汪　旭

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶　401120)

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某水電站泄洪隧洞閘室通風(fēng)降噪研究

汪旭

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶401120)

摘要：針對某水電站泄洪洞通風(fēng)洞洞口及工作門啟閉機(jī)室噪音較大的問題，筆者研究并提出了有效的解決方案。通過在原通風(fēng)洞內(nèi)增設(shè)一定高度的阻塞體，減小了通風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速及風(fēng)量，從而實現(xiàn)了降低噪音的目的，但是，增設(shè)阻塞體對洞頂通氣井的風(fēng)速及風(fēng)量影響較??；通過在閘室左側(cè)增設(shè)通氣平洞，泄洪洞總通風(fēng)量得到了有效的增加，但是原通風(fēng)洞的風(fēng)速變化不明顯，即增加通氣平洞不能降低原通風(fēng)洞風(fēng)速及風(fēng)量；同步增設(shè)阻塞體以及通氣平洞，在減小原通風(fēng)洞風(fēng)速的同時又通過新建通氣平洞補(bǔ)償了由于原通風(fēng)洞增加阻塞體而減小的風(fēng)量。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)洞；降噪；風(fēng)速；通風(fēng)量

0引言

無壓泄洪洞在水電工程中占有很大的比重，由于泄洪洞洞身處于山體內(nèi)部，泄洪時水面以上所謂洞頂余幅將充滿空氣并隨著其下水體的流動而行進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)供氣不足時，可能引起水面劇烈波動，從而對洞身造成不可預(yù)估的危害，這就使得通氣設(shè)施的合理設(shè)計與修建變得極為重要。同時，不合理的通氣設(shè)施體型，可能造成洞內(nèi)風(fēng)速過大，從而引發(fā)噪音的問題[1,2,3,4]。

某水電站由于右岸泄洪洞工作閘室前段為有壓洞身，并且工作水頭較大，閘室弧門位置處水流流速最大可達(dá)到39 m/s，如此大的流速，在進(jìn)入無壓段后水面上部的攜氣量非常大。右岸泄洪洞原設(shè)計在無壓段洞身弧形頂蓋上沿程布設(shè)三個內(nèi)徑D=2.0 m的通氣井，通風(fēng)井相同位置洞身底板分別設(shè)置有三級摻氣坎，摻氣坎通過通氣豎井與水面以上位置相連，同時在閘室右側(cè)布設(shè)6.0 m×6.0 m(寬×高)的通風(fēng)洞以保證泄洪洞洞身以及底板摻氣空腔的需氣量。

在實際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，工作門室通風(fēng)洞風(fēng)速非常大，進(jìn)洞口5m處實測最大風(fēng)速102 m/s，30 m處實測最大風(fēng)速87 m/s；通風(fēng)洞洞口及工作門啟閉機(jī)室噪音較大，其中通風(fēng)洞洞口為100分貝，工作門啟閉室內(nèi)為105分貝，嚴(yán)重影響工作人員的工作和生活環(huán)境。

筆者針對該水電站右岸泄洪洞通風(fēng)洞洞口及工作門啟閉機(jī)室噪音較大的問題，試驗了多種解決方案，通過對比研究各通氣設(shè)施內(nèi)的風(fēng)速與攜氣量的變化規(guī)律，找到了有效的通風(fēng)減噪途徑。

1模型試驗

本試驗采用1∶25的正態(tài)模型，模型泄水建筑物均采用透明有機(jī)玻璃制作，使流態(tài)清晰可見，便于觀察。根據(jù)設(shè)計給定的混凝土襯砌表面糙率是n=0.014，而沿程阻力相似所要求的模型糙率應(yīng)為0.008 2。根據(jù)大量模型試驗，有機(jī)玻璃制作的模型糙率約為0.007 9～0.008 1，兩者滿足糙率合集基本相似。在模型制作過程中，平面誤差控制在 2 mm以內(nèi)，高程誤差控制在 0.5 mm以內(nèi)，以保證模型和原型的幾何相似。試驗過程中風(fēng)速測量采用DT-8880型熱敏式風(fēng)速儀，測量精度為0.1 m/s，模型布置見圖1。

針對原通風(fēng)洞洞口及工作門啟閉機(jī)室噪音較大的問題，筆者設(shè)計了幾種試驗方案，分別測量了庫水位765 m(工作水頭72.643 m)下各通氣設(shè)施的風(fēng)速并計算其通風(fēng)量，詳細(xì)方案設(shè)計見表1。其中阻塞方案在原通風(fēng)洞上游段設(shè)置不同高度的阻塞體以實現(xiàn)增加風(fēng)阻、減小風(fēng)量的目的，阻塞體順風(fēng)方向長10 m，寬與通風(fēng)洞等寬(6 m)；通氣平洞方案在閘室左側(cè)增設(shè)通風(fēng)平洞，其后與直徑為5m的通風(fēng)豎井相連，同時在原通風(fēng)洞設(shè)置不同高度的阻塞體。

2試驗結(jié)果分析

各方案下泄洪洞沿程3個洞頂通氣井的通風(fēng)量變化見圖2，可以看到，所有方案下2#通氣井均具有最大的通氣量，1#通氣井次之，3#通氣井最小。這是由于1#通氣井位置處水流流速比2#通氣井位置處水流流速小，而流速越大，其攜氣能力就越強(qiáng)，故而2#通氣井的通氣量要大于1#；3#通氣井位置處的水流流速明顯大于1#及2#通氣井位置處水流流速，依照前述理論，那么，該處通氣井的通風(fēng)量應(yīng)該是三者當(dāng)中最大的，但是，由于3#通氣井位于泄洪洞出口位置附近，外界大氣可通過洞頂余幅向洞內(nèi)進(jìn)行逆向補(bǔ)氣，故而3#通氣井位置處雖然具有最大的水流流速，反而其通氣量卻最小。

(a)側(cè)視圖

(b)俯視圖圖1　試驗?zāi)Ｐ筒贾脠D

表1　試驗方案表

另外可以看到，各方案下各個洞頂通氣井的通風(fēng)量變化均相對較小，這是由于不論是在原通風(fēng)洞洞內(nèi)增設(shè)阻塞體還是在閘室左側(cè)增設(shè)補(bǔ)氣平洞，其對于沿程洞頂通氣井的影響都比較小，并且相對于整個洞室的需氣量來講，通氣井的風(fēng)量占比相對較小。

圖2　洞頂通氣井通風(fēng)量

在不同方案下，原通風(fēng)洞及泄洪洞總通氣量變化見圖3，可以看到，阻塞體高度低于3 m(即一半洞高)時，阻塞體幾乎無減小風(fēng)量的作用；阻塞體高度為4 m時，與無阻塞體相比，總通風(fēng)量略有減小但不顯著，阻塞體高度為4.5 m時的總通風(fēng)量為無阻塞體時的70%，通風(fēng)洞平均風(fēng)速減小明顯，為無阻塞體時的60%(由22 m/s減弱為13 m/s)，這表明阻塞體方案可有效降低通風(fēng)洞風(fēng)速及通氣量。

新增通風(fēng)井(方案5)后，泄洪洞總通風(fēng)量增加了17%～30%，但原通風(fēng)洞的風(fēng)速及風(fēng)量變化不明顯，即增加通風(fēng)井不能顯著降低原通風(fēng)洞風(fēng)速及風(fēng)量，但卻可以有效增加整個泄洪洞的總通氣量。

方案6與方案7的對比進(jìn)一步驗證了在原通風(fēng)洞內(nèi)增設(shè)阻塞體以減小其內(nèi)部風(fēng)速及風(fēng)量的合理性；并且通過與方案5的對比可以發(fā)現(xiàn)，同步增設(shè)補(bǔ)氣平洞以及阻塞體，依然可以發(fā)現(xiàn)與前述相似的規(guī)律，即通氣平洞的增加對于增設(shè)阻塞體后的原通風(fēng)洞的風(fēng)速及風(fēng)量的影響依舊較??；同時增設(shè)補(bǔ)氣平洞以及4.5 m阻塞體(方案7)后原通風(fēng)洞平均風(fēng)速為14.5 m/s，與不設(shè)通風(fēng)井時(13.1 m/s)差別不大，但總通風(fēng)量增大了79%(由701 m3/s增加到1 254 m3/s)。所以，增設(shè)阻塞體后的原通風(fēng)洞實現(xiàn)了風(fēng)速與風(fēng)量的大幅減小，但卻很大程度上減小了泄洪洞的總通風(fēng)量，而閘室左側(cè)的新增通氣平洞不僅補(bǔ)償了由于阻塞體的增加減小的風(fēng)量，并且相對于原方案(方案1)大幅提高了洞內(nèi)總通氣量，故而將方案7作為該水電站泄洪洞通風(fēng)洞洞口及工作門啟閉機(jī)室噪音較大問題的合理解決方案是可行的。

圖3　原通風(fēng)洞通風(fēng)量及泄洪洞總通風(fēng)量

表2為同時增設(shè)補(bǔ)氣平洞及4.5 m高阻塞體時不同庫水位下各通氣設(shè)施內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)量，從中可以看到，隨著庫區(qū)水位的增加，各通氣設(shè)施的風(fēng)速及泄洪洞總通風(fēng)量均呈增大趨勢，這是由于隨著工作水頭的增加，洞內(nèi)流速亦隨之增大，從而增強(qiáng)了水體的攜氣能力[5,6,7]；但是，泄洪洞沿程3個洞頂補(bǔ)氣洞的風(fēng)速及通風(fēng)量變化依然較小。分析認(rèn)為，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是通氣井的內(nèi)徑限制了其過流能力，這就使得通風(fēng)井兩側(cè)需要具有很大的壓力梯度(一側(cè)為大氣壓，另一側(cè)連接泄洪洞洞頂，故而需要洞頂段具有足夠小的壓強(qiáng))才能進(jìn)一步大幅增加其通氣量，但是，由于閘室兩側(cè)的原通風(fēng)洞及新建的補(bǔ)氣平洞的存在，這二者能夠較好地為泄洪洞整個洞室提供良好的通風(fēng)條件，故而在通風(fēng)井連接洞頂處沒有形成極小風(fēng)壓的條件，也就不能大幅增加其通氣量。

表2　方案7不同庫水位下各通氣設(shè)施風(fēng)速(m/s)及通風(fēng)量(m3/s)

3結(jié)論

筆者針對某水電站泄洪洞通風(fēng)洞進(jìn)口及工作門啟閉機(jī)室噪音較大的問題，提出了多種解決方案，通過試驗對比驗證，優(yōu)選出合理有效的解決方案，并得出如下結(jié)論：

(1)通過在原通風(fēng)洞洞內(nèi)上游段增設(shè)一定尺寸的阻塞體，能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)洞洞內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)量的顯著減小。較低的阻塞體不能夠減小洞內(nèi)風(fēng)速及通風(fēng)量，當(dāng)阻塞體高度達(dá)到整個通風(fēng)洞洞高約75%時，通風(fēng)洞平均風(fēng)速減小明顯，為無阻塞體時的60%(由22 m/s減弱為13 m/s)。

(2)阻塞體的增加對泄洪洞沿程洞頂?shù)耐饩畠?nèi)風(fēng)速及通風(fēng)量影響較弱。

(3) 在閘室左側(cè)增加通氣平洞不能降低原通風(fēng)洞風(fēng)速及風(fēng)量。

(4)由于原通風(fēng)洞增設(shè)阻塞體的緣故，雖然實現(xiàn)了洞內(nèi)風(fēng)速的大幅減小，但泄洪洞內(nèi)總通氣量將急劇降低，而閘室左側(cè)新建的補(bǔ)氣平洞能夠?qū)υ摬糠謸p失的風(fēng)量進(jìn)行良好的補(bǔ)償，并且泄洪洞內(nèi)總通氣量大幅超過原來的初始方案。

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(責(zé)任編輯：卓政昌)

汪旭(1988-)，男，漢族，重慶市人，畢業(yè)于四川大學(xué)水力學(xué)及河流動力學(xué)專業(yè)，助理工程師.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0102-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

中圖分類號:TV7；TV651.3 ；TU834.3+6

收稿日期:2016-02-16