Page 26 - 2025年第56卷第2期

在鲤鱼洲高位水池的实际水流中，气泡以群体运
动的形式存在，气泡群使得水体密度、黏度减小，气
泡与气泡之间存在碰撞、融合、破裂等相互作用 ［２９］ ，
气泡上浮形成的尾流区也会使得下方的气泡上浮阻力
减小 ［３０］ ，其作用机理十分复杂。本文聚焦于自由跌
流在鲤鱼洲高位水池内引起的掺气影响范围，通过对
单个气泡的运动受力情况分析可阐述其物理机制，因
此不对气泡群体运动的影响展开进一步的分析。

４ 方案优化研究

４．１ 方案优化说明 原设计方案试验表明，在 Ｑ＝ 图 １１ 掺气影响范围相对长度计算值与试验值对比
３
８０ｍ ?ｓ的工况下，掺气区几乎充满整个竖井，下游出水管进口由于积气而形成了稳定空腔，对于工
程的安全稳定运行十分不利。根据式（ １７），减小掺气影响范围长度的潜在措施有减小跌流流量 Ｑ 、
跌
减小水流落差 Δ Ｈ、减小竖井内水流速度 Ｕ 和增大溢流堰直径 Ｄ。
ｗ １
由于受到工程下游水位条件、上游泵站选型的限制，鲤鱼洲高位水池的运行水位以及溢流堰顶高
程已无调整空间，因此无法减小水流落差 Δ Ｈ，故从以下 ２个方面进行工程方案的优化：
（１）竖井直径 Ｄ由 １２．２４ｍ增大至 ２０ｍ，总流量 Ｑ不变时水流速度减小 ３８．８％；
２
（２）在总流量不变的情况下对跌流流量 Ｑ 进行削减，参考文献［２１］的思路，在竖井外围增设 ４条
跌
直径为 １．０ｍ的分流小管，分流管入射口中心高程－ ７．０ｍ，通过分流小管可使部分下泄水流与空气隔
离，避免掺气。
此外，增设的分流管呈对称布置，可避免不对称射流
导致的竖井内偏流；分流管入射角度设为上挑 ３０°用于增
强水流掺 混，提高 消 能 率；分 流 管 吸 水 口 设 计 为 虹 吸 弯
头，可避免淹没水深不够造成的吸气旋涡，弯头底部开设
通气孔，用于高位水池停止运行时及时破坏吸水口虹吸作
用。优化方案的平剖面布置见图 １２。
４．２ 掺气浓度削减作用 原设计方案与优化方案下的竖井
内掺气范围对比见图 １３和图 １４。由试验照片可看出，相比
３
原设计方案，优化方案中的掺气程度大大降低。Ｑ＝ ２０ｍ ?ｓ
工况下，竖井中无自由跌流存在，水体中无明显掺气；Ｑ＝
３
４０和 ８０ｍ ?ｓ工况下，乳白色的掺气区仅存在于竖井水面 图 １２ 优化方案平剖面示意图
３
附近，其长度明显缩短。掺气浓度的垂向测量结果显示，Ｑ＝ ２０ 、４０和 ８０ｍ ?ｓ工况下，优化方案（原
设计方案）的掺气区分别占总水深约 ０（２５％）、５％（３５％）和 １５％（９０％），掺气影响范围分别占总水深
约 ０（５０％）、５０％（８０％）和 ３９％（１００％）。
４．３ 优化方案水流流态 数值模拟计算的优势在于可对物理模型试验中不便测量的物理参数进行补充
分析，进一步研究鲤鱼洲高位水池内的水流结构。图 １５、图 １６展示了优化方案中不同流量条件下的
水流掺气浓度和流场分布情况。
当流量较小、竖井运行水位较低时，全部流量通过分流管以淹没射流的形式进入竖井，此时竖井
内掺气浓度基本为零，仅水面存在波动。当流量大于分流管过流能力时，剩余水流越过环形溢流堰以
自由跌流的形式进入竖井中，引起水流掺气。随着竖井运行水位升高，分流管的过流能力减小，分流
管过流的所占比例减小。各运行工况对应的掺气影响范围相对长度 ｈ?Ｈ与分流管过流占比 Ｑ 分流管 ?Ｑ数
ａ
模结果与试验结果对比见表 ４。由表可知，数值模拟结果与试验结果基本一致，但 ｈ?Ｈ的计算值较试
ａ
验值偏小，Ｑ 分流管 ?Ｑ的计算值较试验值偏大。

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