周　赤，姜伯樂(lè)，邢　巖

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

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適宜大流量小底坡?lián)綒庠O(shè)施的翼型挑坎研究

周赤，姜伯樂(lè)，邢巖

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

大流量小坡度泄洪洞布置的摻氣減蝕設(shè)施，往往存在空腔偏短及空腔回水等問(wèn)題。根據(jù)大流量小底坡泄洪洞摻氣設(shè)施已有的研究和應(yīng)用成果，提出了翼型挑坎的摻氣設(shè)施布置，以求解決上述問(wèn)題。針對(duì)涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程1#泄洪洞，開(kāi)展了水工模型試驗(yàn)研究，比較了不同翼型挑坎布置型式對(duì)摻氣設(shè)施水力特性的影響，論證了翼型挑坎對(duì)于減輕摻氣設(shè)施空腔回水的有效性。通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究，確定了翼型挑坎摻氣設(shè)施的基本布置型式，為進(jìn)一步開(kāi)展研究和推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

泄洪洞；摻氣設(shè)施；翼型挑坎;水工模型試驗(yàn);水庫(kù)擴(kuò)建

1　研究背景

摻氣減蝕設(shè)施是應(yīng)用于高速水流條件下減免溢流面空蝕破壞的有效方法。大流量小底坡泄洪洞布置的摻氣減蝕設(shè)施，往往存在空腔回水問(wèn)題，避免空腔回水是大流量小底坡泄洪洞摻氣設(shè)施面臨的重要難題。

當(dāng)水流處于大單寬流量、低Fr數(shù)條件下，重力影響十分顯著，空腔區(qū)流線產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲，摻氣空腔內(nèi)容易形成回水，空腔回水對(duì)摻氣設(shè)施的水力及摻氣特性有明顯影響，減少水氣交界面，并削弱水流的摻氣效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致回水封堵進(jìn)氣孔，出現(xiàn)空腔消失的不利流態(tài)，影響摻氣設(shè)施的正常運(yùn)行。楊永森等[1]通過(guò)試驗(yàn)研究與理論分析建立了空腔回水尺寸的計(jì)算式、穩(wěn)定空腔的臨界條件；張立恒等[2]對(duì)坡底i=0.09的泄槽摻氣減蝕設(shè)施空腔回水進(jìn)行了研究，認(rèn)為在試驗(yàn)條件下，當(dāng)射流沖擊角>9°時(shí)空腔回水開(kāi)始出現(xiàn)；王海云等[3]從摻氣坎后空腔區(qū)的三維形態(tài)考慮，提出了一種V型槽式摻氣坎，試驗(yàn)研究表明能有效減弱或消除空腔回水；孫雙科等[4]結(jié)合小灣工程泄洪洞的摻氣減蝕進(jìn)行了研究，提出了凹型摻氣坎；李延農(nóng)等[5]結(jié)合三板溪水電站泄洪洞摻氣設(shè)施試驗(yàn)研究，提出了摻氣設(shè)施后接圓弧底板以減輕回水；吳偉偉等[6]通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，提出在摻氣坎下游加設(shè)貼坡，形成局部順坡，使射流底緣與下游固體邊界的沖擊角減小，有助于抑制回溯水流的產(chǎn)生；徐一民等[7]通過(guò)數(shù)值計(jì)算，分析了泄槽底坡對(duì)摻氣坎射流空腔回水的影響，隨泄槽底坡增大，空腔積水減弱，不同體型摻氣坎的臨界沖擊角是不一樣的；羅永欽等[8]對(duì)變坡處的摻氣坎回水現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出了在變坡處可能存在一個(gè)臨界值，在臨界高度以下，挑坎高與淹沒(méi)回水成正比關(guān)系，在臨界高度以上，挑坎高與淹沒(méi)回水成反比關(guān)系；湯君等[9]根據(jù)兩河口水電站放空洞摻氣減蝕試驗(yàn)研究成果，分析得出當(dāng)坡度為i=0.085時(shí)，產(chǎn)生穩(wěn)定空腔的臨界弗氏數(shù)約為3.9；劉超等[10]通過(guò)二灘水電站大型龍?zhí)ь^明流泄洪洞試驗(yàn)研究，提出以Tmax(過(guò)坎射流最高點(diǎn)至底板的距離)及空腔回水作為其體型優(yōu)化的主要目標(biāo)，良好的摻氣坎應(yīng)使空腔回水最小時(shí)，Tmax也較小，小底坡條件下，三維摻氣坎較二維連續(xù)坎有明顯的優(yōu)勢(shì)；李靜等[11]通過(guò)長(zhǎng)河壩水電站泄洪洞模型試驗(yàn)，研究比較了低Fr數(shù)條件下?lián)綒庠O(shè)施下游底坡型式，認(rèn)為只有圓弧連接才能適應(yīng)長(zhǎng)河壩水電站泄洪洞頭兩道摻氣設(shè)施，基本減免了空腔回水，形成了穩(wěn)定空腔。

上述研究成果表明，摻氣設(shè)施形成空腔回水的影響因素包括下游底坡和摻氣挑坎型式2個(gè)方面。本文研究提出的翼型摻氣挑坎，能夠較好地調(diào)整出坎水流，使得水流落點(diǎn)沿?cái)嗝婊疽恢?，從而起到減輕空腔回水的作用。

2　模型設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為瀟水涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程1#泄洪洞，其采用有壓短管進(jìn)口形式，底板高程260.0m， 弧形工作閘門(mén)尺寸10m×8m(寬×高)；洞身底寬10m,高12m，縱坡i=6.2%，全長(zhǎng)573m；出口高程224.5m，挑流消能，布置見(jiàn)圖1。

圖1　瀟水涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程1#泄洪洞布置Fig.1　Layout of spillway tunnel 1# of model test

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)局部模型，長(zhǎng)度比尺Lr=40。模型采用有機(jī)玻璃制作，模擬范圍包括有壓短管進(jìn)口及部分明流洞，模擬原型長(zhǎng)度約240m。試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)條件Table 1　Test conditions

3　研究方案及翼型挑坎布置

試驗(yàn)研究的摻氣設(shè)施布置方案見(jiàn)圖2，除了直線挑坎外，比較優(yōu)化了3種翼型挑坎布置。由于摻氣坎上最大流速約為29m/s，水深8m，流量達(dá)2 300m3/s，底坡為6.2%，為典型的大流量低Fr數(shù)小底坡泄洪洞，空腔回水極易封堵?lián)綒饪涨弧Ｓ捎谛购槎炊瓷砀叨认拗?，只宜設(shè)置小挑坎；而泄洪洞的底坡設(shè)置，使得摻氣坎下游局部變坡的坡度和長(zhǎng)度均受到限制。因此布置摻氣設(shè)施難度較大，所以在研究挑坎布置之前，首先對(duì)摻氣設(shè)施下游局部底坡進(jìn)行了優(yōu)化并確定了如圖2所示下游底坡銜接型式。圖2(a)為常規(guī)的直線挑坎布置，摻氣坎為0.9m的跌坎加0.1m高挑坎組合，坎后設(shè)5m平臺(tái)，其上布置2.5m×0.9m(長(zhǎng)×高)的通氣孔，平臺(tái)后的斜坡坡度局部調(diào)整為15%，水平長(zhǎng)度為30m，后接4.28%的斜坡與6.2%底坡相接。翼型挑坎摻氣設(shè)施布置僅0.1m高小挑坎采用翼型挑坎，其余布置與直線挑坎相同。所謂翼型挑坎，就是根據(jù)水流流速斷面分布特性，采用的挑坎兩邊高且距離長(zhǎng)、中間低且距離短。圖2(b)—圖2(d)為翼型挑坎的3種不同參數(shù)布置：翼型挑坎1兩邊高0.2m,中間為0；翼型挑坎2兩邊高0.2m,中間高0.1m且有5m寬直線；翼型挑坎3兩邊高0.3m,中間高0.15m且有2.5m寬直線。

圖2　研究方案摻氣設(shè)施布置Fig.2　Layouts of aeration devices in different cases

4　方案比較研究成果

試驗(yàn)研究主要通過(guò)摻氣空腔形態(tài)及流態(tài)觀測(cè)，進(jìn)行方案比較。試驗(yàn)成果表明，對(duì)于直線挑坎，在各級(jí)庫(kù)水位下，跌坎后均形成不穩(wěn)定的空腔，回水上溯越上平臺(tái)，將通氣孔部分或全部封堵。

對(duì)于翼型挑坎1基本上可以形成穩(wěn)定的空腔，但因兩側(cè)水流的落點(diǎn)明顯比中間水流遠(yuǎn)，空腔回水較多，且回水偶爾封堵通氣孔，分析原因主要是中部水流挑距較近；翼型挑坎2也可形成基本穩(wěn)定的空腔，但回水也較多，且回水偶爾也會(huì)封堵通氣孔，分析原因主要是兩側(cè)挑坎所占比例較小，兩側(cè)水流落點(diǎn)與中間水流落點(diǎn)基本一致；翼型挑坎3空腔回水大為減輕，跌坎后形成穩(wěn)定的空腔，雖然空腔回水也高于平臺(tái)，但回水基本穩(wěn)定，不會(huì)封堵通氣孔，翼型挑坎3空腔形態(tài)特征值成果見(jiàn)表2，空腔主要形態(tài)特征示意見(jiàn)圖3所示。

表2　翼型挑坎3空腔形態(tài)特征Table 2　Cavity characteristics of airfoil flip bucket No.3

注：Smax為水舌內(nèi)緣跌落處距挑坎最遠(yuǎn)距離

圖3　翼型挑坎3空腔形態(tài)示意Fig.3　Sketch of cavity characteristics of airfoilflip bucket No.3

綜上，在同樣下游底坡條件下，選擇合適的翼型挑坎布置，可以有效地減輕摻氣空腔的回水，形成完整穩(wěn)定的摻氣空腔。

5　結(jié)　論

在總結(jié)已有關(guān)于大流量小底坡泄洪洞摻氣設(shè)施布置豐富的研究和應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，提出了翼型挑坎的摻氣設(shè)施布置，通過(guò)多種翼型挑坎布置的試驗(yàn)研究比較，對(duì)此類型挑坎摻氣設(shè)施的水力特性有了充分認(rèn)識(shí)，并基本確定了翼型挑坎的一般布置型式，論證了翼型挑坎對(duì)于減輕空腔回水的有效性。研究成果為涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程1#泄洪洞摻氣設(shè)施布置優(yōu)化提供了依據(jù)，并為進(jìn)一步研究完善翼型挑坎布置及其推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[1]楊永森,楊永全,帥青紅.低Fr數(shù)流動(dòng)跌坎摻氣槽的水力及摻氣特性[J].水利學(xué)報(bào),2000,31(2):27-31.

[2]張立恒,許唯臨.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問(wèn)題的試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2006,6(15):2388-2389.

[3]王海云,戴光清,楊慶,等.V型摻氣坎在龍?zhí)ь^式泄洪洞中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(11):1371-1374.

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

[5]李延農(nóng),王怡.解決大流量、小底坡泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問(wèn)題的一種辦法[C]//泄水工程與高速水流.長(zhǎng)春:吉林人民出版社,2004:43-45.

[6]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):397-402.

[7]徐一民,楊紅宣,趙偉,等.泄槽底坡對(duì)摻氣坎射流空腔積水的影響[J].水利水電技術(shù),2009,40(12):47-51.

[8]羅永欽,張紹春,李仕勝.變坡處摻氣坎空腔回水研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,34(1):199-202.

[9]湯君,劉善均.兩河口水電站放空洞摻氣減蝕實(shí)驗(yàn)研究[J].吉林水利,2009,(1):15-17.

[10]劉超,張光科,張光碧,等.小底坡、低Fr數(shù)泄洪洞摻氣坎體型優(yōu)化研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2007,39(2):30-35.

[11]李靜,胡國(guó)毅.泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施空腔回水研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2013,30(8):50-53.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Airfoil Flip Bucket for Aeration Devices with High Flow and Small Slope

ZHOU Chi,JIANG Bo-le,XING Yan

(DepartmentofHydraulics,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

Problemssuchascavitybackwaterandshortdimensionareusuallyfoundintheaerationdevicesofspillwaytunnelwithhighflowandsmallslopegradient.Inthispaper,anairfoilflipbucketwasputforwardaccordingtoexistingresearchresultandpracticalapplicationaimingtosolvetheaboveproblems.Withthephysicalmodeltestonspillwaytunnel1#intheexpansionprojectofCentianhereservoirasacasestudy,theeffectsofdifferentconfigurationsofairfoilflipbucketonthehydrauliccharacteristicsofaerationdeviceswerecompared,andtheeffectivenessofairfoilflipbucketinrelievingcavitybackwaterofaerationdeviceswasalsodemonstrated,andthebasiclayoutpatternwaseventuallydeterminedbythephysicalmodeltest.Thisstudylaysafoundationforfurtherresearchandpopularization.

spillwaytunnel;aerationdevices;airfoilflipbucket;hydraulicmodeltest;reservoirexpansion

2015-07-23;

2015-09-14

周赤(1963-)，男，湖南岳陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水工水力學(xué)研究，(電話)027-82927343(電子信箱)zhouchi@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20150625

2016,33(09):57-59

TV651

A

1001-5485(2016)09-0057-03