水口前漩涡形成的主要原因，并有针对性的进行消涡梁消涡方案设计及模型试验。从消涡效果、经济性及实用性等方面综合考虑，本工程采用消涡梁消涡方式，并将其设置于100 m 高程处，且消涡梁宽至少为0.8 m。工程运行效果表明，该措施较好地解决了泄洪洞进水口前所存在的贯通吸气漩涡问题，分析过程及结果可供类似工程借鉴参考。