夏鵬飛，劉 文，劉孝軒，胡 俊

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學院，陜西楊凌712100；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065；3.國網(wǎng)新源浙江縉云抽水蓄能有限公司，浙江麗水321400；4.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙410007）

摻氣減蝕設施的應用有著悠久的歷史，但將這一理念應用于水工建筑物經(jīng)歷了漫長的過程，最早的實踐多見于水力機械，1897年巴納比（S.W.Barnaby）和帕森斯（C.A.Parsons）于英國“果敢號”魚雷艇和數(shù)艘蒸汽機船接連出現(xiàn)螺旋槳效率嚴重下降事件后，提出了“空化”的概念［1］，在 20世紀 50年代，Stranb和Andersou進行了系統(tǒng)的水流摻氣試驗［2］。目前，空蝕空化已經(jīng)成為水利水電、水力機械、石油、化工等各行業(yè)密切關(guān)注的研究焦點。

許多學者進行了防止空蝕破壞的研究［3-4］，根據(jù)工程實際運用，普遍認為摻氣減蝕是防止空蝕破壞最經(jīng)濟、最有效的方法。摻氣減蝕的一般工程形式是：在過流面上設置摻氣挑坎或摻氣槽等［5-8］，并在其下部設通氣設施與外界大氣連通，那么當水流經(jīng)過挑坎或摻氣槽時會形成出挑射流并在其下方自然形成有空氣填充的空腔，射流水股下緣因包裹空腔而形成一定的摻氣層，出射水舌重新回落至底板時則因碰撞摻混而再次攜帶部分空氣，使下游近底壁水流形成一定厚度的水氣兩相混合流。這種近底的摻氣水流在沿程一段距離內(nèi)將保持一定的摻氣濃度值，當其值不小于有效摻氣濃度標準值時，這段距離內(nèi)過流面將受到防蝕保護。伴隨壩工技術(shù)的發(fā)展，摻氣減蝕設施推陳出新，出現(xiàn)很多為適應特定工程條件而設計的新體形［9-10］。我國針對部分高水頭大流量的泄洪洞采用了緩坡接陡坡的方式設計，而緩底坡、低弗勞德數(shù)泄洪洞上的摻氣減蝕設施［11-13］往往難以取得令人滿意的效果，一直是設計的難點，對其進行深入研究具有十分重要的意義。

通過相關(guān)試驗研究，本文提出一種布置于有壓進口處的楔形摻氣設施，可對其后所接小底坡、低弗勞德數(shù)過流明渠進行有效的摻氣保護。在有壓進口處安置楔形體，來流受楔形體上、下反弧壁面的引導被自然地分為兩股水流向前運動，楔形體末端邊界與有壓出口上、下邊界再次形成兩個類似的有壓出口，于是上、下兩股水流以有壓出流的形式自兩個出口射出，兩股射流之間因楔形體而產(chǎn)生一定高差，從而在楔形體后形成空腔分離區(qū)。楔形體內(nèi)部鏤空且與外界大氣相通，兩股射流間空腔內(nèi)的空氣不斷被卷吸進入下游，使得空腔內(nèi)部與外界大氣產(chǎn)生一定壓差，從而外界空氣經(jīng)通氣孔被“吸”進空腔內(nèi)部，形成穩(wěn)定的通氣空腔，源源不斷向水體內(nèi)部摻氣。本文對楔形體后空腔形態(tài)、摻氣濃度分布形式進行了詳細描述，以期為這種新型摻氣設施布置形式在工程中的應用提供研究支持。

1 試驗設計方案

1.1 試驗裝置

整套試驗裝置自上游至下游分為水庫、有壓進口、楔形摻氣設施、緩底坡明渠、量水堰和回水渠等部分，為了便于觀察流態(tài)等，有壓進口、楔形摻氣設施及緩底坡明渠均采用有機玻璃制作，明渠全長12 m，橫斷面為 0.15 m（寬）×0.2 m（高）的矩形斷面，明渠底坡坡比較小。楔形摻氣設施置于有壓進口處，并于楔形體兩側(cè)對稱設置通氣孔，楔形摻氣設施布置如圖1所示。圖1中：h2為楔形體末端下頂點距底板的高度，h1為楔形體末端上頂點距壓坡壁面的距離，Δ為楔形體的高度，L為楔形體長度，原點為有壓出口與緩底坡明渠的起坡處。試驗過程中，測量楔形體后明渠水流摻氣濃度所采用的儀器是中國水利水電科學研究院研制的CQ6-2005型摻氣濃度儀和探入式摻氣濃度傳感器，測量設備的分辨率為 0.1%，測量范圍為 0.0%～100.0%，采樣速度為 120 次／s，積分時間為 1～99 s。

圖1 摻氣設施布置示意

1.2 試驗條件

（1）楔形摻氣減蝕設施體形。根據(jù)實際工程中的挑坎坡比，對楔形體進行初步測試，確定楔形體上下反弧壁面，本試驗主要探討楔形體長度L對楔形體摻氣特性的影響，故楔形體的高度Δ不予改變，Δ＝4.5 cm，僅改變楔形體長度，最終選擇的4種體形，長高比分別為 L／Δ＝7、5、4、3。

（2）明渠底坡。從現(xiàn)有試驗條件綜合考慮，設定底坡i＝0.052，明渠段起始位置與有壓出流孔口相連接，孔口高度為0.24 m，定義該連接點為0點。

（3）水力條件。本試驗選取了7個有壓進口水頭，分別為 H＝1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.4、2.6 m，對應試驗流量 Q ＝ 0.100、0.120、0.130、0.140、0.150、0.155、0.157 m3／s；平均流速 v＝ 2.7～4.3 m／s；楔形摻氣設施布置高度 h2＝1.0、2.0、3.0、5.0、7.0、10.0 cm。

（4）通氣孔。為達到通氣要求，楔形摻氣設施與有壓進口連接的壁面對稱設置開口直徑為2 cm的通氣孔。

對楔形摻氣設施的初步測試顯示，楔形摻氣設施后側(cè)能形成穩(wěn)定的空腔。

2 試驗結(jié)果分析

對楔形摻氣設施4種長高比體形、6種布置高度、7個有壓進口水頭逐一進行試驗，探索楔形體體形、布置高度、來流量Q與空腔長度Lc之間的關(guān)系。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制 Lc—h2、Q—Lc關(guān)系圖，分別見圖 2和圖3。

由圖2可知，楔形體布置高度h2和流量Q對楔形體空腔長度影響較大。控制楔形體布置高度和流量兩個因素之一不變，空腔長度將隨另一因素的增大而增大。 試驗條件下，在 L／Δ＝7體形中，當 h2＝1.0 cm、H＝1.0 m 時，Lc＝10 cm；當 h2＝10.0 cm、H＝1.0 m 時，Lc＝21 cm。隨著h2的增大，空腔長度增長。

圖2 楔形體空腔長度與布置高度的關(guān)系

由圖3可知，在相同布置高度下，本試驗范圍內(nèi)各體形空腔長度的分布軌跡極為相似，都聚集在冪函數(shù)Y＝8×10-9X1.8304曲線周圍，確定系數(shù) R2＝ 0.92。 試驗條件下，當 Q＝0.10、0.13、0.15、0.16 m3／s時，4 種體形楔形體后空腔長度約為12、18、22、27 cm。試驗表明，在楔形體高度不變的情況下，僅改變空腔長度對空腔形態(tài)沒有明顯影響，因此對自身的摻氣特性影響甚微。分析原因可知：因楔形摻氣減蝕設施可在有壓進口處靈活布置，體形上將有壓出口一分為二，直接影響到有壓出口上、下兩個開口斷面的比值，進而對上、下兩股水流的流量進行分配。隨著布置高度h2的增大，上股射流的斷面面積減小，鑒于有壓進口的原因，流速在流道內(nèi)沒有較大變化，于是上股射流的弗勞德數(shù)逐漸增大，使得上股射流拋射距離加大，與此同時下股射流的斷面面積增大，水深加大，可以盡快攜帶上方射流下泄，上股射流與下股射流碰撞后產(chǎn)生的回溯水流更易被下方水股裹挾向下游明渠，這兩點均有利于促進穩(wěn)定空腔的形成和擴大，而當楔形體高度不變僅改變楔形體長度時，對出射速度及上下兩股水舌出射高差的影響甚微，對上下兩股出射水舌的弗勞德數(shù)也影響甚微，故拋射距離不會受到影響，亦難以影響空腔長度和摻氣特性。

王堯等［14］在試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著Fr的增大，空腔長度呈現(xiàn)出S形波動，即空腔長度先增大、再縮小、再增大，這是在緩底坡條件下空腔容易產(chǎn)生積水使得通氣量和水流摻氣量不斷尋求新的平衡所致。在本文探討的緩底坡明渠摻氣設施中，F(xiàn)r與空腔長度Lc的關(guān)系如圖4所示，并未完全出現(xiàn)S形波動，在布置高度h2較高的情況下，隨Fr的增大，空腔長度趨于增大，在布置高度h2＝1.0 cm的情況下，空腔長度隨Fr的增大有S形波動。究其原因：楔形摻氣減蝕設施在有壓進口的布置形式使得有壓出口一分為二，上股出射水舌提供封閉空腔，下股出射水舌在提供封閉空腔的同時還提供了動床的攜載功能，下股水流水深越大，上、下兩股射流碰撞后產(chǎn)生的回溯水流越易被下方水股裹挾向下游明渠，避免了空腔積水和波動。

另外，想要改善空腔形態(tài)，布置高度h2并非越高越好，增大布置高度雖然有助于形成空腔，但形成的空腔會遠離明渠底板，使水流流態(tài)產(chǎn)生較大波動。

圖4 弗勞德數(shù)與空腔長度的關(guān)系

圖3 各體形下空腔長度與流量的關(guān)系

以明渠段起始位置與有壓出流孔口連接處為0點，依次向下游沿程布置了8個測量摻氣濃度分布的典型斷面，分別為 x／h ＝ 0.7、1.5、4.4、8.5、13.0、17.0、21.0、25.0（x 為測點距離 0 點的底板斜距，h 為有壓出流孔口高度）。每個典型斷面的測點都是從明渠底板至水面均勻布置，其中 x／h＝0.7～8.5 斷面的測點均勻排列間隔 1 cm，x／h＝13.0～25.0 斷面的間隔 2 cm。

試驗表明，在楔形體高度不變的情況下，僅改變空腔長度的體形對自身的摻氣特性影響甚微。以L／Δ＝7體形的摻氣濃度分布情況為例（見圖5），在斷面x／h＝4.4、h2＝1.0 cm，楔形體后形成的空腔緊鄰底板，隨著流量的增大，空腔區(qū)域含氣量增大，摻氣濃度最大值 C＝8.1%。 對比斷面 x／h＝13.0、h2＝1.0 cm 的情況可知，遠離空腔后斷面的摻氣濃度最大值不再突出，漸漸趨于平緩，沿程氣泡在紊動擴散與壓力梯度的作用下逐漸向水體全斷面發(fā)展，至x／h＝13.0斷面處，水體仍受楔形體強迫摻氣的影響。對比斷面 x／h＝4.4、h2＝3.0 cm的情況可知，隨著楔形體布置高度的增大，空腔遠離底板，摻氣集中于水體中部，摻氣濃度最大值C＝6.3%，隨著水流摻氣向下游發(fā)展，沿程發(fā)展情況與h2＝1.0 cm 體形相似。

圖5 斷面摻氣濃度分布

式中：Ci為第i個測點的摻氣濃度；n為測點總數(shù)。

以體形L／Δ＝7的平均摻氣濃度分布情況為例，有壓進口設置楔形體后，在楔形體布置高度和流量交替變化下，明渠內(nèi)沿程平均摻氣濃度分布如圖6所示。對比相同布置高度、不同流量情況，以h2＝1.0為例，在各水頭運行情況下，沿程平均摻氣濃度最大值出現(xiàn)在x／h＝0.7斷面，摻氣濃度測量儀探頭幾乎進入空腔內(nèi)部，最大平均摻氣濃度 C＝19.5%；在 x／h＝1.5斷面處，平均摻氣濃度值整體減小，原因是此處為兩股射流沖擊處，摻氣還未向下游發(fā)展；在此后的典型斷面上，脫離空腔的氣泡充分擴散于水體內(nèi)部，在紊動力與浮力的作用下隨水體向下游發(fā)展，使x／h＝17斷面仍受摻氣設施的影響，在x／h＝21斷面此影響幾乎消失。由沿程底板的摻氣濃度分布可知，一定范圍內(nèi)摻氣可抵達底板。

圖6 沿程平均摻氣濃度

3 結(jié) 論

針對緩底坡、低Fr明渠存在空化空蝕的風險，影響明渠的安全運行，提出了一種布置于有壓進口處的楔形摻氣減蝕設施，通過模型試驗，對其后的空腔特性、斷面摻氣濃度等水力特性進行了研究。結(jié)果表明：

（1）該設施以自身體形特征將來流一分為二，自楔形體末端出射，下股射流有一定的攜氣能力，因此有助于減小因上、下兩股水流相遇碰撞而產(chǎn)生的較大回旋水流，緩解了空腔的積水，更益于楔形體后摻氣空腔的穩(wěn)定形成。

（2）由上、下兩股射流圍裹而成的空腔相較于傳統(tǒng)摻氣坎（槽）增大了氣水交界面積，提高了氣水紊動交換的幾率；在兩股射流沖擊點附近，上、下兩股射流對沖，紊動強度高于沖擊底板類摻氣設施的，吸入水股的氣量也更加充沛。

（3）通過調(diào)整楔形體布置高度h2，可以改善空腔形態(tài)，隨著h2的增大，空腔長度增長，但與此同時空腔會遠離明渠底板，對底板摻氣造成困難，所以h2并非越大越好。楔形摻氣設施對其后所接緩底坡明渠的沿程摻氣濃度分布有顯著影響，布置得當時氣泡可抵達底板，起到對緩底坡明渠的保護作用。