不同组合连接体形下旋流式竖井水力特性试验研究

苟 超，杨红宣，沈春颖，赵国安，龚兴勇

(昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

旋流式竖井主要是利用竖井段的旋流消能和底部的消力井对下泄水流进行消能，这种消能方式首次在20世纪40年代由学者Vischer等[1]提出。作为一种新型高效的泄流消能工，与传统消能方式相比，旋流式竖井因具有结构相对简单、对地形的可适应性强、无雾化及消能率高等优点而被广泛应用，如溪洛渡、双沟、清远及小湾水电站[2-5]等水电工程均采用旋流式竖井消能。近年来，不少学者对旋流式竖井的体形、竖井深度、底部消能区压力特性和消能率进行了研究并取得了一些成果。赵建永等[6]通过模型试验对小流量旋流涡室体形进行了比较择优，得出了最佳的涡室体形为椭圆体形，但未对该体形下涡室水面线及压强问题进行研究。南洪等[7]采用数值模拟的方法对旋流式竖井深度在50～140 m的情况下进行研究，研究结果表明：竖井深度在50～110 m时，竖井消能率并非随消力井深度增大呈线性相关，而是表现为先增大再减小的规律；当竖井深度大于120 m时，消力井深度对消能率的影响较微，竖井消能率只有较少增加。Camino等[8-9]借助水工模型试验在不同泄流量工况下对水流流态、消能率等水力特性进行研究，最后得出旋流式竖井的消能率可达到80%。杨乾等[10]通过将物理试验与数值计算相结合的方法，分析了折板型竖井水流流态、湍动能及消能机理。

综上所述，国内外学者所进行的研究主要集中在竖井尺寸、竖井泄流量对旋流式竖井水流流态和消能率的影响。实际上，竖井旋流要想获得良好的消能效果，主要是在竖井中要能形成良好的旋流流态，良好的流态又与竖井进口前引水道的连接体现密切相关，而且对同一体形，当下泄流量不同时又会有不同的流态，从而有不同的消能效果。因此引水道与竖井进口的链接体形及下泄流量的大小都对竖井的流态和消能效果有着重要的影响，这些影响关系错综复杂，有待进行深入研究。目前，竖井进口的引水道与竖井的连接有一些不同的体形，其中，常用曲线段边墙加折流坎边墙的组合改变竖井进口水流的方向及流速以获得良好的旋流流态。在将折流坎折角与消力井深度进行组合对旋流式竖井水力要素的影响方面的研究成果较少，折流坎折角和消力井深度作为结构设计的重要参数，对旋流式竖井的流态及水力要素有着重要影响。笔者通过改变折流坎折角和消力井井深，借助水工模型试验的方法研究不同连接体形下的水流流态及相关水力要素，并分析其对旋流式竖井泄流消能的影响。

1 模型试验布置

试验模型主要由引水道、竖井涡室段、竖井段、消力井及退水出口段等5部分组成，如图1所示。引水道为明渠矩形段，断面尺寸由18 cm×22 cm(宽×高)渐变为15 cm×22 cm，长度(指进水口至涡室进口处)为230 cm，为避免涡室回旋水流与来流发生碰撞[11]，底坡坡度取5%。引水道末端左侧通过由长轴为38 cm、短轴为22 cm的1/4椭圆曲线(ab段)与涡室消能竖井相接，右侧为折流坎(cd段)。已有资料[12]表明，折流坎折角与边墙的夹角在10°以内，试验中分别采用了折流角θ=0°(即无折流坎)、3°、4.5°及6°的4种折流坎。涡室直径20 cm，高度50 cm；竖井直径D=15 cm，高度194 cm；消力井直径20 cm，并在涡室与竖井以及竖井与消力井之间均设有渐变段，其长度为20 cm。退水出口段为无压明渠段，断面尺寸为18 cm×22 cm(宽×高)，长200 cm，纵坡坡度2%。在消力井底板设D1～D4共4个测压孔，其位置在图示xyz坐标系(坐标单位cm)中为D1(0，-5，0)、D2(0，0，0)、D3(0，5，0)、D4(5，0，0)；试验中共设了3种消力井深度进行试验，h分别为15、25 cm和35 cm。对消力井深度h=35 cm时，在消力井段边壁上设B1～B5共5个测压孔，其位置为B1(0，10，5)、B2(0，10，15)、B3(0，10，25)、B4(10，0，10)、B5(10，0，20)。试验模型从引水道至竖井后的出水段全部采用8 mm的有机玻璃制作。

图1 试验模型体形(单位：cm)

试验中，用三角形薄壁堰控制下泄流量，并将下泄流量进行无量纲化处理得到流量参数Q2/gD5(Q为下泄流量，m3/s；D为竖井直径，m)，水位采用精度为0.1 mm的测针测量，流速采用长江科学院自制的LS- 401D型便携式流速仪测量，各测点时均压强利用玻璃测压管和精度为1 mm的钢板尺测量。

2 涡室水流流态分析

涡室流态影响着竖井旋流流态，并最终影响竖井旋流的消能效果。而涡室流态与涡室进口处连接体形有关。引水道与竖井连接处左边墙的椭圆形段作用是改变水流进入涡室的流速方向，利于水流在涡室旋转起来。折流坎段一方面可以改变入涡室的水流方向，另一方面过流断面被束窄后可增加水流速度，利于水流在涡室旋转。但当折流坎的折流角过大后，过水断面被严重束窄，在大流量时容易阻水反而不易在涡室段形成良好旋流流态。本研究是在固定左边墙曲线不变的情况下研究折流坎折角与下泄流量对流态的影响。试验中通过改变折流角的大小以及针对不同下泄流量，可以总结出如下4种涡室内典型流态，如图2所示。

图2 涡室进口流态示意

(1)自由跌流流态。当折流坎折角较小，特别是折流角θ=0时，在泄流量较小的情况下，由于折流坎折角较小，水流流经折流坎时流向变化不大，水流受惯性作用经引水道顺直流入涡室，形成一下跌水舌，水舌直冲竖井对面边壁，涡室内水流起旋效果较差，基本无旋流出现，水流在涡室进口处以自由跌流的形态下泄。流量增大时，自由跌落水舌增厚，仍然直冲竖井对面边壁，难以形成旋流流态。这种流态对竖井旋流消能十分不利。

(2)跌-旋混合流流态。随着折流坎折角的增大(但依然较小)，下泄不同流量时，折流坎对水流的导流作用逐渐明显，水流流经折流坎时流向发生改变，水流偏向左侧曲线边壁从而使边壁水深升高，涡室内起旋效果有所改善，涡室内初现旋流形态，但旋流厚度沿流程分布不均匀且空腔存在晃动，涡室进口处跌流现象依旧明显，涡室水流以跌-旋混合流的流态下泄。这种流态虽然在涡室中形成了一定的旋流，但旋流的流速相对较小，旋转不充分，且仍然有自由跌落水舌出现并直接冲击竖井对面边壁。竖井旋流消能也应该避免这种流态。

(3)自由旋流流态。当折流坎折角增大到一定数值后，折流坎对水流的导向作用明显，在一定的来流流量范围内，涡室进口处跌流现象消失。从试验中发现，泄流量较小时，折流坎折角越大，涡室内旋流效果越好，旋流状态越稳定，涡室水流仅有自由旋流一种流态。这主要因为涡室进口处过流面积随折流坎折角的增大而逐渐减小，从而入室水流流速有所增大，使得水流能够紧贴涡室边壁螺旋下泄，涡室内能够形成稳定的贴壁螺旋流，旋流厚度沿流程分布较均匀，涡室内旋流充分，为自由旋流流态，流态良好。这是竖井旋流消能的最理想的流态。

(4)壅水-旋流流态。随着泄流量和折流坎折角的不断增大，折流坎对水流的导向作用更为明显，入室流速将继续增大，涡室内旋流效果更加明显，旋流厚度及螺旋圈数增加，旋流轨迹变长。但在大泄流量情况下，由于折流坎折角较大，使得涡室进口处过流面积较小，下泄水流易在涡室进口处产生壅水现象，使引水道入涡室段的水深急剧增大，甚至出现水跃现象。这时涡室内水流旋转充分，无自由跌落水舌现象，此时涡室水流以壅水-旋流的形态下泄。由于形成了进口段处的壅水现象，使过流能力受到影响，同时入涡室段的水流流速因水深增大而有所减小，一定程度上也影响了涡室水流的旋转，涡室边墙水流爬高加大，涡室螺旋流的旋转效果弱于自由旋流流态。因而实际工程中应避免出现此种流态。

从上述试验结果可知，折流角和下泄流量对涡室从而对竖井段的流态将产生极大的影响。通常折流坎折角较小(或无折流坎)时，水流流态易出现自由跌流、跌-旋混合流两种形态，当增大折流坎折角后，涡室进口处跌流现象得到有效改善直至消失，涡室水流易出现自由旋流流态，对较大的折流角和较大下泄流量易出现壅水-旋流形态。故工程中针对一定的下泄流量折流坎应采用合适的折流角，以获得良好的竖井旋流流态。

本文其后的试验均在自由旋流流态下进行。

3 消力井压强特性分析

3.1 侧壁压强分析

因下泄水流不断与消力井内水流混掺、旋滚，使得井内水流紊动剧烈，井壁受动水压力(特别是脉动压力，将在另文中单独研究)影响较大，所以压强是衡量旋流式竖井能否安全运行的重要指标之一。由于侧壁压强与井深关系不大，主要随流量同步增减[13]，故笔者主要研究侧壁压强与折流坎折角之间的变化关系。引入无量纲化参数—以反映折流坎折角大小的过流收缩系数ξ表征消力井深度的相对井深ε，计算公式为

(1)

ε=h/H

(2)

式中，L为折流坎至引水道与涡室连接处的距离，m(见图1)；θ为折流坎折角，(°)；B为引水道末断面底宽，m；h为消力井深度，m；H为竖井高度，m。

试验实测了消力井相对井深ε=0.18时，3种折流坎折角在4种不同流量参数下的时均压强，试验结果见图3。从图3可以看出：各泄流量不同连接体形下消力井壁的时均压强均未出现负压，说明竖井旋流的流态对消力井的时均压强不会产生不利影响。实测压强最小值均出现在B3测点位置处且不同流量时各点压强变化趋势基本一致。在同一测点位置处，压强受折流坎折角的变化影响较小，随泄流量的增加而增大，说明改变折流坎折角虽然对竖井流态有显著影响，但对消力井侧壁压强影响不大，泄流量仍是影响侧壁压强的重要因素之一。

图3 不同流量下各种折流坎的消力井侧壁压强

3.2 底板压强分析

试验实测了流量参数Q2/gD5=0.09、0.19、0.26、0.34时，在3种折流坎折角下的底板时均压强。试验实测数据显示，各流量在不同折流坎折角下底板压强变化趋势基本相同，且随流量的变化同步增减。笔者通过选取流量参数Q2/gD5=0.19时讨论底板压强与井深和折流坎折角之间的变化关系。Q2/gD5=0.19，ξ=0.16时不同相对井深ε的消力井底板实测压强结果见图4a；ε=0.13时，不同折角θ的消力井底板实测压强结果见图4b。

图4 Q2/gD5=0.19时消力井底板压强p与井深 ε、过流系数 ξ的变化关系

从图4中可知，同一折流坎折角时各井深下底板压强变化趋势基本一致且随井深同步增减。不同井深下底板测点压强变化范围有所不同，ε=0.08时消力井底板各测点压强变化较大。这主要因为消力井内水垫层厚度较薄，下泄水流形成的冲击区接近底板表面，底板受冲击水流影响较大，且下泄水流在竖井过水断面上分布不均，水流集中的地方对底板冲击力更大，造成底板上不同测点的压强差别较大。ε=0.13时，底板各测点压强变化波动较小，说明随着井深的增加，消力井内消能水体得到增加，冲击区位置向上移动，底板受冲击水流影响减小，其压强受井内水深的影响更大。当继续增加相对井深ε=0.18时，底板各测点压强变化波动趋势较井深ε=0.13时无明显差异，压强值因水深增加而增大。随着井深进一步增加，冲击区位置继续向上迁移，底板纯水带向上延伸，底板压力主要受水深影响，压强分布较均匀。

从图4b中还可以看出，同一井深各折流坎折角下底板不同测点的压强值是不同的，这主要是由于竖井内下泄水流为螺旋流，流量在过水断面上分布不均，水流对消力井底板的冲击力也不均，造成各测点的压强不等；Q、h不变时，不同折角θ的底板压强差异不大，说明θ对底板压强的影响弱于井深h对底板压强的影响；消力井底板上各测点的压强随折流坎折角的增大而减小，这主要是因为θ较大时竖井中水流的旋流流态较好，水流消能效果也比较好，消能率高，使得进入消力井中水流的总能量减小，压能也减小，从而底板的时均动水压强也减小。

4 消能率

旋流式竖井消能工除了应能适应较宽的泄流能力、保证有良好的泄流流态，泄流中流道本身不被破坏之外，作为一种消能工，最重要的一点就是应有良好的消能效果。旋流式竖井消能主要包括涡室段的消能、竖井旋流消能和消力井消能。旋流消能主要以增加近壁面水流与壁面间的摩擦阻力、水质点间摩擦碰撞以沿程水头损失的方式进行消能，消力井消能则主要利用入射水流与井底水流、井壁面等相互碰撞摩擦、漩滚以及各流层间存在的剪切作用进行能量消耗而达到消能效果。消能率的计算通常是在渐变流中选取2个断面列能量方程，计算其水头损失再与初始能量相比[14-17]。该试验选取以进水口A-A断面(距涡室中心90 cm)，出水口B-B断面(距竖井退水口200 cm)为计算断面，以出水口B-B断面底板为位能基准面，如图1a所示，模型试验消能率的计算公式为

(3)

由式(1)得出hw由式(2)可计算出该竖井旋流的消能率

(4)

式中，α1、α2为动能修正系数，取α1、α2=1.0；v1为A-A断面平均流速，m/s；v2为B-B断面平均流速，m/s；z1、z2分别为A-A、B-B断面水面到基准的距离；g为重力加速度。试验主要研究了折流坎折角不变，各消力井井深时不同流量下的消能率以及流量不变时折流坎折角对消能率的影响。由试验结果计算出ξ=0.16时消能率η与流量Q的变化关系见图5，流量参数Q2/gD5=0.19时消能率η与ξ的变化关系见图6。

图5 ξ=0.16时 η与Q的变化关系

图6 Q2/gD5=0.19时 η与 ξ之间的变化关系

从图5中可以看出：在折流坎折角不变时，对各种消能井的井深，随流量变化消能率的变化规律都是相同的，即η随Q的增大先减小，到流量大于一定值后又增大。主要原因是该折角相对较大，对入涡室水流的导向作用显著，入涡室的水流流速较大，水流在涡室及竖井中旋转充分，流态良好，故消能率较高。小流量时消力井消能水体较下泄而言比较充足，消力井的消能效果好，故小流量时消能率η高。随着流量增加，消力井的消能效率降低，所以总的消能率η减小。但当流量增大到一定值后消能率η又略微增大，这主要是因为流量增大到一定数值后，虽然消力井的消能效果减弱，但涡室进口水流速度增大，更利于涡室及竖井中螺旋流的发展，涡室及竖井段的消能效果增强，导致总体的消能率略微增大。相同流量时，消能率η随井深h的增大而增大，但h大于一定值后，消力井深度再增加，消能率η的增幅减弱，说明对一定高度的竖井旋流消能，消力井的深度h与流量应匹配，对一定的下泄流量，靠不断增大h来提高消能率是徒劳的。

从图6可以看出，在同级流量下，消能率η随折角θ的增大而增大。因为θ较大时，折流坎对水流的导向作用明显，进入涡室水流的方向及速度都更有利于形成流态良好的螺旋流，从而提高总的消能率η。但应注意本试验都是在“自由旋流流态”下进行的，若θ过大而出现“壅水-旋流流态”时，情形则另当别论。对试验中的各种折流角θ在流量不变时，消能率η随消力井深度h的增大而增大，但h大于一定值后，消力井深度再增加，消能率η的增幅减弱，原因与前述相同。说明当消力井井深增加到一定程度(ε≥0.13)后，消力井内有效的消能水体几乎不再随消力井井深的增加而增加。

5 结 论

本文所研究的旋流式竖井消能工，加设合适的折流坎可以有效改善涡室及竖井水流流态。针对不同的折流坎折角和来流量，水流由引水道进入竖井涡室的流态可分为自由跌流、跌-旋混合流、自由旋流和壅水-旋流等4种典型流态。其中，自由旋流流态是最适合于竖井旋流消能工的流态。

折流坎折角变化主要对竖井流态产生影响，折流坎折角过大会减小过流能力，折流坎折角过小则不易形成自由旋流流态而影响消能效果。折流角变化对消力井侧壁及底板压强影响不大，消力井侧壁及底板均不会出现负压。

对自由旋流流态，竖井旋流消能工的消能率随流量的增加而减小，但流量增到一定值后消能率会略有回升。流量不变时，折流角的增大会使消能率增大。消能率随消力井深度的增加而增加，但增加趋势随井深的增加而变缓。因此合理选择消力井深度有利于提高竖井消能率，节省材料，减小投资。