宋恒文，張 東（.本溪多益資源開發(fā)有限公司，遼寧 本溪 700；.遼寧省水利廳，遼寧沈陽700）

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水電站下坡長引水隧洞氣團運動危害性分析

宋恒文1，張 東2
（1.本溪多益資源開發(fā)有限公司，遼寧 本溪 117200；2.遼寧省水利廳，遼寧沈陽117200）

［摘 要］引水式水電站長輸下坡引水隧洞運行過程中如有氣團存在將會影響隧洞及相關設備的運行安全，甚至可能導致惡性事故的發(fā)生。本文結合案例充分分析了氣團引發(fā)的事故的嚴重性，并針對隧洞內氣團的生成原理、運動機理及其危害性進行了詳細的分析、論述。

［關鍵詞］引水遂洞；氣團；運動機理 ；危害分析

引水式電站的引水系統(tǒng)主要由進水閘門、進水口、引水隧洞、調壓井、調壓井事故閘門、壓力鋼管、機組前端進水球閥等組成，其引水隧洞長度為幾百米至十幾千米不等，運行過程中引水隧洞如有氣團存在，將直接影響其安全運行，嚴重者可能造成設備損壞，引水隧洞開裂或坍塌，造成巨大的經濟損失。因此，能全面了解氣體在隧洞中的運動規(guī)律、充分認識其危害性并采取適當?shù)拇胧隳茴A防惡性性事故的發(fā)生，保證引水系統(tǒng)的安全運行。

1 隧洞內形成氣團的氣體來源

引水隧洞中可能的氣體來源主在有3種方式。

1）隧洞進口在電站運行過程中進氣。

2）溶解在水中的氣體析出，隨水運動形成的氣泡或氣團。

天然水中溶解的氣體最大含量為2%，研究表明在其隨水運動時當壓力降低至某一值時，氣體才能從水中析出，而水在下坡引水隧洞中運動時，壓力是不斷增大的，因此溶解氣體不可能析出。再者實驗表明，小直徑汽泡在流速大于1 m/s的水中運動時，與水的相對滑移速度可忽略不計，即沒有相對運動、與水速度相同。因此，不具備形成大的氣泡和氣團的條件?？梢娙芙庥谒械臍怏w不會對引水隧洞產生不良影響。

3）充水過程中隧洞中的留存氣體

引水系統(tǒng)充水過程中未嚴格執(zhí)行規(guī)程規(guī)定，充水水流過大造成個別部位的氣團存在；或水未充滿便大開度提進水口閘門，造成隧洞內混入大量氣體。充水過程中形成的氣團大小、數(shù)量取決于隧洞復雜程度、隧洞直徑、充水方式、充水流量等諸多因素。

2 氣團運動機理及危害分析

2.1 充水過程中的流態(tài)分析

美國水錘專家馬丁的研究理論，較平坦管洞充水過程中存在6種典型氣水兩相流狀態(tài)，見圖1。 水電站引水隧洞充水之初多為層狀流和波狀流，電站引水隧洞直徑較大，采用小流量充水時，管洞內空氣會在隧洞上層由高壓井及進水口緩慢排出，隧洞內水面平穩(wěn)上升不會形成氣團。反之如引水隧洞直徑小，或充水流量相對較大時，其流態(tài)會由初始的層狀流轉為波狀流、進而轉變?yōu)槎稳鳌⒆罱K轉變?yōu)閳F狀流。

圖1 氣水兩相流狀態(tài)圖

2.2 滯留氣團形成的原理分析

下坡引水隧洞中氣團所受力包括：Ff——水的浮力；Fn——氣團與水流間的粘滯阻力；Fm——氣團與管洞壁間的摩擦力。氣團受到的浮力使氣團與流動的水體之間產生較大的滑移速度，且氣團體積越大越明顯，甚至可使其逆水而行。氣團受到的粘滯阻力與氣團和水流間的速度梯度有關，速度梯度越大，粘滯阻力也就越大。氣泡及小氣團受到的粘滯阻力比浮力要小得多，會被水流以較快速度帶走（與水流間的滑移速度較?。?。氣團越大，其受到的浮力就越大，前進的速度就越小。這樣在隧洞足夠長的情況下，小的氣泡或氣團必定會追上大的氣團形成更大的氣團，這是氣團體積變大的原因之一。再者，當氣團體積達到一定程度形成氣阻后，為維持固定流量，水流流經氣團時，流速會增大，而水壓會降低，溶解于水中小氣泡將在一定程度上被釋放。這是氣團體積變大的又一原因。但這并不是說氣團體積可一直持續(xù)增大：當氣團形成氣阻后，氣團下方的水流速度增快，水體與氣團間的粘滯阻力會增大，氣團體積很難維持不變，氣團有可能會被水流沖散并帶向下游，并最終由高壓井排出。下坡隧洞中，當氣團體積適當，維持不變，也就是當補充的氣體與水流攜走的氣體達到平衡時，且各受力的合力達到平衡時，氣團便能在隧洞某一部位滯留。

發(fā)電過程中，如隧洞進氣量小，形成一個滯留氣團后被水攜帶沖向下游的氣體體積不足以形成一個穩(wěn)定的滯留氣團時，則此部分氣體將最終由調壓井排出，這樣隧洞內將只有一個滯留氣團存在。反之，如隧洞進氣量大，則極有可能有多個氣團滯留在隧洞內。氣團的體積大小、數(shù)量及滯留的位置情況與隧洞長度、隧洞形狀、隧洞直徑、隧洞坡度、隧洞壁的粗糙度及水流速度等諸多因素有關，因此無法進行定量分析。

電站長輸下坡引水隧洞中的滯留氣團是在動態(tài)過程中產生的，機組停運、隧洞內水無流速的情況下，氣團不可能長時間存在，會在浮力的作用下從進水口或調壓井排出水面。

2.3 氣團的危害影響分析

2.3.1 影響隧洞的輸水效率，影響機組出力

氣團在隧洞內如形成氣阻，將改變水流通過該區(qū)段的流態(tài)，使輸水效率受到不同程度的影響；再者，如隧洞內氣體的總體積較大，會使機組進水口處壓力下降，降低機組運行的有效水頭，使機組在開度不變的情況下，出力降低。

2.3.2 氣團內產生高壓，危害隧洞洞體安全

當引水系統(tǒng)的運行狀態(tài)發(fā)生突變，氣團也會發(fā)生相應的變化。一種情況：電站機組突然大幅度增加負荷。此時機組的過機流量突然增大，隧洞內水體流速亦增大，一定時間內氣團下游側水體的流速大于其上游側水體流速，氣團體積變大，氣團內壓力突然降低，并形成負壓；之后，其上游側水體在重力及負壓作用下作加速運動，擠壓氣團，使氣團體積遠小于其原有體積，其內部產生極具破壞力高壓，其周圍水體也在負壓及氣團移動過程中反復拍擊洞壁，并發(fā)出巨大聲響。另一種情況：電站機組突然大幅度減負荷（或甩負荷）。在此情形下，也會出現(xiàn)上述的往復振蕩沖擊現(xiàn)象，所不同的是，首先出現(xiàn)的是上、下游水體擠壓氣團所形成的高壓。著名的美國水錘專家V.L.Streeter在其著作《瞬變流》中有一個算例：一個水位為30 m的水池，底部引出60 m長的水平管，其直徑為1 m，在距管末端12 m一段存有空氣，空氣初始絕對壓力為102 kPa，當在0.95 s內打開管道端閥門時，在接近2.5 s時空氣壓力猛增至2 331 kPa，可見由于氣團存在所引起管道壓力振蕩的嚴重程度。

2.3.3 氣團高速上浮引起的沖擊危害

當下坡引水隧洞中流動水體停止流動時，滯留的氣團受到的粘滯阻力減小，在浮力的作用下開始上升。專家針對氣泡在水中的上浮情況進行過針對性的研究論證，得出了水泡上浮時的運動規(guī)律，這些規(guī)律在一定程度上對大體積的氣團也是適用的：①直徑大的氣泡上升速度快。②氣泡越大，其上升過程中所達到的最大穩(wěn)定速度越高。③氣泡上升過程中由于所受水壓力減小，其體積逐漸變大。④運動中遇到阻力會變成規(guī)避阻力的流線型（胖黃瓜形狀），不但能減小阻力，而且可獲得更大的加速度。⑤氣泡可能會在上浮到某個階段發(fā)生破裂。其破裂只是由一個較大的氣泡分裂成幾個較小的氣泡，破裂的直接原因不是壓強減小，而是由于壓力減小，氣泡的體積逐漸變大，氣泡越大。所以，上升速度加快。但是由于氣泡的體積增大，氣泡接觸水的面積也增大，其受到的阻力也增大了。在氣泡較小時，其表面張力相對集中，不易分裂。但在氣泡變大后，表面張力不足以維持住大型氣泡的水的運動，就會在迎面水流的阻力下分

裂成幾個小部分。

電站機組突然甩負荷或停機時，引水隧洞內水體在很短時間內由流動轉為靜止，位于隧洞末端的調壓井水位在此時間段內達到最高，產生水錘效應，之后洞內水體在水錘作用下作加速的反向流動，此時滯留于洞內的氣團在浮力作用下借助水流速度向進水口作加速上浮運動。氣團由進水口排出時會產生強烈的沖擊波，體積受到壓力及洞體限制的氣團在排出的一瞬間，其內部壓力得到釋放，加之其極高的運行速度，因此會產生類似爆炸的效果，對進水口設備造成破壞。

氣團造成的危害性事故de發(fā)生，與進氣量多少、氣團數(shù)量、氣團體積、氣團滯留位置、進水口形式、隧洞長度、隧洞形狀、隧洞直徑、隧洞坡度、隧洞壁的粗糙度、水流運行狀態(tài)改變的程度、改變的速度快慢等諸多因素有關，只有在各種條件組合滿足的情況下才能引發(fā)事故。

3 案例分析

禮河3組水電站1971年1月8日事故：電站1號機組試運行時，在球閥下游未充水而為氣柱的情下，發(fā)出開動球閥信號。幾秒時間內突然一聲巨響，水壓表瞬時下降至40 kg/cm2，而后又突升到90 kg/cm2。停機后檢查發(fā)現(xiàn)：1號高壓平洞的34號和36號管段爆裂，其中34號管段裂縫長2.15 m、寬2~3 mm；36號管段裂縫長4.4 m，寬4~5 mm。此事故屬典型的壓力水流沖擊大體積氣團引發(fā)的高壓危害事故。

4 結論

引水式電站隧洞內氣體可能來源有：溶解空氣析出、充水未完成、進水口進氣。條件具備時，氣團能在隧洞的流動水體中滯留，如進氣量大有可能在不同部位形成多個滯留氣團。在一定條件下，氣團的存在會影響輸水效率、會降低機組出力；氣團部位會產生極具破壞力的高壓及振蕩；氣團由進水口排出時會產生強烈的沖擊波。案例充份展示了由于氣團引發(fā)的事故的嚴重性，因此建議相關發(fā)電企業(yè)要積極采取針對性措施，杜絕此類事故的發(fā)生。

［參考文獻］

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［中圖分類號］TV554

［文獻標識碼］A

［文章編號］1002－0624（2016）06－0063－02

[收稿日期]2015-12-20