張志剛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

我國(guó)高山峽谷眾多，大多數(shù)水利樞紐位于峽谷之中，往往壩高超過(guò)100m，泄洪洞均采用“龍?zhí)ь^”或“龍落尾”式布置。峽谷建壩受地形條件制約，在泄洪洞外布置泄洪消能建筑物較為困難，而采用挑流式消能，不僅帶來(lái)嚴(yán)重的沖刷問(wèn)題，泄洪霧化問(wèn)題對(duì)高壩邊坡穩(wěn)定造成巨大影響。相比之下，將導(dǎo)流洞變成泄洪消能隧洞，通過(guò)內(nèi)消能方式將能量耗散，不僅很好的解決了庫(kù)區(qū)霧化問(wèn)題，與傳統(tǒng)消能方式對(duì)比，更是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流態(tài)穩(wěn)定、水流參數(shù)易于控制等許多優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

1 孔板消能工的分類(lèi)

孔板是一種新型的內(nèi)消能工，洞內(nèi)高速流動(dòng)水流在消能工的阻滯作用下，流線(xiàn)發(fā)生突變，并在孔板下游出現(xiàn)明顯漩渦區(qū)，局部水流在此發(fā)生紊動(dòng)、混摻并形成強(qiáng)烈的內(nèi)部剪切作用。研究表明孔板式內(nèi)消能工能量耗散主要集中于孔板下游漩渦區(qū)水流剪切流動(dòng)造成的能量耗散[4-6]。并且由于過(guò)水?dāng)嗝娉叽缤蝗桓淖儯植繅毫Πl(fā)生突變，受水流紊動(dòng)影響，脈動(dòng)壓力的突然增加消耗大部分能量。

根據(jù)孔板布局形式，大體可將該內(nèi)消能工劃分為單級(jí)孔板消能工和多級(jí)孔板消能孔板消能工兩大類(lèi)。多級(jí)消能結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程運(yùn)行中具有更好的適用性，例如我國(guó)著名的小浪底樞紐工程，利用三級(jí)孔板結(jié)構(gòu)，成功將導(dǎo)流洞轉(zhuǎn)變?yōu)樾购槎?，不僅大幅度降低工程投資，更是有效避免了傳統(tǒng)消能工占地大，施工難度高的問(wèn)題[7-9]。在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，孔板結(jié)構(gòu)衍生出多種變形，改變孔板下游水流特性。例如附加消渦環(huán)、對(duì)孔板邊緣形態(tài)的優(yōu)化。各種不同形狀的孔板如圖1所示。

圖1 各種不同形狀的孔板

2 孔板的研究現(xiàn)狀

孔板消能工通過(guò)局部斷面的收縮在短距離內(nèi)形式巨大水損，達(dá)到消能目的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)孔板水流流態(tài)、空化特性進(jìn)行大量研究。波達(dá)(Borda) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究提出著名的計(jì)算突擴(kuò)水流水頭損失的公式，為今后孔板式內(nèi)消能工推廣奠定了基礎(chǔ)。早在突擴(kuò)(縮)式消能工應(yīng)用于工程實(shí)踐之前, 國(guó)外的M.Fossa、Joseph Katz、B.C.Kim、Guohui Gan Keiichi Sato 以及M.Stieglmeier等眾多學(xué)者對(duì)水力特性及空化影響做出大量研究，并提出雷諾數(shù)是影響孔板式內(nèi)消能工消能率重要因素之一。

孔板式內(nèi)消能工(見(jiàn)圖2)在實(shí)際工程中成功運(yùn)用，不僅推進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)突擴(kuò)(縮)結(jié)構(gòu)水力特性的研究，更關(guān)注到孔板銳緣結(jié)構(gòu)對(duì)局部流態(tài)的影響。

圖2 孔板消能工示意圖

孔板式內(nèi)消能工的收縮比是影響消能效率的重要因素之一，張建民對(duì)收縮比0.4-0.7的收縮水流數(shù)值模擬研究中提出突縮比ζ和收縮段相對(duì)長(zhǎng)度η與消能率的相關(guān)關(guān)系。

倪漢根在其實(shí)驗(yàn)中捕捉到孔板下游的環(huán)狀空化云，并利用解析算法對(duì)空化問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，提出孔板式消能工局部脈動(dòng)壓力及初生空化數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,才君眉、趙慧琴分別對(duì)孔板收縮段流速場(chǎng)與壓力場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析了孔板流場(chǎng)特性,并深入研究了孔板內(nèi)緣型式對(duì)流場(chǎng)影響規(guī)律，論證了脈動(dòng)壓力振幅概率分布的正態(tài)性和最大振幅取值范圍。向桐、李中義、陳霞、陳美法、許唯臨等諸多學(xué)者或通過(guò)水工模型試驗(yàn)和理論分析的方法,或通過(guò)數(shù)值模擬的方法, 都對(duì)孔板消能工的水力特性進(jìn)行過(guò)大量研究[10-12]。

3 孔板消能工在實(shí)際工程中的運(yùn)用

小浪底水利樞紐為世界首次在高水頭泄洪洞中運(yùn)用孔板消能的設(shè)計(jì)，同時(shí)也是當(dāng)今世界上規(guī)模最大的孔板式洞內(nèi)消能工。工程位于三門(mén)峽水利樞紐下游130km、河南省洛陽(yáng)市以北40km的黃河干流上，最大壩高154m，屬于典型的峽谷河道水庫(kù)。由于黃河含沙量巨大，高速下泄水流容易對(duì)泄洪建筑物造成沖刷破壞。小浪底工程3條孔板泄洪洞，洞徑14.5m，采用三級(jí)孔板消能結(jié)構(gòu)，使洞內(nèi)流速大幅度降低，有效緩解了減緩了高速含沙水流對(duì)襯砌的磨蝕, 延長(zhǎng)了隧洞的安全運(yùn)用期和檢修周期。整體來(lái)看，小浪底水利樞紐工程不僅是導(dǎo)流洞重復(fù)利用的良好范例,而且對(duì)推動(dòng)洞內(nèi)消能工的發(fā)展有積極意義[13-15]。

山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程北干線(xiàn)輸水流量為22.2m3/s，其壓力洞段總長(zhǎng)約290m，總水頭差約154m，工程在壓力洞平直段設(shè)置多級(jí)孔板消能工，孔板段整體坡度僅為1/500。與小浪底水利工程相比，大梁水庫(kù)放水洞具有高水頭小泄量的特點(diǎn),其放水水頭約155m，最大下泄流量為20m/s。

兩個(gè)工程分別代表了，多級(jí)孔板在高水頭，大小流量條件下洞內(nèi)消能的運(yùn)用。小浪底導(dǎo)流洞改建為永久孔板泄洪洞為具有高水頭、高流速和高含沙水流的泄洪建筑物的消能方式開(kāi)創(chuàng)一條新途徑，也驗(yàn)證了在泄洪洞，面對(duì)大流量孔板結(jié)構(gòu)消能效果顯著、消能率高、消煞的能量大多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能被水帶走，并因孔板消能大大降低洞內(nèi)斷面的平均流速，可減輕高含沙水流對(duì)襯砌邊壁的磨損；放水洞是常年泄水建筑物，并具有高水頭，小泄量的特點(diǎn)，同時(shí)高水頭,小泄量問(wèn)題具有一定的普遍性和典型性。

4 孔板空化特性

根據(jù)實(shí)際工程觀測(cè)結(jié)果，孔板式內(nèi)消能工在下游低尾水位條件下運(yùn)行具有一定風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)需要嚴(yán)格控制上游閘門(mén)運(yùn)行水位，否則易在泄洪洞內(nèi)形成不穩(wěn)定氣團(tuán)。多級(jí)孔板消能結(jié)構(gòu)下，末級(jí)孔板下游或孔塞內(nèi)低壓區(qū)易形成空蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，這對(duì)工程運(yùn)行管理提出更高要求[16-18]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)孔板空化特性展開(kāi)大量研究。

研究成果表明，因過(guò)水?dāng)嗝婕眲】s小，孔板消能工造成局部水流發(fā)生分離，其特殊結(jié)構(gòu)迫使局部形成低壓區(qū)，極其容易引起空蝕破壞。整體來(lái)看，孔板的主要空化源有兩個(gè)，一個(gè)為孔板上游角隅處的漩渦空化，到下游后立即潰滅；另一個(gè)為孔板下游射流的剪切層。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)孔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔板阻力系數(shù)增加的同時(shí)，下游水流的紊動(dòng)也愈發(fā)強(qiáng)烈，雖可大幅度提高消能效率，空化發(fā)生幾率也大幅增高。并提出初生空化數(shù)是孔徑比和阻力系數(shù)的函數(shù)，并隨孔徑比的增大而減小。

5 脈動(dòng)壓力特性

孔板流動(dòng)是一個(gè)近似軸對(duì)稱(chēng)的分離流動(dòng)，其流場(chǎng)具有顯著的分區(qū)特性。在孔板下游側(cè)邊壁附近,存在狹長(zhǎng)的回流區(qū)。由于水流的漩滾造成消能工下游產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)?？装逑掠尉哂胁痪鶆蛐耘c高紊動(dòng)性，迫使主流與回流區(qū)之間形成不穩(wěn)定界面，并隨著向下游推移不停擺動(dòng)，在局部形成脈動(dòng)壓力變化。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)孔板附近洞內(nèi)脈動(dòng)壓力的研究中提出，下游孔板附近為脈動(dòng)壓力峰值點(diǎn)，隨著遠(yuǎn)離孔板壓力逐漸下降，并最終呈現(xiàn)全斷面均化。多級(jí)孔板消能結(jié)構(gòu)由于存在多個(gè)孔板結(jié)構(gòu)，會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)性趨勢(shì)。受結(jié)構(gòu)影響，孔徑比、孔板體型是影響脈動(dòng)壓力變化的重要因素，為減小脈動(dòng),孔徑比≤0.75。諸多研究表明孔板銳緣的角度弧度越大，水流紊動(dòng)約弱，脈動(dòng)壓力也隨之減小。

6 結(jié) 語(yǔ)

小浪底水利樞紐工程孔板消能結(jié)構(gòu)的成功運(yùn)用，為高水頭、高含沙條件下的泄洪建筑物的消能提供新的思路。我國(guó)中西部地區(qū)，受地形條件制約，往往無(wú)法在布設(shè)大規(guī)模消能建筑物，孔板消能工不僅解決了大單寬流量泄洪建筑物投資過(guò)大的問(wèn)題，尤其內(nèi)消能結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單，不受條件制約，是中西部地區(qū)峽谷高壩泄洪消能的選擇之一，具有較為廣闊的發(fā)展空間。