王勤香，王宇

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫泄洪底孔消渦研究

王勤香，王宇

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫底孔泄流時(shí)，進(jìn)口水面出現(xiàn)進(jìn)氣漩渦。為了消除進(jìn)氣漩渦，改善進(jìn)口流態(tài)，通過模型試驗(yàn)對常見的消渦措施進(jìn)行分析驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程具體情況，從施工、運(yùn)行管理及消渦效果等方面進(jìn)行權(quán)衡考慮，推薦采用裹頭整體加高到620m的底孔泄流消渦措施。

赤道幾內(nèi)亞；吉布洛電站；調(diào)蓄水庫；泄洪底孔；漩渦；消渦措施；模型試驗(yàn)

1　工程概況與問題提出

1.1基本情況

吉布洛上游調(diào)蓄水庫位于赤道幾內(nèi)亞吉布洛電站上游3 km處，工程為閘壩式結(jié)構(gòu)，河床壩段為混凝土擋水及泄水建筑物，兩岸連接段為心墻堆石壩，壩長518m，壩寬約100m，最大壩高為50m?；炷列顾ㄖ镩L為113m，由3個(gè)泄洪底孔、3個(gè)泄洪表孔和1個(gè)排漂道組成，最大泄流量為6206m3／s。上游設(shè)計(jì)水位為629.23m，對應(yīng)泄流量為5640m3／s，校核水位為630.27m，對應(yīng)泄流量為6 206m3／s，正常蓄水位為629.00m［1］。

1.2問題提出

為配合赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫工程建筑物的設(shè)計(jì)工作，需要進(jìn)行樞紐整體水工模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)需分析上、下游水流現(xiàn)象，量測關(guān)鍵斷面水力要素，驗(yàn)證和改善各泄水建筑物的流態(tài)，驗(yàn)證樞紐布置的合理性、泄水建筑物的泄流能力和泄洪消能等水力學(xué)條件，為基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2　模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

2.1模型設(shè)計(jì)

本水力模型試驗(yàn)滿足主導(dǎo)力相似的原則，使用弗勞德（Fr）重力相似性的原理來完成。模擬河段長度為大壩上、下游各選取300m，河寬按照壩軸線長度選取。為了保證模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在考慮場地布置、供水能力及試驗(yàn)要求等方面的前提下，按赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫工程的原地形制作了正態(tài)整體模型。模型主要由上游水庫、發(fā)電站進(jìn)口、表孔、底孔、排漂泄水建筑物和下游河道組成（如圖1所示），幾何比尺λL＝40，主要比尺如表1所示［2］。

圖1　模型平面布置圖Fig.1 Model layout

表1　模型主要比尺T ab.1 M odel m ain scales

2.2試驗(yàn)方案

根據(jù)模型測試程序及試驗(yàn)測試內(nèi)容，制訂了試驗(yàn)工況和觀測內(nèi)容。模型試驗(yàn)方案如表2所示。

表2　赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫工程整體水工模型試驗(yàn)方案T ab.2 Integral hydraulic model test scheme of Equatorial Guinea Djiploho upstream regulating reservoir

3　設(shè)計(jì)方案底孔泄流流態(tài)分析

通過模型試驗(yàn)研究及優(yōu)化，表孔上、下游，排漂上、下游水流流態(tài)滿足要求，但底孔上游進(jìn)口處水面有漩渦產(chǎn)生。本研究主要對底孔泄流進(jìn)口流態(tài)進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化方案。

3.1底孔單體泄流流態(tài)分析

底孔在設(shè)計(jì)水位單體泄流時(shí)，右側(cè)底孔水面處有水面凹陷渦體，偶見約20 cm深的漏斗漩渦。漩渦間隙挾帶氣泡進(jìn)入進(jìn)水口，如圖2所示。校核水位的底孔單體泄流與設(shè)計(jì)水位的底孔單體泄流相比，右側(cè)表孔水面處水面凹陷渦體更明顯，漏斗漩渦深度增大。

圖2　設(shè)計(jì)情況底孔單體泄流時(shí)的進(jìn)口流態(tài)Fig.2 Design of intake flow pattern of bottom outlet monomer discharging

3.2底孔整體泄流流態(tài)分析

底孔在設(shè)計(jì)水位整體泄流時(shí)，底孔水面處右側(cè)進(jìn)氣漏斗漩渦不斷，多發(fā)生在右岸連接壩段，漏斗漩渦深超出1m。在校核水位整體泄流時(shí)，底孔右側(cè)水面處漏斗漩渦頻繁發(fā)生，漏斗漩渦深超出1.5m，水面深陷，漩渦渦心形成貫通氣柱，空氣連續(xù)進(jìn)入吸水口，如圖3所示。

圖3　校核水位底孔整體泄流時(shí)的進(jìn)口流態(tài)Fig.3 In take flow pattern of check water level bottom outlet overall discharge

4　底孔泄流消渦措施分析

4.1常見消渦措施［3］

吸氣漩渦對水利水電工程有很大的危害，它不僅使泄流建筑物的過流能力減小，還使其在工作時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。常見的消除漩渦的措施主要包括優(yōu)化進(jìn)水口、改善運(yùn)行方式、修建消渦建筑物。

（1）優(yōu)化進(jìn)水口設(shè)計(jì)。漩渦產(chǎn)生的水力要素與進(jìn)水口的淹沒深度以及流速有關(guān)。因此，合理設(shè)計(jì)進(jìn)水口能有效防止漩渦的產(chǎn)生，尤其是吸氣漩渦的產(chǎn)生。為了加大淹沒深度，在一定庫水位情況下，必須降低進(jìn)水口底板高程。而減小進(jìn)水口流速，需要增大進(jìn)水口面積。以上措施都會(huì)導(dǎo)致工程量的增加并受建筑物總體布置的制約。

（2）改善運(yùn)行方式。盡量在高水位工況下運(yùn)行，以保證進(jìn)水口前有一定的淹沒深度。

（3）修建專門的消渦建筑物。由于進(jìn)水口布置與運(yùn)行條件往往受其他更為重要因素的制約，故可以通過修建專門的消渦建筑物來消除進(jìn)水口漩渦。

4.2消渦措施分析

結(jié)合常見的消渦措施，針對吉布洛上游調(diào)蓄水庫底孔泄流時(shí)出現(xiàn)的漩渦，提出了3種消渦措施，并分別進(jìn)行模型試驗(yàn)分析驗(yàn)證［4］。

4.2.1消渦梁消渦措施模型分析

根據(jù)進(jìn)水口漩渦出現(xiàn)的范圍，在右側(cè)底孔、門庫前加消渦梁。本研究設(shè)計(jì)了3種不同尺寸、放置范圍及高程的消渦梁，通過模型試驗(yàn)最終確定消渦梁放置高程為620m，自左向右布設(shè)在門庫前樁號0＋317.5～0＋357.5處，在門庫前上游樁號0－027.00～0－038.50處。消渦梁尺寸為：橫梁長40m，橫梁寬40 cm，橫梁間距為80 cm，如圖4所示。

圖4　消渦梁布置Fig.4 Eddy－elim inating beam layout

放置消渦梁后，在設(shè)計(jì)情況和校核情況下，底孔單體泄流、整體泄流時(shí)，底孔進(jìn)流均衡，進(jìn)口處水面平穩(wěn)，水面偶見凹陷漩渦但很快消失，無漏斗漩渦，更無通氣漩渦產(chǎn)生，消渦效果好（如圖5所示）。

圖5　放置漩渦梁的底孔進(jìn)口流態(tài)Fig.5 Bottom outlet intake flow pattern of placed vortex beam

4.2.2加高裹頭高程模型分析

當(dāng)?shù)卓走M(jìn)口上游裹頭的高程不同時(shí)，底孔泄流時(shí)的水面流態(tài)及渦體情況就不同。下面分析3種典型裹頭高程底孔泄流進(jìn)口的流態(tài)。

（1）原設(shè)計(jì)裹頭高程612m。當(dāng)庫水位為615m時(shí)，水面出現(xiàn)小渦體。當(dāng)庫水位為617m時(shí)，開始出現(xiàn)摻氣渦體。當(dāng)庫水位從617m上升到619m時(shí)，水面渦體數(shù)量增多，水面渦體為發(fā)展階段，形成、消失較快，位置不穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)無規(guī)律。當(dāng)庫水位從619m上升到624m時(shí)，水面渦體摻氣明顯，渦體強(qiáng)度增大，出現(xiàn)頻率稍有減少，運(yùn)動(dòng)位置不穩(wěn)定，但運(yùn)行到門庫前，渦體消失。當(dāng)庫水位為大于625m后，較強(qiáng)大渦體數(shù)量減少，出現(xiàn)頻率降低，渦體運(yùn)動(dòng)位置不穩(wěn)，貫通氣柱大渦體多形成、運(yùn)行、消失在門庫前，小渦體多發(fā)生消失在表孔的中孔及右邊孔前。

（2）裹頭高程加高至620m。當(dāng)庫水位為619m時(shí)，開始出現(xiàn)摻氣渦體。當(dāng)庫水位從619m上升到626m時(shí)，水面渦體數(shù)量增多，起初水面無凹陷、表面旋流不明顯且非連續(xù)，隨后水面有凹陷，表面層存在連續(xù)緩慢旋流水面渦體，有摻氣現(xiàn)象，渦體位置多在門庫及底孔的右邊孔前形成、消失。當(dāng)庫水位大于628m后，摻氣渦體強(qiáng)度減小，出現(xiàn)頻率減少，渦體多按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，摻氣大渦體發(fā)生、消失在門庫前，小渦體多發(fā)生、消失在表孔的中孔及右邊孔前，渦體在壩前上游5m左右范圍運(yùn)動(dòng)。當(dāng)庫水位上升到設(shè)計(jì)水位后，偶見消失較快的摻氣渦體，渦體出現(xiàn)頻率明顯減少，大渦體發(fā)生消失在門庫前。

（3）使裹頭高程超過校核水位。當(dāng)庫水位為617～619m時(shí)，偶見壩前中孔前有小渦體。當(dāng)庫水位大于619m時(shí)，開始出現(xiàn)摻氣渦體。然后，隨著庫水位的上升，渦體摻氣明顯，渦體強(qiáng)度增大。當(dāng)達(dá)到水庫校核水位時(shí)，渦體由間歇性摻氣變成連續(xù)性摻氣，渦體按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，渦體形成、運(yùn)行、消失在門庫前10m左右的裹頭處。

通過對3種裹頭高程分析可以看出，裹頭高程整體加高至620m時(shí)，消渦效果較好。

4.2.3改變底孔泄流方式模型分析

在設(shè)計(jì)水位、底孔高程不變時(shí)，底孔開啟一半進(jìn)行泄流，相當(dāng)于增加了底孔進(jìn)口的淹沒水深。這時(shí)，在庫水位由低到高的過程中，水面平穩(wěn)，基本無渦體產(chǎn)生，更沒有摻氣漩渦出現(xiàn)。

4.3消渦措施推薦方案

本工程具有以下特點(diǎn)：（1）河流中水草樹木等漂浮物很多，消渦梁運(yùn)行操作日常維修管理麻煩；（2）泄流底孔主要是泄洪的，底孔開啟一半達(dá)不到；（3）裹頭高程整體加高至620m，結(jié)構(gòu)簡單、便于施工，且能起到消渦效果。從施工、運(yùn)行管理及消渦效果等方面考慮，推薦裹頭高程整體加高至620m為底孔泄流消渦措施。

5　結(jié)語

水工建筑物進(jìn)水口前立軸進(jìn)氣漩渦一直是受關(guān)注的技術(shù)問題之一，受建筑物總體布置和實(shí)際地形的約束，很多工程無法避免。在實(shí)際工程中，應(yīng)分析消渦措施，建立水工模型進(jìn)行試驗(yàn)，選擇經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡單，施工管理方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的消渦措施。

［1］羅全勝.赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫水工模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.開封：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2014.

［2］黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.赤道幾內(nèi)亞吉布洛上游調(diào)蓄水庫預(yù)可研報(bào)告［R］.鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2013.

［3］段文剛，黃國兵，張暉，等.幾種典型水工建筑物進(jìn)水口消渦措施試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（2）：21－27.

［4］陳興亮，楊磊，羅暢，等.凱樂塔電站進(jìn)水口消渦措施試驗(yàn)研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2012（10）：129－132.

[責(zé)任編輯楊明慶]

Research on Eddy－elim inating of Equatorial Guinea Djip loho Upstream Regulating Reservoir Bottom Outlet

WANG Qin－xiang，WANG Yu
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China）

When the bottom outlet of Equatorial Guinea Djiploho upstream regulating reservoir discharging，the intake water surface will appear swirl.In order to eliminate the swirl and improve the intake flow pattern，this paper analyzes and verifies the common eddy－eliminating measures through model test.Based on this，combing with the specific situation of engineering，this paper takes into account from the aspects such as construction，operation management and eddy－eliminating effect，it recommends the use of bottom outlet eddy－eliminating measure of head wrapped raised to 620 m overall.

Guinea；Djiploho power station；regulating reservoir；bottom outlet；swirl；eddy－eliminating measure；model test

TV65

A

1008-486X（2016）02-0001-04

2015-11-25

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目：基于水流特性的生態(tài)灌區(qū)水利工程安全運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用研究（15B570002）；黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目：水工建筑物進(jìn)水口吸氣漩渦成因及消渦措施研究（2014KXJS006）。

王勤香（1969-），女，河南中牟人，教授，碩士，從事治河防洪及水力學(xué)教學(xué)與研究工作。