魏國(guó)遠(yuǎn),王家生,盧金友,童凡(長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所,武漢430010)

中層取水防螺措施優(yōu)化試驗(yàn)研究

魏國(guó)遠(yuǎn),王家生,盧金友,童凡
(長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所,武漢430010)

中層取水是防止釘螺通過(guò)涵閘引水?dāng)U散的主要工程措施之一,在長(zhǎng)江流域血吸蟲(chóng)病疫區(qū)得到了較廣泛的應(yīng)用;但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在著一定的問(wèn)題。影響阻螺效率的主要問(wèn)題是取水口容易形成漩渦,吸入水體表面漂浮物,從而帶進(jìn)釘螺。應(yīng)用理論分析和概化模型試驗(yàn)對(duì)取水口漩渦形成機(jī)理和特征及消渦措施進(jìn)行了研究,提出了簡(jiǎn)單易行有效的消渦措施。研究結(jié)果表明:漩渦發(fā)生在取水口上方與垂直方向夾角30度的區(qū)域,橫向消渦梁是一種簡(jiǎn)單易行有效的消渦措施。

釘螺;中層取水;漩渦;消渦措施

釘螺是以陸棲為主的兩棲類(lèi)動(dòng)物,用鰓呼吸,既不能長(zhǎng)期生活在干燥的地面,也不能長(zhǎng)期生活在水底,水底的釘螺具有沿岸壁或蘆桿向上爬行的習(xí)性。由于釘螺存在這種生理上的要求,故它的生活區(qū)域大都分布在江、河、湖水邊線上下1 m范圍以內(nèi);因此,河流主流區(qū)一般不會(huì)有釘螺存在。針對(duì)釘螺在水中的這種分布特點(diǎn),從中層無(wú)螺水體引水即可防止將表層和底層有螺的水體引入水渠內(nèi)。

中層取水在長(zhǎng)江流域血吸蟲(chóng)疫區(qū)得到了大量的應(yīng)用,并取得了較好的效果[1～5],同時(shí)也存在一些問(wèn)題。其中最主要的是取水口附近容易形成漩渦,漂浮物可能被吸進(jìn)取水管道,吸附在漂浮物上的釘螺也會(huì)隨著漂浮物進(jìn)入取水管道,從而降低中層取水設(shè)施的防螺效率。因此,采取措施消除漩渦,防止漂浮物的吸入成為提高中層取水防螺措施效果的關(guān)鍵。

本文應(yīng)用理論分析和概化模型試驗(yàn)對(duì)中層取水防螺措施的取水口的漩渦形成機(jī)理及消渦措施進(jìn)行了研究,提出了簡(jiǎn)單易行有效的消渦措施。

圖1 取水口漩渦示意圖Fig.1 Sketch about spiral vortex of intake

1 取水口附近漩渦形成機(jī)理

當(dāng)來(lái)流受邊界條件的影響,發(fā)生縱向或橫向的突然收縮,水流的流向和能量都發(fā)生變化,如圖1所示,上游某質(zhì)點(diǎn)行進(jìn)至取水口時(shí),由于斷面收縮,流速增大,動(dòng)能增加;而上方質(zhì)點(diǎn),由于受胸墻的影響,行進(jìn)流速趨于零,動(dòng)能減小,勢(shì)能增加,形成壅水區(qū),壅水區(qū)的水體受到正向、反向、橫向流速的作用發(fā)生旋轉(zhuǎn),并且在重力的作用下形成漏斗形漩渦。根據(jù)漩渦發(fā)生的強(qiáng)度,可將漩渦分為以下4類(lèi):不吸氣漩渦(凹陷漩渦)、間歇吸氣漩渦、間歇貫通吸氣漩渦、持續(xù)吸氣漩渦。

在影響漩渦產(chǎn)生的因素中,進(jìn)水口的淹沒(méi)深度是影響漩渦吸氣和漩渦活動(dòng)的主要因素之一。當(dāng)淹沒(méi)深度較小,進(jìn)水口流速較大的時(shí)候,就可能產(chǎn)生漩渦,比較嚴(yán)重的還會(huì)產(chǎn)生吸氣漩渦。在來(lái)流條件、邊界條件、運(yùn)行工況一定的情況下,存在一個(gè)發(fā)生漩渦的最低水位,即小于這個(gè)水深,就會(huì)有一定強(qiáng)度的漩渦產(chǎn)生,稱(chēng)為進(jìn)水口的臨界淹沒(méi)深度,記作Scr。由于進(jìn)水口和邊界條件的復(fù)雜多樣化,臨界淹沒(méi)深度的確定有一定的難度,Quick[6]認(rèn)為在一個(gè)直的渠道中的進(jìn)水口,形成吸氣漩渦的必要條件是弗汝德數(shù)(和進(jìn)水口的臨界淹沒(méi)深度有關(guān))大于1,并提出了相對(duì)臨界淹沒(méi)深度和弗汝德數(shù)的關(guān)系式

式中:d為進(jìn)水口管徑;K,Y為常數(shù);Fr為弗汝德數(shù)。

我國(guó)學(xué)者鄧淑媛[7,8]對(duì)16個(gè)工程模型試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)及一些工程原型觀測(cè)資料進(jìn)行整理分析,得出了Scr/d與Fr的關(guān)系。

對(duì)于閘孔前不設(shè)壓力管段:

閘孔前設(shè)壓力管段:

對(duì)于不同的情況,還有其它一些公式,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,由于進(jìn)水口的形式和體型不同,以及進(jìn)水口設(shè)置地的地形也有很大的差別,臨界水深需要進(jìn)行模型試驗(yàn)研究來(lái)確定。

在工程實(shí)踐中,以下情況容易形成漩渦:

(1)孔口胸墻后傾更容易形成漩渦。這是因?yàn)樾貕髢A的布置形式,使得來(lái)流更容易集中在孔口之后,水流的流向變得更加復(fù)雜,而且孔口上部的水體形成倒轉(zhuǎn)流層,導(dǎo)致水流旋轉(zhuǎn),水面出現(xiàn)漩渦。在條件允許的情況下,胸墻前傾能擠壓漩渦,減小漩渦強(qiáng)度。對(duì)于天然河道取水口則盡可能設(shè)在坡度較陡的位置,以減小漩渦產(chǎn)生的幾率。

(2)流向和孔口夾角過(guò)大時(shí),來(lái)流不順,孔口一側(cè)的水位壅高,受到離心力的影響,水體發(fā)生旋轉(zhuǎn),誘導(dǎo)水面出現(xiàn)漩渦,比如底部孔口的進(jìn)水口,比水平進(jìn)水口更容易發(fā)生漩渦。

(3)進(jìn)水口的邊界條件包括進(jìn)水口本身的輪廓、尺寸、結(jié)構(gòu)型式、布置方式、來(lái)流條件和方向、附近地形等因素,都會(huì)影響漩渦的發(fā)生。當(dāng)進(jìn)水口體型不合理,布置不對(duì)稱(chēng),就會(huì)在進(jìn)水口前產(chǎn)生環(huán)流,誘導(dǎo)漩渦的發(fā)生。水工建筑物進(jìn)水口一般采用喇叭口的形式,使得水流進(jìn)入進(jìn)水口更加平順,不容易發(fā)生漩渦。

為了進(jìn)一步研究取水口處漩渦的產(chǎn)生及其特征,進(jìn)行了概化模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在長(zhǎng)40 m,寬1.5 m,高2.5 m的水槽內(nèi)進(jìn)行。取水管直徑為40 cm,流量范圍為0.01～0.08 m3/s。主流區(qū)流量為20 m3/s,水深范圍1.25～1.4 m,取水口距底部0.8 m,取水口管道上壁距水面的距離為0.05～0.2 m。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)漩渦產(chǎn)生的區(qū)域一般位于進(jìn)水口上方30°范圍內(nèi),這與前人的研究結(jié)果一致。漩渦發(fā)生區(qū)域的確定有利于消渦設(shè)施的布置。

圖2 中層取水模型示意圖Fig.2 Sketch of middle layer water intake model

圖3 取水口漩渦圖Fig.3 Photos about spiral vortex of intake

試驗(yàn)觀測(cè)了同一流量下隨著水位的降低,水面從沒(méi)有漩渦到不吸氣漩渦,然后出現(xiàn)間歇吸氣漩渦,再后來(lái)發(fā)展到間歇貫通吸氣漩渦和持續(xù)吸氣漩渦的整個(gè)漩渦發(fā)展過(guò)程,整個(gè)過(guò)程試驗(yàn)水位從1.4 m降到1.28 m。試驗(yàn)過(guò)程中在水面投入漂浮物,發(fā)現(xiàn)當(dāng)漩渦發(fā)展為間歇吸氣漩渦后表面漂浮物很容易被漩渦吸入,并通過(guò)取水口。

2 消渦措施試驗(yàn)研究

由于進(jìn)水口的布置與運(yùn)行條件往往受到其他更為重要的因素制約,在許多情況下優(yōu)化進(jìn)水口的布置并不能消除漩渦,因此,需要在進(jìn)水口附近設(shè)置專(zhuān)門(mén)的消渦建筑物來(lái)消除漩渦。目前一般采用消渦柱,即在取水口附近插一根柱子來(lái)消除漩渦,但消渦柱如何設(shè)置一般沒(méi)有進(jìn)行深入研究,其效果和推廣使用受到限制。以下通過(guò)試驗(yàn)研究取水口的消渦設(shè)施。

2.1 消渦柱(消渦墩)

在取水口附近設(shè)立一個(gè)柱子或水泥墩,即消渦柱(消渦墩),以達(dá)到消除取水口附近漩渦的目的。由于其簡(jiǎn)單易行,在實(shí)際中層取水口中應(yīng)用較多。試驗(yàn)采用直徑為4 cm的圓柱,當(dāng)取水口有間歇吸氣漩渦產(chǎn)生時(shí)(水位約為1.3 m),將其設(shè)立在取水口周?chē)?觀察其消渦效果。試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明,只有圓柱立在靠近取水口較近的位置時(shí)才有消渦作用,而且當(dāng)水位降低、漩渦強(qiáng)度較大時(shí),其消渦的效果不理想,即使有消渦柱的存在還會(huì)出現(xiàn)間歇性吸氣漩渦。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 消渦柱試驗(yàn)Fig.4 Picture of experimentation of eliminating vortex

2.2 消渦梁

在取水口上方設(shè)置一橫梁以達(dá)到消除漩渦的目的。消渦梁有2種布置型式,一種是梁與取水口管道垂直布置(方案1),如圖5所示;一種是和取水口管道平行布置(方案2),如圖6所示。試驗(yàn)同樣采用4 cm的圓柱,以梁的形式放在取水口的上方,試驗(yàn)結(jié)果表明,消渦梁具有較好的消渦效果,當(dāng)梁在取水口上方漩渦容易發(fā)生的區(qū)域時(shí),一般漩渦不會(huì)出現(xiàn)。建議在實(shí)際應(yīng)用中采用這種方式。

圖5 消渦梁試驗(yàn)(方案1)Fig.5 Picture of experimentation of eliminating vortex for scheme 1

根據(jù)漩渦產(chǎn)生的理論分析和試驗(yàn)觀測(cè),以及各種消渦措施的試驗(yàn)結(jié)果,以下設(shè)計(jì)了2種簡(jiǎn)單易行而具有較好消渦效果的建筑物型式,如圖7所示。圖7(a)為單梁消渦結(jié)構(gòu),在取水口流速較小,漩渦產(chǎn)生的能量較小時(shí)采用;圖7(b)為V型梁消渦結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在水流流速較大,漩渦產(chǎn)生時(shí)的能量較大時(shí)使用。對(duì)于固定取水口,消渦梁可以設(shè)置成固定的,其高度一般為最低水位時(shí)位于水面和取水口之間的高度為宜;對(duì)于活動(dòng)式取水口,消渦梁可以與取水口焊接在一起,即隨著取水口的位置變化,其高度位于水面和取水口之間的高度為宜。

圖6 消渦梁試驗(yàn)(方案2)Fig.6 Picture of experimentation of eliminatingvortex for scheme 2

圖7 消渦梁布置示意圖Fig.7 Sketch of crossbeam for eliminating vortex

圖8 易產(chǎn)生漩渦區(qū)域示意圖Fig.8 Sketch of vortex emerged area

消渦梁應(yīng)布置在漩渦最容易產(chǎn)生的區(qū)域,這個(gè)區(qū)域位于取水口上方30°區(qū)域內(nèi)(如圖8所示)。以上雖給出了消渦梁的2種比較好的布置型式,但由于具體中層取水口的流量和取水口的管徑以及水位千差萬(wàn)別,因此,消渦梁的具體尺寸最好通過(guò)實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)研究確定。

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)對(duì)中層取水防螺措施取水口的漩渦的形成和影響因素進(jìn)行分析,并通過(guò)概化模型試驗(yàn)研究了不同消渦措施的消渦效果,研究結(jié)果表明:

(1)在取水口上方與垂直方向夾角30°的區(qū)域是漩渦容易產(chǎn)生的區(qū)域;

(2)橫向消渦梁是一種簡(jiǎn)單易行有效的消渦措施,根據(jù)漩渦強(qiáng)度可選擇單梁或V型梁;

(3)消渦梁應(yīng)布置在漩渦最容易產(chǎn)生的區(qū)域。

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[4]王志堅(jiān),朱濤,王躍進(jìn),等.電灌站涵管式中層取水防止釘螺擴(kuò)散效果[J].中國(guó)血吸蟲(chóng)病防治雜志, 2007,(1):50-52.

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[8]鄧淑媛.邊界條件對(duì)進(jìn)水口水面漩渦的影響及克服方法的探討[C]∥中小型工程水力學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,九江:中國(guó)水利學(xué)會(huì)水利學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì),1985.

(編輯:周曉雁)

Study on Optimization of Intercepting Snails Measures of Middle Layer Water Intake

WEI Guo-yuan,WANG Jia-sheng,LU Jin-you,TONG Fan
(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

The middle layer water intake is one of main engineering measures for intercepting oncomelania snails, and it is a key structure for preventing snails dispersion through sluice gates.The middle layer water intake structure for oncomelania snails subsists some problems in practice.For example,snails with floating debrises will be absorbed into pipe by vertical-axis vortex.So the flume test was done to study the formation mechanism of the vertical-axis vortex and vortex elimination measures.The simple and effective measures to eliminate vortex have been suggested.The study results show that there exists the vortex in the upper water area with an angle 30 degree against vertical direction,and a cross beam set in the water area is an effective measure for eliminating vortex of the water intake.

snail;middle layer water intake;vertical-axis vortex;vortex elimination measure

X522;R184.38

A

1001-5485(2009)05-0001-04

2008-06-06;

2009-01-20

水利部水利行業(yè)公益專(zhuān)項(xiàng)(200801004);水利部科技支撐項(xiàng)目(SCX2004-05)

魏國(guó)遠(yuǎn)(1961-),男,福建莆田人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事河流泥沙模擬、水利血防等方面研究,(電話)13517240139(電子信箱)wangjiasheng2002@126.com。