Page 20 - 2025年第56卷第2期

落，引起大量水流掺气，易导致过多的气泡进入下游输水管道，造成管道压力不稳、输水效率降低等
问题 ［１ － ２］ 。因此，鲤鱼洲竖井式高位水池运行期间既需要完成跌落水流的动能耗散，又需要尽可能减
少水流的掺气程度。
目前常见的竖井式水工建筑物主要分为 ３类，即旋流式竖井、折板式竖井和直跌式竖井，其作用
机理与常见应用场景对比如表 １所示。
表 １ 竖井式水工建筑物常见类型对比

类型 作用机理 应用场景
水流在竖井内做螺旋运动，在竖井底部形成水流掺混剧烈的水垫层，从而耗散下泄
旋流式 大型水利枢纽高坝消能工等 ［３ － ４］
水流的动能
水流反复跌落，在每一级折板以及井底水垫层上发生水流掺混，从而耗散下泄水流
折板式 城市深层隧道排水系统等 ［５ － ６］
的动能
水流经过环形溢 流 堰 跌 落，在 竖 井 底 部 发 生 掺 气 和 水 流 掺 混，最 后 流 经 横 洞 消 散
直跌式 寒区灌区工程等 ［７ － １２］
余能

其中，直跌式竖井在结构以及过流流态上与鲤鱼洲高位水池最为相似。国内外对直跌式竖井已有
数十年的研究历史，韩梅等 ［７］ 、谭志伟 ［８］ 对直跌式竖井的进口过流能力、下游隧洞泄流能力和消力池
深度的计算方法进行了探讨和总结。刘群 ［９］ 、张竞竞 ［１０］ 和范远东 ［１１］ 分别介绍了直跌式竖井在水库放
水洞、水库进水口和输水工程头部中的应用。Ｇｒａｎａｔａ等 ［１３］ 、Ｐａｄｕｌａｎｏ等 ［１４］ 、Ｃａｍｉｎｏ等 ［１５］ 、Ｍａ等 ［１６］
通过实验对竖井内自由跌流的掺气机理、流态转换、过流能力以及通气量需求等特征进行了分析。王
丽娟 ［１７］ 研究了竖井入口的堰上水头与通风量对于竖井段、退水隧洞段及消力池段流态的影响规律。然
而，上述研究涉及的竖井下游出流均为无压流，无需考虑竖井内掺气程度的控制，因此侧重于过流能
力以及消能效率的研究，对于如何减小竖井内掺气程度，基本无从借鉴。
有关消泡抑泡的研究大多针对电厂冷却水排水工程，相关措施主要有 ２类。一类是采用多级消能
等措施，减小跌入水垫层的 水 流 动 能，例 如 邱 静 等 ［１８］ 提 出 的 带 前 置 消 力 坎 的 溢 流 堰 方 案，邱 颂 曦
等 ［１９］ 提出的多级水平孔板与多重垂向隔墙组合结构，杨亚辉等 ［２０］ 提出的垂向消泡孔板加拦泡墙的装
置等。另一类是将主流与大气隔离，减小水气交界面上空气的卷入，例如李瑞生等 ［２１］ 提出的有压主流
道和无压辅流道双重过流设施。除此之外，上述措施通常还辅以拦泡装置，对气泡进行阻挡或加速其
上浮，例如贺益英等 ［２２］ 提出的洞塞式消能工消泡结构。电厂冷却水排水工程中主流均为水平流动，水
中气泡沿程可自由上浮，而鲤鱼洲高位水池的主流流向为竖直向下，对气泡存在向下的拖曳作用，气
泡运动规律以及消泡抑泡的机制更加复杂。
综上所述，当前鲜有研究将直跌式竖井消能与消泡抑泡措施相结合，鲤鱼洲竖井式高位水池的结
构设计尚无成熟案例可参考，本文结合物理模型试验与理论分析，阐述了鲤鱼洲竖井式高位水池内水
流分层以及掺气浓度的分布规律，并基于文献［ ２１］的思路提出了工程优化方案，可显著降低高位水池
内水体的掺气浓度，最后采用数值模拟对高位水池内的流场分布进行了分析。

２ 研究方法

２．１ 物理模型试验
２．１．１ 模型设计制作 物理模型采用重力相似准则设计，模拟范围包括鲤鱼洲高位水池的进水管、泵
站出水池、环形溢流堰、竖井和出水管，几何比尺为 １∶１０。根据糙率相似以及试验观测的要求，模型
完全由透明有机玻璃材质制作。
２．１．２ 测量仪器 模型流量由进水管前的电磁流量计施测、尾水渠后的矩形薄壁堰校核，竖井内液面
的真实位置与底部的动水压强分别利用测压管和数字压力传感器监测，竖井内掺气浓度采用集气采样
法进行测量。

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