Page 28 - 2025年第56卷第2期

流量较小，掺气影响范围相对长度较小，ｈ?Ｈ＝ ０．４３；约 ４２．５％的水流通过分流管以淹没射流的形式
ａ
进入竖井中部。竖井中上层内壁附近水流受自由跌流主导而向下运动，中轴线附近水流受上浮气泡以
及射流主导而向上运动，在自由跌流、分流管射流的共同作用下，分流管出口至水面之间形成两个近
似对称的漩涡，剖面尺寸约为 １２ｍ × ８ｍ，流速最大值约 １３．２ｍ?ｓ，出现在水面上方的竖井内壁附近。
工况 ３：约 ７３．４％的水流以自由跌流的形式跌入竖井，引起水面剧烈波动与掺气现象，但由于水
深较大，掺气影响范围相对长度较小，ｈ?Ｈ＝ ０．３０；约 ２６．６％的水流通过分流管以淹没射流的形式进
ａ
入竖井中部。竖井内部流态较紊乱，在整体向下输移的过程中，中下层水流在分流管入射口附近也存
在向上掺混，但由于水深较大，自由跌流与分流管射流之间无明显的相互作用，因而未形成漩涡。
由计算结果可知，优化方案通过分流管分流可有效减小高位水池内自由跌落的流量，减少水流对
竖井内水体的直接冲击，减轻水流掺气；另外，分流管射流增强了竖井内部水体掺混强度，可加速耗
散由于自由跌落带来的水流动能，有助于提高消能效率。

图 １５ 鲤鱼洲高位水池优化方案水体掺气浓度分布计算结果 图 １６ 鲤鱼洲高位水池优化方案流场分布计算结果

４ 结论

位于珠三角水资源配置工程起点的鲤鱼洲竖井式高位水池是集直跌式竖井消能工与消泡抑泡措施
于一体的新型输水建筑物，国内外基本无成熟的工程案例可参考。本文通过大比尺物理模型试验和数
值模拟计算对该工程的水力特性开展了研究，分析了高位水池内因自由跌流而产生的掺气水体分层规
律，结合气泡在水中运动受力过程的求解归纳了掺气影响范围长度的主要影响因素，推导了半理论半
经验计算公式，并在此基础上提出了可有效减小高位水池内掺气影响范围长度以及掺气浓度的优化措
施。主要结论如下：
（１）大流量、大落差的自由跌流会引起竖井内水体的明显分层，上层为掺气区，该区域内掺气浓
度普遍大于 ９０％，且随水深变化不明显，视觉上呈现为乳白色的水气混合物；中层为过渡区，该区域
内掺气浓度随水深的增加而减小，可观察到不连续的气泡脱离上层掺气区，下沉至某一深度后又再次
上浮；下层为低扰动区，掺气浓度测试结果为 ０，无肉眼可见的气泡存在。
（ ２）气泡在竖井水体中运动可能达到最终状态有 ３种，即匀速上浮，滞留在某一深度和匀速下沉。
上述状态取决于竖井水体向下的输移速度与气泡尺寸，竖井水体速度越大，气泡尺寸越小，气泡随水
体向下运动的趋势就越明显。竖井内掺气影响范围长度与跌流流量、水流落差呈正相关关系，与溢流
堰直径、竖井水体速度呈负相关关系，半理论半经验计算公式对模型试验数据的拟合误差基本在 １０％
以内。
（ ３）在工程各部位的运行水位无法调整的前提下，水流落差不变，优化方案采用的措施主要为增
大竖井直径与增设分流管，增大竖井直径可减小竖井内水体向下的输移速度，增设分流管可使部分水
流通过分流管以淹没射流的形式进入竖井而不接触空气。与原设计方案相比，优化方案对应的掺气影
响范围长度和掺气浓度明显减小，其优化思路可为其他同类工程的设计提供参考。

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