于 野,劉亞坤,倪漢根,孫 韻

(大連理工大學(xué) 土木水利學(xué)院,遼寧 大連 116024)

0 引 言

在高速水流的泄水建筑物過流面設(shè)置摻氣設(shè)施,促使水流摻氣,以減免過流建筑物可能發(fā)生的嚴(yán)重空蝕破壞,是水利工程中廣泛采用的減蝕技術(shù)。試驗研究表明,當(dāng)水中摻氣濃度達(dá)C=1%～2%時,能大大減輕固壁面的空蝕破壞;當(dāng)摻氣濃度達(dá)5%～7%時,空蝕破壞完全消失[1,2]。由于摻氣機理復(fù)雜,對通氣量等問題理論上研究尚不完善,目前有關(guān)摻氣設(shè)施體型優(yōu)化方面研究成果較少,尚未有成熟的理論方法,多是通過模型試驗,對摻氣設(shè)施的選型進(jìn)行較系統(tǒng)的研究,并給出有關(guān)摻氣設(shè)施優(yōu)化選型的一些定性意見[3～5]。

1 工程概況

猴子巖水電站位于大渡河干流上游,是大渡河水電規(guī)劃“三庫22級”的第9級電站,上接丹巴梯級,下接長河壩梯級。電站采用壩式開發(fā),樞紐建筑物由攔河大壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。大壩為高面板堆石壩,最大壩高223 m,堰頂高程1818.00 m,相應(yīng)庫容為6.62×108m3,裝機容量1700 MW。

樞紐物有混凝土面板堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、1條洞式溢洪道、2條深孔泄洪洞、1條深孔放空洞、2條導(dǎo)流洞。2條深孔泄洪洞、2條導(dǎo)流洞布置于左岸;洞式溢洪道、深孔放空洞、引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸。泄水建筑物具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點,其中洞式溢洪道最大泄量4036.6 m3/s,最大單寬流量達(dá)到269.11 m3/s,最大流速約45 m/s。

本文利用比尺1∶45的水工模型來分析研究猴子巖水電站洞式溢洪道摻氣設(shè)施的布置、洞身體型優(yōu)化等問題。模型按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。

1.1 原設(shè)計方案及試驗結(jié)果

洞式溢洪道設(shè)置三道摻氣設(shè)施,位置及尺寸見圖1所示。

實測的洞式溢洪道通風(fēng)量及摻氣濃度見表1。

表1 洞式溢洪道通風(fēng)量及相應(yīng)摻氣濃度

1845.41 0.44 1.37 6.53 0.01 0.03 0.15

由表中數(shù)據(jù)可知,洞式溢洪道在不同工況下各道摻氣槽的通風(fēng)量和摻氣濃度都比較小。摻氣坎下游的摻氣濃度主要與坎上的弗勞德數(shù)有關(guān)?？采系母诘聰?shù)越大,即坎上的流速越大,空腔內(nèi)的壓強越小,通氣孔的通氣量就越大,水流的紊動強度就越大,水流的摻氣量也越大,摻氣濃度也會越高。因此需要進(jìn)一步試驗改進(jìn)摻氣設(shè)施,增大弗勞德數(shù),增加摻氣濃度。

圖1 洞式溢洪道摻氣設(shè)施

2 優(yōu)化方案試驗結(jié)果及分析

2.1 摻氣設(shè)施優(yōu)化方案

參照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》和《溢洪道設(shè)計規(guī)范》以及前述方案的試驗結(jié)果,洞式溢洪道最終采用的摻氣設(shè)施優(yōu)化方案如下:共采用三道摻氣設(shè)施,第一道、第二道、第三道摻氣設(shè)施的樁號分別為0+884.607m、0+953.18m、1+063.18m;第一道摻氣設(shè)施挑坎的坡度為1∶8,挑坎高度為 0.5 m,跌槽深度為0.5 m;第二道、第三道摻氣設(shè)施的坡度為 1∶6.15,挑坎高度為0.65m,跌槽深度為1.35m。具體尺寸、位置如圖2所示。

圖2 洞式溢洪道摻氣設(shè)施

優(yōu)化方案中,坎下游空腔清晰,空腔中基本沒有回水,水流可見明顯摻氣,水舌挑距較長,入射點下游水流穩(wěn)定。隨著挑坎高度增加,坎下空腔長度增加,回水上溯的距離減小,水舌挑距增大。

優(yōu)化方案中實測摻氣濃度結(jié)果見表2,空腔長度及空腔內(nèi)壓強見表3。

表2 洞式溢洪道通風(fēng)量及相應(yīng)摻氣濃度

不同工況下各道摻氣設(shè)施均能形成良好空腔,見圖3、圖4所示。

不同庫水位時各測點的壓強水頭、實測流速v及相應(yīng)的當(dāng)?shù)乜栈瘮?shù)σ均列于表4。

表中的空化數(shù)按下式定義

式中:h0為計算斷面處的動水壓力水頭;ha為計算斷面處的大氣壓力水頭;hv為水的汽化壓力水頭計算斷面處的平均流速水頭。

表3中的最小空化數(shù)為0.13,較小的σ要求施工時控制較嚴(yán)格的不平整度。

圖3 庫水位1845.41 m第一道摻氣設(shè)施空腔

圖4 庫水位1845.41 m第三道摻氣設(shè)施空腔

表4 洞式溢洪道各測點的水深、斷面平均流速及空化數(shù)

3 結(jié) 論

試驗表明,通過調(diào)整跌坎和挑坎的高度、坡度,可明顯改善摻氣效果。三道摻氣設(shè)施摻氣良好,摻氣空腔完整而穩(wěn)定,坎下未出現(xiàn)較大回水等不利流態(tài),通氣孔通氣順暢。不同運行工況的水流流態(tài)平穩(wěn),沿程壓力無異常,運行情況均良好?？傮w而言,溢洪道摻氣情況良好,方案安全可靠[7,8]。

[1]倪漢根,劉亞坤.擊波、水躍、跌水、消能[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2008:158-217.

[2]武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊[M].北京:水利出版社,1980:415.

[3]劉超,楊永全.泄洪洞反弧段下游側(cè)墻摻氣減蝕試驗研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2006,21(4):467-469.

[4]周 赤,韓繼斌,何 勇.三峽工程泄洪深孔跌坎摻氣體型模型[J].長江科學(xué)院院報,2000,17(5):5-10.

[5]鄧軍,許唯臨,雷 軍,等.高水頭岸邊泄洪洞水力特性的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,2005,36(10):1209-1212.

[6]SL319-2005.混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2005.

[7]劉亞坤,倪漢根.新疆喀臘塑克水利樞紐斷面模型試驗報告[R].大連:大連理工大學(xué)水利水電研究所,2007.

[8]劉亞坤,倪漢根.四川省大渡河猴子巖水電站洞式溢洪道水工單體模型試驗初步報告[R].大連:大連理工大學(xué)水利水電研究所,2009.