王智陽　王亮　雷艷（1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司陜西西安710065；2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710100）

小底坡泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施體型試驗(yàn)研究

王智陽王亮雷艷
（1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司陜西西安710065；2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710100）

本文以大渡河金川水電站泄洪洞為例，通過閘門不同開度，對(duì)泄洪洞摻氣設(shè)施體型的試驗(yàn)研究比較，得出了適合小底坡泄洪洞的摻氣設(shè)計(jì)體型，其不僅能形成穩(wěn)定的進(jìn)氣空腔，較好地解決了空腔的回水問題，而且對(duì)水流干擾很小，不影響洞內(nèi)水流流態(tài)。

小底坡泄洪洞；摻氣減蝕；摻氣坎；空腔回水；體型優(yōu)化

國內(nèi)外工程運(yùn)行證明，高水頭、大流量泄洪洞，其反弧段及其下游由于水流流速大，沿程水流空化數(shù)較小，易發(fā)生空化、空蝕破壞，需采取摻氣減蝕措施。實(shí)踐證明，對(duì)于大底坡泄洪洞，采用挑坎、跌坎和通氣槽相結(jié)合的摻氣設(shè)施就可以形成足夠且穩(wěn)定的空腔，達(dá)到較好的摻氣減蝕效果。但對(duì)于小底坡泄洪洞而言，在高水頭、大流量條件下，如采用常規(guī)摻氣坎，水流經(jīng)過挑坎或跌坎后，會(huì)很快落向隧洞地板，形成的空腔體積會(huì)大幅度減小，若回落水流流向上游的動(dòng)能大于緩坡形成的阻力，甚至?xí)纬煽涨换厮?，影響空腔體積及通氣效果，嚴(yán)重時(shí)有可能淹沒空腔，使摻氣減蝕設(shè)施失效反而成為空化源［1-4］。為了得到較為穩(wěn)定的空腔，通常采用模型試驗(yàn)，優(yōu)化泄洪洞的摻氣設(shè)施位置與體型，驗(yàn)證泄洪洞洞頂余幅，以保證體型的設(shè)計(jì)合理。

1　工程概況

金川水電站工程為大渡河干流規(guī)劃22級(jí)方案的第6個(gè)梯級(jí)電站，樞紐主要由混凝土堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)及右岸泄水建筑物組成，主要任務(wù)為發(fā)電，總庫容為4.8775億m3，為日調(diào)節(jié)水庫，總裝機(jī)容量為860MW。工程規(guī)模為二等大（2）型。

有壓泄洪洞進(jìn)口高程為2175.0m，軸線走向NE38.27°，經(jīng)弧形轉(zhuǎn)彎段變?yōu)镹E68°，轉(zhuǎn)彎半徑為80m，角度為60°。出口工作閘門室樁號(hào)泄0+510.00m～泄0+540.00m，底板高程為2170.0m。閘室前為有壓圓洞段（D=10m），設(shè)計(jì)底坡i=0.0104；閘室后為城門洞型無壓洞段（寬×高=8m× 12m），設(shè)計(jì)底坡i=0.03。

2　試驗(yàn)研究

2.1模型比尺及模型制作

圖2-1　第一道摻氣設(shè)施方案一

圖2-2　第一道摻氣設(shè)施方案二

考慮試驗(yàn)的精度、試驗(yàn)場(chǎng)地的大小以及有機(jī)玻璃圓管內(nèi)徑尺寸等因素，最后選取模型長度比尺Lr=42.735。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，庫區(qū)利用鋼板水箱制作，在水箱內(nèi)模擬進(jìn)口局部地形，以保證進(jìn)流相似。泄洪洞洞身全部采用有機(jī)玻璃加工制作。

2.2試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

金川水電站泄洪洞底坡i=0.03，在該坡度較緩的底坡上設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施最大的難題就是空腔回水問題。四川大學(xué)許唯臨、張立恒曾經(jīng)做過相關(guān)的試驗(yàn)［5］，試驗(yàn)認(rèn)為：摻氣坎后空腔回水的形成與空腔末端射流沖擊角有密切的關(guān)系，此角越大，空腔積水深度越大，回水越明顯［1］。該沖擊角實(shí)際上是各種水力、體型要素的綜合反映，其大小與水槽底坡、摻氣坎體型和來流水力條件等直接相關(guān)。因此，本文結(jié)合金川水電站實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)校核水位2255.00m （p=0.01%，雙江口調(diào)蓄）、校核水位2256.30m（p=0.01%，天然情況）、2253.00m （P=0.2%設(shè)計(jì)洪水）三種工況下，泄洪洞摻氣設(shè)施位置、體型、摻氣濃度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終確定合理的泄洪洞設(shè)計(jì)體型。

2.2.1第一道摻氣設(shè)施體型研究

經(jīng)計(jì)算，在泄洪洞工作閘室末端的0+540m斷面處，水流空化數(shù)已降至0.23，因此試驗(yàn)確定第一道摻氣設(shè)施設(shè)在0+540m斷面，依據(jù)底部摻氣、兩側(cè)通氣孔進(jìn)氣的原則來設(shè)計(jì)其體型，并進(jìn)行了多種方案的修改和優(yōu)化。

（1）方案一（跌槽式）

方案一采用常規(guī)跌槽式方案：試驗(yàn)首先將泄槽0+540m斷面后局部底板降低1.0m，形成摻氣槽，槽后底板高程2169.55m，與槽前形成0.45m的高差，使水流局部脫離泄槽底板，形成空腔進(jìn)行摻氣，方案一體型見圖2-1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在各工況水位下，跌坎水舌落在下游2169.55m高程平臺(tái)上，底部形成反向旋滾，導(dǎo)致?lián)綒獠蹆?nèi)嚴(yán)重積水，幾乎沒有進(jìn)氣空腔，沒有達(dá)到預(yù)期效果。

（2）方案二（挑跌坎式）

相對(duì)于跌坎及槽式摻氣設(shè)施而言，挑坎更容易形成穩(wěn)定的空腔，但其具體尺寸的確定與來流的水流特性（流量、流速、水深）和泄水建筑物底板坡度等因素有關(guān)，如果坎高過大，則對(duì)原水面的擾動(dòng)過大，將水面抬得過高而減小洞頂余幅。因此方案二在方案一的基礎(chǔ)上，于0+540m斷面處加設(shè)了坡度為1:10、坎高0.3m的小挑坎，坎后底板高程2169.17m。此外，為了減小射流沖擊角，防止回水產(chǎn)生，還將0+543.0m～0+559.23m之間的泄槽底板設(shè)計(jì)成圓弧半徑為62.14m的“反鍋底”型，詳細(xì)體型見圖2-2方案二。

圖2-3　第一道摻氣設(shè)施方案三

圖2-4　第二道摻氣設(shè)施方案一

圖2-5　第二道摻氣設(shè)施方案二

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本方案挑坎后能夠形成進(jìn)氣空腔，但空腔較小，另外“反鍋底”并不能完全消除回水，回水積聚在空腔內(nèi)，不能平順地排向下游，使空腔很不穩(wěn)定，進(jìn)氣不暢。與方案一相比較，射流底部反旋強(qiáng)度有所減弱，但是摻氣槽內(nèi)積水問題仍沒有解決。

（3）方案三（挑跌坎+弧形下彎式底板）

由方案二的結(jié)果可知，“反鍋底”體型不能解決回水問題，其上游坡對(duì)回水起了阻礙作用，所以為了使回水順利排向下游。因此，試驗(yàn)參考了Bakun溢洪道摻氣設(shè)施［6］的修改經(jīng)驗(yàn)，只保留弧形段下半部分，自其最高點(diǎn)向上改為水平，形成挑跌坎+弧形下彎式底板的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式要想消除空腔回水，必須使挑坎水舌沖擊點(diǎn)位于弧形下彎段上，且水舌底緣盡量與底板曲線接近，夾角較小，否則無論是落在上游水平段還是下游斜坡上，回水均無法消除。經(jīng)過多次對(duì)比調(diào)試，試驗(yàn)最終確定挑跌坎下面的平段高程為2169.5m，平段長度為10.0m（0+540.00m～0+550.00m之間），下彎段圓弧半徑100m，見圖2-3中方案三。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在各種運(yùn)行水位下，摻氣坎下游均能形成穩(wěn)定的空腔，回水基本消失，取得了較好的效果。因此，把方案三（挑跌坎+弧形下彎式底板）作為第一道摻氣設(shè)施的推薦方案，并將第一道坎后的泄洪洞底坡調(diào)整到0.028。

2.2.2第一道摻氣設(shè)施推薦方案試驗(yàn)結(jié)果

（1）壓力分布

經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)：設(shè)置摻氣坎后，摻氣空腔內(nèi)最大負(fù)壓值為0.13×9.8kPa，滿足規(guī)范要求；水流沖擊區(qū)及與下游底板連接的反弧上壓力較大，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大值為12.16×9.8kPa，校核水位時(shí)最大值為13.12×9.8kPa，分別出現(xiàn)在0+563.50m斷面和0+565.64m斷面。下彎段以后壓力逐漸減小，至0+583.59m斷面壓力值為6.7×9.8kPa左右，該斷面以后壓力分布與原方案變化不大。

（2）流態(tài)

試驗(yàn)觀測(cè)表明，在庫水位2213m以下時(shí)，由于洞內(nèi)流速較低，摻氣設(shè)施幾乎完全不起作用；水位在2213m～2245.0m之間時(shí)，摻氣坎后雖能形成進(jìn)氣空腔，但空腔很不穩(wěn)定，積水較多，摻氣效果較差；當(dāng)水位超過2245.0m時(shí)，摻氣坎后均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，摻氣坎后水流表面沒有明顯的沖擊波產(chǎn)生，流態(tài)較好。

（3）風(fēng)速及摻氣濃度

試驗(yàn)實(shí)測(cè)第一道坎的風(fēng)速并按照坎上平均流速和坎上韋伯?dāng)?shù)引申至原型［7］，結(jié)果表明，按照坎上流速引伸至原型的結(jié)果稍微小于按韋伯?dāng)?shù)引伸的結(jié)果，引申至原型的最大風(fēng)速為20.26m/s，只占了規(guī)范上限值（60m/s）的1/3，說明通氣孔的尺寸（2m×0.7m）偏大，還可以縮小一點(diǎn)。所以推薦方案中把第一道坎的通氣孔尺寸定為1.5m×0.6m。

此外，試驗(yàn)還測(cè)試了第一道坎泄槽臨底摻氣濃度，結(jié)果表明，在樁號(hào)0+642.56m處，泄槽臨底摻氣濃度接近于0，據(jù)此推斷，摻氣槽的保護(hù)長度應(yīng)在100m左右。實(shí)際上，由于模型中流速較小，摻氣坎下游近壁摻氣濃度實(shí)測(cè)值皆接近于零，水流摻氣狀況已嚴(yán)重失真。參考文獻(xiàn)［8］的相關(guān)理論及摻氣設(shè)施保護(hù)長度的計(jì)算方法，金川泄洪洞第一道摻氣設(shè)施的保護(hù)長度至少在150m左右。根據(jù)前面試驗(yàn)結(jié)果，在閘室后約260m的長度范圍內(nèi)水流空化數(shù)均低于0.3，因此仍不能排除發(fā)生空化空蝕的風(fēng)險(xiǎn)，需要設(shè)置第二道摻氣設(shè)施。

2.2.3第二道摻氣設(shè)施體型研究

按照第一道摻氣設(shè)施保護(hù)距離為150m計(jì)算，試驗(yàn)在0+690m處設(shè)置了第二道摻氣槽，并對(duì)其體型進(jìn)行了研究。

（1）方案一

此方案是把第一道坎的推薦方案復(fù)制到0+690m處，體型見圖2-4。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不理想，沒有形成穩(wěn)定的空腔，回水較多。這主要是因?yàn)樵摲桨感√艨哺叨冗^低，水流挑射太近，落于下彎段起始部位，導(dǎo)致射流底部產(chǎn)生反向旋滾，形成空腔回水。所以，還需對(duì)摻氣設(shè)施體型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以避免空腔回水的產(chǎn)生。

（2）方案二

試驗(yàn)對(duì)第二道摻氣設(shè)施的挑坎高度、水平段長度、下彎段圓弧半徑及連接反弧的半徑進(jìn)行了多次優(yōu)化調(diào)整，最后確定挑坎高度為0.38m，水平段長度為7m，下彎段圓弧半徑由100m變?yōu)?0m，連接反弧的半徑由25m變?yōu)?0m（體型見圖2-5）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在各運(yùn)行水位下，摻氣坎后均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，因此將此方案作為第二道摻氣設(shè)施推薦方案。

3　結(jié)語

（1）試驗(yàn)測(cè)得泄洪洞最大平均流速33.45m/s，最小水流空化數(shù)0.23，測(cè)值非常接近《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］及夏毓常［10］總結(jié)的需設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施的限值，如不設(shè)摻氣設(shè)施，泄洪洞的安全仍存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。為確保泄洪洞的運(yùn)行安全，試驗(yàn)認(rèn)為有必要設(shè)置摻氣設(shè)施。

（2）通過對(duì)摻氣設(shè)施體型的試驗(yàn)研究，在泄洪洞0+540.00m及0+690.00m斷面各設(shè)一道摻氣設(shè)施，其空腔壓力、通氣孔風(fēng)速及保護(hù)長度均可以滿足要求。摻氣設(shè)施體型可滿足小底坡運(yùn)行條件，不僅能形成穩(wěn)定的進(jìn)氣空腔，較好地解決了空腔的回水問題，而且對(duì)水流干擾很小，不影響洞內(nèi)水流流態(tài)，其各項(xiàng)參數(shù)滿足泄洪洞的正常運(yùn)行條件。陜西水利

［1］張立恒，許唯臨.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問題的試驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，（8）.

［2］孫雙科，楊家衛(wèi)，劉海濤.緩坡條件下?lián)綒鉁p蝕設(shè)施體型研究［J］.水利水電技術(shù)，2004，35 （11）:26-29.

［3］龐俊昌，苑亞珍。大型“龍?zhí)ь^”明流泄洪洞小底坡?lián)綒鉁p蝕設(shè)施的選型研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1993，（6）:61-66.

［4］吳偉偉，吳建華，阮仕平.平底泄洪洞摻氣設(shè)施體型研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2007，22 （4）:397-400.

［5］張立恒.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問題試驗(yàn)研究［D］.2006.

［6］巨江，楊紀(jì)元，劉少斌.Bakun溢洪道試驗(yàn)報(bào)告［R］.西安:西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工科分院.2005.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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