姚　軍

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶　400020)

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旋流豎井泄洪洞減壓試驗研究

姚軍

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶400020)

摘要：通過減壓試驗對某工程旋流豎井泄洪洞單體進行了相關(guān)模型研究，采用水聽器以及動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對豎井各測點泄洪時進行了空化噪聲采集，將聲壓級差作為水流初生空化的一個判斷標準，并計算了各測點的水流空化數(shù)，驗證了豎井的抗空蝕空化能力及泄洪安全。

關(guān)鍵詞：旋流豎井；減壓試驗；方法與原理；測點布置；結(jié)果分析

0前言

旋流豎井泄洪洞由于其布置靈活、修建難度較低且消能率較高等突出特點，成為一種較優(yōu)的泄洪消能建筑物[1-5]。沿程壁面的空化特性是控制旋流豎井設(shè)計與泄洪安全的關(guān)鍵性指標，工程上一般采用空化數(shù)來對其抗空化空蝕能力進行判定。

關(guān)于旋流豎井的泄洪安全問題，通常采用具有一定比尺的常壓模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法對其進行研究，但是由于工程原型位置海拔高程通常與試驗區(qū)相差較大，這就造成了二者的外界大氣壓不相似，從而對實驗結(jié)果造成誤差，尤其是對外界大氣壓變化較為敏感的空化數(shù)，常壓試驗往往不能得到比較滿意的結(jié)果。

本文針對常壓模型試驗無法準確模擬外界大氣壓的問題，結(jié)合某工程旋流豎井泄洪洞，將其單體模型置于能夠精確控制外界氣壓的減壓箱中，從而實現(xiàn)對外界氣壓的完全模擬。通過在豎井沿程安裝測量噪聲的水聽器對豎井壁面空化噪聲進行測量，進而得到聲壓級曲線并以之判定空化的發(fā)生，同時計算了各測點的水流空化數(shù)，從而對旋流豎井的抗空化空蝕能力進行準確的定量描述。

1試驗方法與原理

減壓試驗對空化的判別一般采用以噪聲測試為主、結(jié)合空化數(shù)判別和目測的方法?？栈频挠^測和判別在基礎(chǔ)研究中常常被采用，但在具體工程的模型試驗中卻變得非常困難，因此，目測法在本試驗中僅作為參考。本試驗對空化的判別采用噪聲測試法和空化數(shù)判別法相結(jié)合進行。

通過對噪聲頻譜的分析可判別空化的發(fā)生，因空化的發(fā)生將導致聲壓級的突然增加，有明顯的峰值產(chǎn)生[6-8]。經(jīng)驗表明，空化發(fā)生時的聲壓級較之相應(yīng)頻率的背景聲壓級(即不發(fā)生空化時的聲壓級)高5dB～10dB以上。聲壓級的計算公式為：

(1)

式中SPL為聲壓級(dB)；P為所測得的聲壓(μPa)；Pref為參考聲壓(μPa)，試驗中取1μPa

噪聲頻譜曲線具有一定的隨機性，在本次試驗中，噪聲頻譜曲線采用50次采樣得到的歷史平均值。關(guān)于空化初生的噪聲判別標準，關(guān)鍵是臨界值的確定，本試驗中聲壓級差臨界值的取值采用較嚴格的標準，即(△SPL)max= 5dB。

同時，工程設(shè)計中一般用水流空化數(shù)是否小于初生空化數(shù)來判斷是否發(fā)生空化。對于某一過水建筑物，只要獲得了不同真空度下的空化特性，就可以根據(jù)空化初生時的有關(guān)參數(shù)計算出該結(jié)構(gòu)物的初生空化數(shù)，水流空化數(shù)的計算公式為：

σ=(h0+ha-hv)/(v02/2g)

(2)

式中h0為計算斷面處的時均動水壓力水柱高(m)ha為計算斷面處的大氣壓力水柱高(m)；hv為水的汽化壓力水柱高(m)；v02/2g為計算斷面的平均流速水頭(m)

式(2)中的h0及v02通過常壓模型及數(shù)值計算結(jié)果得到，ha及hv為減壓試驗時的相應(yīng)參數(shù)。

2測點布置與試驗工況

根據(jù)數(shù)值計算成果，豎井段流速最大的部位位于2 760高程附近，該高程以下的豎井段被水流充滿，邊壁壓強相對較大，故在該高程布置一水聽器(3號水聽器)，渦室段與收縮段連接處(1號水聽器)、收縮段與豎井段連接處(2號水聽器)及壓坡段頂部(4號水聽器)。水聽器置于專用水聽器盒內(nèi)，水聽器盒緊貼模型邊壁，測試時水聽器盒內(nèi)注滿水，以保證傳聲效果良好。圖1為水聽器位置圖。

圖1　水聽器測點布置圖

由于本次試驗工況為校核水位工況及正常水位工況，試驗時逐漸改變減壓箱中的真空度，用噪聲測試系統(tǒng)實時監(jiān)測、記錄不同真空度(含相似真空度)下豎井內(nèi)部水流噪聲，再對噪聲數(shù)據(jù)進行分析，進而對空化與否進行判斷。表1為各工況水溫、氣壓等環(huán)境參數(shù)及試驗工況表。

3試驗結(jié)果分析

圖2與圖3分別為正常水位與校核水位泄洪，不同測點在不同相對相似真空度下的噪聲頻譜曲線，圖中的黑線(正常工況相對相似真空度為100%時的曲線；校核工況黑線為相對相似真空度為100.22%時的曲線，該曲線對應(yīng)的水流空化數(shù)比原型值小，屬于超相似情況)為空化相似條件下的噪音頻譜曲線。

可以看到：4個測點在相似真空度時，噪音頻率在100k～160k區(qū)間段的最大聲壓級差小于5dB，且現(xiàn)場未觀察到空化泡，表明這些測點在相似情況下未發(fā)生空化，即原型水流在正常與校核水位泄洪時，渦室段、收縮段、豎井段及壓坡段均不會發(fā)生空化；并且在正常工況下相對相似真空度小于75.84%時才開始發(fā)生空化，而校核工況下則是當相對相似真空度小于88.84%時就開始發(fā)生空化，這表明相同的旋流豎井體型可以在更高的海拔高程(氣壓更低)位置進行修建而不會出現(xiàn)空化空蝕破壞。

表1　環(huán)境參數(shù)及試驗工況表

按照(2)式進行計算，得到旋流豎井泄洪洞不同部位的水流空化數(shù)及初生空化數(shù)(相似情況，校核工況下為超相似100.22%)，結(jié)果見表2。從表中可以看出：渦室段、收縮段、豎井段及壓坡段的水流空化數(shù)均大于初生空化數(shù)，并且還有一定的余裕；豎井段下部水流空化數(shù)較小(校核工況為0.179)，但仍大于初生空化數(shù)(0.161)。以上成果表明，豎井旋流泄洪洞在原型水流中不會發(fā)生空化。

(a)1#水聽器

(b)2#水聽器

(c)3#水聽器

(d)4#水聽器

(a)1#水聽器

(b)2#水聽器

(c)3#水聽器

(d)4#水聽器

庫水位/m斷面高程/mh0/mv0/m·s-1初生空化數(shù)σi水流空化數(shù)σ2865(正常)2814.781.6520.51<0.3960.4062785.164.7428.89<0.2680.2772762.692.5832.53<0.1630.1792737.0912.309.95<3.8033.8332870.27(校核)2814.782.1022.64<0.3110.3502785.167.3531.10<0.2710.2922762.693.3033.71<0.1610.1792737.0920.2510.63<4.5584.737

4結(jié)論

通過對某電站旋流豎井泄洪洞減壓試驗的分析研究，并在測試了正常蓄水位(2 865.00 m)及校核水位(2 870.27 m)，渦室段、收縮段、豎井段及壓坡段水流噪聲的情況下，得出了水流初生空化數(shù)，結(jié)果表明：

渦室段、收縮段、豎井上段及壓坡段的水流空化數(shù)均大于初生空化數(shù)；由于流速較大，豎井段下部水流空化數(shù)較小(校核工況為0.179)，但仍大于初生空化數(shù)(0.161)，而豎井段下部是豎井最可能發(fā)生空化的位置，從空化的角度看，這表明整個旋流豎井泄洪洞能夠?qū)崿F(xiàn)安全的泄洪。

同時表明，旋流豎井泄洪洞在原型水流中不會發(fā)生空化，并且由于當?shù)厮骺栈瘮?shù)距離該位置初生空化數(shù)尚有一定余地，且進一步表明相同的旋流豎井體型可以在更高的海拔高程(氣壓更低)位置進行修建而不會出現(xiàn)空化空蝕破壞，為旋流豎井泄洪洞在更高海拔區(qū)域修建提供了可靠的依據(jù)。

參考文獻：

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姚軍(1987-)，男，侗族，貴州黃平人，畢業(yè)于四川大學農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)任職于重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院.

(責任編輯：卓政昌)

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收稿日期:2015-09-17

文章編號:1001-2184(2015)06-0184-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV651.1+3；TV131.61+7

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