周 赤， 李 靜

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

對(duì)于高水頭運(yùn)行的泄水建筑物，如泄洪深孔、底孔、泄洪洞等，一般來(lái)說(shuō)均面臨2大問(wèn)題:即高速水流下的空化空蝕和高水頭下的閘門(mén)止水問(wèn)題。而突擴(kuò)型壓力泄水道出口，一方面其摻氣設(shè)施可以滿(mǎn)足摻氣減蝕要求，另一方面適合于高水頭下運(yùn)用的偏心鉸弧形閘門(mén)止水或液壓密封框止水，能較好地同時(shí)解決以上2大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

國(guó)外自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，高水頭泄水孔弧形閘門(mén)陸續(xù)推廣使用偏心鉸弧門(mén)止水或液壓伸縮式止水，門(mén)座采用突擴(kuò)跌坎體型，如日本1959年建成的二瀨壩深孔、前蘇聯(lián)1967年建成的克拉斯諾雅爾斯克水電站泄水底孔等。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)也先后在龍羊峽、東江和漫灣等水電站的泄水孔上采用了該體型，并結(jié)合工程對(duì)突擴(kuò)型摻氣設(shè)施進(jìn)行了研究［1－6］。近年來(lái)，隨著我國(guó)大型水電站工程的不斷建設(shè)，突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施也日益得到重視和廣泛的應(yīng)用［7－10］。初步統(tǒng)計(jì)顯示，國(guó)內(nèi)外采用突擴(kuò)跌坎布置的已建、在建和擬建工程達(dá)30余座。從實(shí)際工程中采用突擴(kuò)摻氣設(shè)施的運(yùn)行情況來(lái)看，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。根據(jù)巴基斯坦塔貝拉工程3#泄洪洞、原蘇聯(lián)克拉斯諾雅爾斯克水電站的底孔、美國(guó)德沃歇克壩的3個(gè)泄水孔和龍羊峽水電站底孔泄水道4個(gè)遭受破壞的工程實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，在弧形門(mén)門(mén)底突擴(kuò)突跌后，必須保證足夠的通氣量，而結(jié)合閘門(mén)止水而布置的突擴(kuò)突跌并不都能滿(mǎn)足摻氣減蝕的要求，需要對(duì)具體工程的水力學(xué)條件進(jìn)行認(rèn)真的研究。因此，對(duì)80 m以上水頭泄水建筑物開(kāi)展突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施的研究，以對(duì)其水力特性和空化特性有更深入的了解，對(duì)于突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施的推廣應(yīng)用，具有重要意義［11－14］。

2 工程實(shí)例

小浪底水利樞紐由導(dǎo)流洞改建了3條多級(jí)孔板消能泄洪洞，其中1條孔板泄洪洞，全長(zhǎng)約1 100 m，進(jìn)口底高程175.0 m，進(jìn)口段水平長(zhǎng)度108 m;后接長(zhǎng)約140 m的有壓管段(D=14.5 m)，三級(jí)孔板消能裝置均布置在該段;之后為長(zhǎng)約85 m的中閘室段，此段布置見(jiàn)圖1，中隔墩將泄洪通道一分為二，弧形閘門(mén)、突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施、通氣系統(tǒng)等均布置其中，弧門(mén)前為有壓段，門(mén)后為明流;明流洞洞徑14.5 m，長(zhǎng)約750 m，后設(shè)挑坎，水流經(jīng)此挑落入消力池?？装宥葱纬?個(gè)面積為4.8 m×4.8 m的閘孔，洞頂壓坡1∶5，閘孔后兩側(cè)突擴(kuò)0.5 m，跌坎高度1.47 m。

根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定，當(dāng)閘門(mén)工作水頭超過(guò)80 m時(shí)，宜采用偏心鉸變形止水或液壓伸縮式止水方式，這2種止水方式均要求弧形門(mén)孔口四周突擴(kuò)。小浪底水利樞紐孔板泄洪洞中閘室閘門(mén)的工作水頭和閘門(mén)孔口流速，決定了中閘室弧門(mén)宜采用突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施。

利用比尺1∶20的局部水工模型，模擬原型泄洪洞長(zhǎng)度280 m，包括閘門(mén)前約90 m及第三級(jí)孔板裝置。模型通過(guò)調(diào)節(jié)控制水位和流量，滿(mǎn)足試驗(yàn)段水流條件相似。模型中孔口平均流速為6.1～8.0 m/s，明流洞平均流速達(dá)6.5 m/s。試驗(yàn)研究中比較了不同水位和不同閘門(mén)開(kāi)度條件，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 小浪底水利樞紐孔板洞中閘室布置示意圖Fig.1 Layout of the middle chamber of Xiaolangdi hydropower project’s flood discharge tunnel with orifices

表1 水工模型試驗(yàn)條件Table 1 Conditions of hydraulic model test

3 通氣系統(tǒng)及摻氣濃度

試驗(yàn)觀測(cè)了各通氣管道的風(fēng)速及通氣量，實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2［15］。在同一試驗(yàn)條件下，左、中、右通氣豎管的平均風(fēng)速依次增大，右側(cè)較左側(cè)平均風(fēng)速大1.3～4.5 m/s;通氣管風(fēng)速均隨泄洪流量增大而增大;庫(kù)水位250 m 時(shí)，閘門(mén)開(kāi)度2.4 m，左、中、右通氣豎管的平均風(fēng)速依次增大，分別為27.7，29.4，32.2 m/s，相應(yīng)位置風(fēng)速值均比閘門(mén)開(kāi)度1.2 m 和4.8 m時(shí)大，閘門(mén)開(kāi)度2.4 m通氣管風(fēng)速最大。閘門(mén)開(kāi)度4.8 m時(shí)，左、中、右通氣豎管的平均風(fēng)速依此為9.8，10.7，14.3 m/s。通氣管滿(mǎn)足順暢補(bǔ)氣，管內(nèi)風(fēng)速都在容許范圍之內(nèi)。

表2 通氣管風(fēng)速及通氣量［15］Table 2 Wind velocity and ventilation volume of the ventilation pipes［15］

根據(jù)與3號(hào)孔板洞中閘室結(jié)構(gòu)相同的2號(hào)孔板閘室原型觀測(cè)成果［16］，庫(kù)水位 246.37～248.04 m時(shí)，閘門(mén)啟閉過(guò)程中，0.3～0.5 m開(kāi)度通氣管風(fēng)速最大，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)55～57 m/s;接近全開(kāi)時(shí)，平均風(fēng)速為33.5 m/s，且呈減小趨勢(shì)。原型觀測(cè)結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果得到的通氣管內(nèi)風(fēng)速隨閘門(mén)開(kāi)度變化的趨勢(shì)一致，但通氣管風(fēng)速值的模型縮尺影響還是明顯的。摻氣濃度等測(cè)試結(jié)果表明，閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，底空腔回水漩滾區(qū)底板摻氣濃度在17%以上，此后摻氣濃度降至5%以下，距跌坎56.4 m以后，底板摻氣濃度在2.3%以下;距跌坎10 m的側(cè)壁摻氣濃度低于1%。閘門(mén)局部開(kāi)啟條件下，所有測(cè)點(diǎn)中底板摻氣濃度均在3%以上，側(cè)壁摻氣濃度在4%以上。原型觀測(cè)成果見(jiàn)文獻(xiàn)［16］，庫(kù)水位 246.37～248.04 m 閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，底空腔回水漩滾區(qū)摻氣濃度13.2%，此后低于5%。局部開(kāi)啟時(shí)觀測(cè)點(diǎn)摻氣濃度相對(duì)較大。模型水流摻氣濃度的測(cè)量結(jié)果和原型觀測(cè)結(jié)果是一致的。

4 水流流態(tài)

水流經(jīng)過(guò)突擴(kuò)處，側(cè)向擴(kuò)散的射流沖擊側(cè)壁，向上形成水翅，向下產(chǎn)生水簾。閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)，部分水翅越過(guò)導(dǎo)水板沖擊到弧門(mén)支臂、支鉸軸及支鉸橫梁，在2.4 m閘門(mén)開(kāi)度時(shí)水翅沖擊弧門(mén)支臂支鉸橫梁現(xiàn)象嚴(yán)重;閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，水翅較弱小，導(dǎo)流板基本將水翅攔住。向下的水簾落在底板后形成薄層流動(dòng)水體，覆蓋在底空腔內(nèi)底板上。側(cè)壁射流沖擊區(qū)下游有一片明顯的清水區(qū)，清水區(qū)范圍隨閘門(mén)開(kāi)度增大而擴(kuò)大，閘門(mén)全開(kāi)時(shí)側(cè)壁清水區(qū)最長(zhǎng)約25.0 m、最寬約3.0 m。

閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，能形成穩(wěn)定、貫通的側(cè)空腔和底空腔。閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)，當(dāng)突擴(kuò)弧面與閘門(mén)弧面間的縫隙完全封住，弧門(mén)底緣以下的突擴(kuò)弧面上出現(xiàn)向側(cè)壁方向的斜軸漩渦，不能形成側(cè)空腔;當(dāng)突擴(kuò)弧面與閘門(mén)弧面間有縫隙時(shí)，形成縫隙射流，該射流沿突擴(kuò)弧面而下，消除了斜軸漩渦，但將側(cè)空腔與底空腔隔開(kāi)。

5 壓力分布

(1)跌坎下游底板:閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，底板射流沖擊區(qū)及其下游，壓力沿程分布波動(dòng)較大;在距跌坎約46 m處，因底坡變化壓力明顯較大，其下游壓力緩慢下降;沖擊區(qū)最大時(shí)均壓力值為97.0 kPa。閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)，壓力分布與閘門(mén)全開(kāi)相同，但壓力值降低，沖擊區(qū)距離跌坎較遠(yuǎn)，沖擊區(qū)最大時(shí)均壓力值為44.4 kPa。底板射流沖擊區(qū)壓力脈動(dòng)較大，其后迅速衰減，底板射流沖擊區(qū)最大脈動(dòng)壓力均方根值達(dá)42.4 kPa;從時(shí)域和幅域特性看，脈動(dòng)壓力具有一定程度的正向脈沖特性，優(yōu)勢(shì)頻率在23 Hz以下。

(2)突擴(kuò)下游側(cè)壁:側(cè)壁射流沖擊區(qū)最大時(shí)均壓力出現(xiàn)在跌坎下游附近，其后呈明顯壓力降落，有一段壓力在0附近的低壓區(qū)，然后壓力有所上升;沖擊區(qū)最大時(shí)均壓力達(dá)82.9 kPa，而沖擊區(qū)后最低時(shí)均壓力為－18 kPa。射流沖擊區(qū)壓力脈動(dòng)較大，最大脈動(dòng)壓力均方根值達(dá)39.2 kPa;沖擊區(qū)脈動(dòng)壓力呈明顯正向脈沖特性，優(yōu)勢(shì)頻段在13 Hz以下。

原型觀測(cè)成果見(jiàn)文獻(xiàn)［16］，庫(kù)水位 246.37～248.04 m閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，空腔底板為負(fù)壓，其壓力值大于－4 kPa;射流沖擊區(qū)壓力為46.24～58.25 kPa，但壓力脈動(dòng)均方根值達(dá)36.58 kPa。原型和模型觀測(cè)的壓力及其脈動(dòng)在數(shù)值上是接近的。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)模型試驗(yàn)得到優(yōu)化和驗(yàn)證的突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施布置，通過(guò)原型觀測(cè)和實(shí)際運(yùn)行得到證實(shí)是成功的。在保證模型比尺足夠大、模型流速達(dá)到6～8 m/s條件下，模型試驗(yàn)得到的水力特征參數(shù)，如流態(tài)、壓力、摻氣濃度、通氣管通氣量及其風(fēng)速等，是能夠反映原型實(shí)際的。

(2)結(jié)合閘門(mén)止水和摻氣減蝕要求的突擴(kuò)跌坎布置，是符合實(shí)際需求且安全可行的，同時(shí)也是解決高水頭條件下閘門(mén)止水和摻氣減蝕的有效措施，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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