馬 斌， 魏建根， 王孝群,3,4， 杜帥群， 練繼建,3,4

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550081； 3.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院， 河北 邯鄲 056038；4.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 邯鄲 056038)

1 研究背景

泄洪洞作為高壩建設(shè)運(yùn)行中重要的泄水建筑物，洞內(nèi)的高速水流會(huì)造成諸多安全問(wèn)題，其中水流空化空蝕極易引起泄洪洞的破壞。自1935年巴拿馬Madden壩輸水道進(jìn)口發(fā)生空蝕破壞[1]以來(lái)，Hoover壩的泄洪洞反弧段[2]、Glen Canyon壩的溢洪洞反弧段下游[3]、龍羊峽水電站底孔泄槽邊壁[4]、二灘水電站泄洪洞摻氣坎下游底板和邊墻[5]等都遭受過(guò)較為嚴(yán)重的空蝕破壞。在明流泄洪洞的過(guò)流表面，科學(xué)合理地設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施是目前解決泄洪洞空化空蝕問(wèn)題的一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。摻氣設(shè)施的摻氣效果除與其自身的結(jié)構(gòu)布置條件有關(guān)以外，還與泄洪洞內(nèi)的通風(fēng)補(bǔ)氣條件密切相關(guān)。若補(bǔ)氣洞的尺寸設(shè)置過(guò)小，供氣能力不足，泄洪洞內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓，導(dǎo)致壓差不足以驅(qū)動(dòng)洞頂余幅中的氣體流入摻氣豎井，影響摻氣減蝕設(shè)施的摻氣效果，從而增大了空化空蝕的可能性，同時(shí)還可能造成閘門振動(dòng)、補(bǔ)氣洞及閘室內(nèi)的風(fēng)速過(guò)高、噪聲強(qiáng)度過(guò)大[6-7]等危害。因此，為了保證泄洪洞的安全運(yùn)行，需要預(yù)測(cè)通風(fēng)量并對(duì)通氣設(shè)施的合理尺寸進(jìn)行研究。針對(duì)預(yù)測(cè)補(bǔ)氣洞通風(fēng)量的相關(guān)研究，部分學(xué)者[8-10]對(duì)已有的泄洪洞原型觀測(cè)資料和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析，擬合得到了預(yù)測(cè)通風(fēng)量的經(jīng)驗(yàn)公式，然而這些公式多以水流Fr作為主要參數(shù)，形式簡(jiǎn)單且精度較差[11]，通風(fēng)量估算結(jié)果誤差較大，這可能會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)氣洞尺寸被設(shè)置得過(guò)小；另一部分學(xué)者[12-14]則從理論分析的角度來(lái)計(jì)算通風(fēng)量，對(duì)預(yù)測(cè)通風(fēng)量具有重要的指導(dǎo)意義，但這些研究成果主要是針對(duì)小型泄洪洞且只適用于單補(bǔ)氣洞的場(chǎng)景。而對(duì)于許多高水頭、大流量的長(zhǎng)泄洪洞，往往需要布設(shè)多條補(bǔ)氣洞才能使其供氣順暢，此方法將不再適用于這些較為復(fù)雜的通風(fēng)補(bǔ)氣工程場(chǎng)景。除此之外，岳書波等[15]通過(guò)模型試驗(yàn)研究分析了泄洪洞進(jìn)氣量與水流Fr的關(guān)系；李美玲等[16]采用三維紊流模型分析了通風(fēng)洞面積對(duì)泄洪洞通氣量的影響；Salazar等[17]利用粒子有限元方法(particle finite element method，PFEM)模擬了不同開(kāi)度下大壩底孔出口的水-氣相互作用，并將模擬結(jié)果與原型觀測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比；劉昉等[18]基于錦屏一級(jí)水電站原型觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了泄洪洞通氣量的平衡特性；Lian等[19]運(yùn)用通過(guò)推導(dǎo)建立的單泄洪洞-多補(bǔ)氣洞供氣一維理論模型，研究了泄洪洞通氣流場(chǎng)特性并對(duì)補(bǔ)氣洞截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，還將模型計(jì)算的補(bǔ)氣洞通風(fēng)量、泄洪洞負(fù)壓等結(jié)果與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)、三維數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

目前，對(duì)于多條泄洪隧洞聯(lián)合泄洪補(bǔ)氣的相關(guān)研究寥寥無(wú)幾，故本文以如美水電站為例，針對(duì)其多洞聯(lián)合泄洪系統(tǒng)的布置形式，構(gòu)建起如美水電站多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)的理論分析模型，研究多洞聯(lián)合泄洪系統(tǒng)的通氣特性，分析泄洪洞洞頂余幅需氣量與補(bǔ)氣洞供氣能力之間的平衡關(guān)系對(duì)多洞聯(lián)合泄洪系統(tǒng)通氣特性的影響，并以此來(lái)進(jìn)行泄洪洞洞身截面高度及其補(bǔ)氣豎井截面尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)理論模型

2.1 如美水電站工程概況

如美水電站泄洪系統(tǒng)由1條泄洪洞與3條溢洪洞組成，隧洞補(bǔ)氣設(shè)施由1條主補(bǔ)氣洞及4條補(bǔ)氣豎井連接組合而成，如圖1所示。泄洪洞與溢洪洞在PMF(probable maximum flood)工況下最大下泄流量為12 699 m3/s，泄洪最大水頭為272 m，最大泄洪功率為33 400 MW，最大流速為49.07 m/s。

溢洪洞引渠底板高程為2 860.00 m，設(shè)置3個(gè)開(kāi)敞式孔口，孔口尺寸為15 m×22 m(寬×高)。溢流堰采用WES曲線實(shí)用堰，WES曲線后接半徑R=40 m的反弧段。1#、2#、3#溢洪洞無(wú)壓隧洞段長(zhǎng)度分別為643、719、763 m ，底坡均為3%，洞身均采用城門洞型結(jié)構(gòu)，隧洞凈斷面尺寸為15.0 m×21.4 m(寬×高)，凈斷面面積為302.24 m2。泄洪洞由進(jìn)水塔、無(wú)壓隧洞段等組成，進(jìn)水塔底板高程為2 827.00 m，其內(nèi)設(shè)置弧形工作閘門，閘門孔口尺寸為7 m×13 m(寬×高)，底部設(shè)置跌坎摻氣豎井。泄洪洞無(wú)壓隧洞段長(zhǎng)743 m，底坡為8.5%，洞身斷面型式為城門洞型，凈斷面尺寸為11.0 m×16.5 m(寬×高)，凈斷面面積為171.34 m2。溢洪洞與泄洪洞共用1條主補(bǔ)氣洞，主補(bǔ)氣洞及4條補(bǔ)氣豎井布置在溢洪洞頂部樁號(hào)0+445.000 m的位置；4條補(bǔ)氣豎井均為圓形斷面，斷面半徑r=2.5 m，其頂部在2 885.00 m高程處與主補(bǔ)氣洞相連；主補(bǔ)氣洞洞身為城門洞型斷面，斷面尺寸為9.0 m×12.6 m(寬×高)。

圖1 如美水電站多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)示意圖(單位：m)

2.2 理論計(jì)算模型及其驗(yàn)證

基于泄洪隧洞內(nèi)的水力特性以及如美水電站多條泄洪隧洞的組合連接形式特點(diǎn)，分別對(duì)各泄洪隧洞無(wú)壓段以及主補(bǔ)氣洞的供氣系統(tǒng)進(jìn)行微元?jiǎng)澐趾凸?jié)點(diǎn)設(shè)置，如圖 2所示，圖2還顯示了各條補(bǔ)氣豎井的供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖和洞內(nèi)水-氣分層示意圖。

圖2 如美水電站多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)微元?jiǎng)澐趾凸?jié)點(diǎn)設(shè)置示意圖

首先將洞內(nèi)水流和氣流的運(yùn)動(dòng)視為一維分層流動(dòng)[19]，再對(duì)泄洪隧洞進(jìn)行微元段劃分，并定義各個(gè)微元段斷面上的水流流速、氣流流速以及氣壓等參數(shù)(均為斷面平均值，見(jiàn)圖 2中洞內(nèi)水-氣分層流)。從能量、質(zhì)量守恒及氣動(dòng)平衡的角度出發(fā)，對(duì)泄洪隧洞任一微元段建立起水流運(yùn)動(dòng)方程式(1)和氣流運(yùn)動(dòng)方程式(2)、(3)：

(1)

式中：y(i)為斷面i的洞底板高程，m；pa(i)為斷面i的洞頂余幅氣壓，Pa；hw(i)為斷面i的水深，m；vw(i)為斷面i的水流流速，m/s；ρw為水的密度，kg/m3；θ為洞底板與水平面之間的夾角，(°)； ΔHf為水流流經(jīng)斷面i和斷面i+1之間的微元段產(chǎn)生的水頭損失，m；g為重力加速度，m/s2。

(2)

va(i)Aa(i)=va(i+1)Aa(i+1)

(3)

(4)

(5)

(6)

主補(bǔ)氣洞及補(bǔ)氣豎井作為供氣系統(tǒng)的重要組成部分，其通氣特性主要由每條補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速及通風(fēng)量等通氣參數(shù)(均為斷面平均值)來(lái)測(cè)定，因此需在主補(bǔ)氣洞與補(bǔ)氣豎井的相連位置以及補(bǔ)氣豎井的末端截面定義相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)以測(cè)定這些通氣參數(shù)，詳見(jiàn)圖 2中供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖。由于壓差作用，氣流在主補(bǔ)氣洞內(nèi)匯聚，根據(jù)伯努利方程，對(duì)主補(bǔ)氣洞進(jìn)氣口內(nèi)、外節(jié)點(diǎn)的壓差建立方程式(7)：

(7)

式中：p1為主補(bǔ)氣洞與第1條補(bǔ)氣豎井相連位置節(jié)點(diǎn)的斷面氣壓，Pa；v1為主補(bǔ)氣洞與第1條補(bǔ)氣豎井相連位置節(jié)點(diǎn)的斷面風(fēng)速，m/s；λ為沿程阻力系數(shù)，可由莫迪圖查得；L為主補(bǔ)氣洞進(jìn)口位置的節(jié)點(diǎn)至第1條補(bǔ)氣豎井節(jié)點(diǎn)的距離，m；dz為主補(bǔ)氣洞的等效直徑，m；ξi為氣流進(jìn)入主補(bǔ)氣洞產(chǎn)生的局部損失系數(shù)。氣流經(jīng)主補(bǔ)氣洞匯入第j條補(bǔ)氣豎井時(shí)，在主補(bǔ)氣洞與補(bǔ)氣豎井的相連位置從單一氣源形式變?yōu)閮陕贩至鳉庠矗瑢?duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)間應(yīng)滿足方程式(8)、(9)、(10)：

(8)

(9)

vjAz=vj+1Az+vejAj

(10)

式中：pj為主補(bǔ)氣洞與第j條補(bǔ)氣豎井相連位置節(jié)點(diǎn)的斷面氣壓，Pa；vj為主補(bǔ)氣洞與第j條補(bǔ)氣豎井相連位置節(jié)點(diǎn)的斷面風(fēng)速，m/s；ξj為氣流在主補(bǔ)氣洞與第j條補(bǔ)氣豎井相連位置轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的局部損失系數(shù)；pej為第j條補(bǔ)氣豎井末端截面的氣壓，Pa；vej為第j條補(bǔ)氣豎井末端截面的風(fēng)速，m/s；Az為主補(bǔ)氣洞的截面面積，m2；Aj為第j條補(bǔ)氣豎井的截面面積，m2；lj為第j條補(bǔ)氣豎井的長(zhǎng)度，m；dj為第j條補(bǔ)氣豎井的直徑，m；lj, j+1為氣流由節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)j+1的距離，m。

對(duì)于主補(bǔ)氣洞末端處的最后1條(第k條)補(bǔ)氣豎井，已不存在氣流分流問(wèn)題，故將其與第k-1條補(bǔ)氣豎井節(jié)點(diǎn)之間的方程簡(jiǎn)化如下：

(11)

(12)

vk-1Az=vek-1Ak-1+vekAk

(13)

式中：pk為主補(bǔ)氣洞與最后1條補(bǔ)氣豎井相連位置節(jié)點(diǎn)的斷面氣壓，Pa；vk為主補(bǔ)氣洞與最后1條補(bǔ)氣豎井相連位置節(jié)點(diǎn)的斷面風(fēng)速，m/s；lk-1,k為最后兩條補(bǔ)氣豎井軸線之間的距離，m；lk為最后1條補(bǔ)氣豎井的長(zhǎng)度，m；dk為最后1條補(bǔ)氣豎井的直徑，m；ξk為氣流在主補(bǔ)氣洞與最后1條補(bǔ)氣豎井相連位置轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的局部損失系數(shù)；pek為最后1條補(bǔ)氣豎井末端截面的氣壓，Pa；vek為最后1條補(bǔ)氣豎井末端截面的風(fēng)速，m/s。Ak為最后1條補(bǔ)氣豎井的截面面積，m2。

最終氣流經(jīng)補(bǔ)氣豎井匯入各條泄洪隧洞(見(jiàn)圖 2中補(bǔ)氣豎井處的氣流匯入)。利用氣流能量與質(zhì)量輸入方程建立補(bǔ)氣豎井末端截面的節(jié)點(diǎn)與泄洪隧洞洞頂余幅微元段節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，具體方程參考文獻(xiàn)[19]。

利用本文的理論分析模型以及文獻(xiàn)[8]、[9]、[10]、[12]中采用的方法，分別對(duì)糯扎渡水電站右岸泄洪洞和錦屏一級(jí)水電站泄洪洞的各條補(bǔ)氣洞通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，并與其原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 本文及相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)實(shí)例工程泄洪洞通風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可見(jiàn)，相較于以往相關(guān)文獻(xiàn)中采用的僅能預(yù)測(cè)閘后單補(bǔ)氣洞通風(fēng)量的方法，本文提出的理論分析模型不僅可以預(yù)測(cè)閘后補(bǔ)氣洞的通風(fēng)量，還能預(yù)測(cè)下游每條補(bǔ)氣洞的通風(fēng)量，且各條單補(bǔ)氣洞通風(fēng)量和總通風(fēng)量的預(yù)測(cè)結(jié)果與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。因此，對(duì)于通氣設(shè)施布置較為復(fù)雜的泄洪洞，本文理論分析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性，可為相似工程泄洪洞的補(bǔ)氣洞尺寸的選擇提供參考依據(jù)。

3 多洞聯(lián)合泄洪系統(tǒng)通風(fēng)補(bǔ)氣特性

當(dāng)上游引渠水位為2 896.11 m時(shí)，如美水電站泄洪系統(tǒng)中4條泄洪隧洞閘門全開(kāi)泄流，其中，泄洪洞流量為2 689.14 m3/s，3條溢洪洞流量均為3 336.62 m3/s。利用多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)理論模型，對(duì)如美水電站多條泄洪隧洞的沿程水流流速以及氣流流速和氣壓等通氣參數(shù)(均為斷面平均值)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 本文理論分析模型對(duì)如美水電站泄洪洞水流及通氣參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

如圖 3 (a)所示，4條泄洪隧洞的水流流速沿程大小變化規(guī)律基本一致，均沿程逐漸增大，泄洪洞沿程的水流流速明顯大于溢洪洞水流流速；溢洪洞水流流速在出口位置處稍有減小，這是溢洪洞出口附近的坡度發(fā)生變化所導(dǎo)致的；在主補(bǔ)氣洞位置，由于外部氣流的匯集，4條泄洪隧洞的氣流流速突然增大，但隨水流流速的持續(xù)增加和水深的持續(xù)減小，洞頂余幅空間不斷增大，使得氣流流速在整體上呈現(xiàn)沿程減小的趨勢(shì)；4條泄洪隧洞沿程的氣流流速均小于水流流速，符合隧洞內(nèi)氣流受到水流拖曳作用的實(shí)際情況；至于各條泄洪隧洞補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速，泄洪洞補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速最大，為52.67 m/s；3條溢洪洞補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速則與隧洞長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)隧洞對(duì)應(yīng)的風(fēng)速較大，即各溢洪洞風(fēng)速大小排序?yàn)?#>2#>1#。如圖 3 (b)所示，4條泄洪隧洞內(nèi)的洞頂余幅最大負(fù)壓均發(fā)生在起始斷面，其中，泄洪洞內(nèi)的負(fù)壓明顯大于3條溢洪洞的負(fù)壓，但尚能接受；各條隧洞的負(fù)壓沿水流方向逐步減小，趨近于大氣壓力；在主補(bǔ)氣洞位置，4條隧洞的負(fù)壓與氣流流速的突增相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。

在上述泄洪系統(tǒng)的通氣流場(chǎng)特性分析中，洞頂余幅高度和補(bǔ)氣豎井截面尺寸是影響洞內(nèi)負(fù)壓、通風(fēng)量等通氣參數(shù)的重要因素。若洞頂余幅高度太小，則可能會(huì)造成隧洞內(nèi)通氣不暢和負(fù)壓過(guò)大等問(wèn)題；若洞頂余幅高度過(guò)大，泄洪隧洞的補(bǔ)氣效果可能會(huì)受到影響；補(bǔ)氣豎井截面尺寸則直接影響洞內(nèi)風(fēng)速和通風(fēng)量的大小，兩者共同調(diào)節(jié)著泄洪系統(tǒng)的通氣能力，所以選擇合適的洞頂余幅高度與補(bǔ)氣豎井截面尺寸對(duì)于改善洞內(nèi)的通氣條件十分關(guān)鍵。由于泄洪洞的負(fù)壓與補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速明顯大于3條溢洪洞，因而這兩處更易發(fā)生危險(xiǎn)，所以本文后續(xù)內(nèi)容將僅對(duì)泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井的截面面積進(jìn)行調(diào)整，分析這兩者之間的平衡關(guān)系對(duì)泄洪洞自身、3條溢洪洞以及主補(bǔ)氣洞的影響。

4 泄洪洞洞頂余幅與補(bǔ)氣豎井的平衡關(guān)系

4.1 對(duì)泄洪洞通氣參數(shù)的影響

為分析泄洪洞的洞頂余幅高度對(duì)洞內(nèi)負(fù)壓、通風(fēng)量等通氣參數(shù)的影響，仍以庫(kù)水位為2 896.11 m時(shí)4條泄洪隧洞閘門全開(kāi)泄流作為基本工況。首先保持泄洪洞補(bǔ)氣豎井的截面尺寸不變，創(chuàng)建以0.02H間隔遞增的0.5H～3.0H的泄洪洞洞身截面高度(洞頂余幅高度)變化區(qū)間，并取泄洪洞在樁號(hào)0+122.64 m處的洞頂余幅負(fù)壓、補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量及閘室通風(fēng)量等通氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖 4所示。

圖4 泄洪洞洞頂不同余幅下其洞頂余幅氣壓及通風(fēng)量的變化

由圖4可見(jiàn)，隨著泄洪洞洞頂余幅高度的增大，樁號(hào)0+122.64 m處的洞頂余幅負(fù)壓經(jīng)歷了3個(gè)區(qū)間的變化，即減小-增大-再減小，出現(xiàn)了極小值和極大值(圖4(a))；泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量、閘室通風(fēng)量以及泄洪洞總通風(fēng)量均呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，出現(xiàn)了極大值(圖4(b))。具體分析如下：

在泄洪洞相對(duì)余幅到達(dá)極值點(diǎn)25.9%之前，其洞頂余幅空間過(guò)于狹小，洞內(nèi)氣流的流動(dòng)受到極大的阻礙，通氣十分不暢，泄洪洞整體的通氣水平受到洞頂余幅空間大小的限制。隨著泄洪洞洞頂余幅空間的增大，泄洪洞閘室通風(fēng)量相比于泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量有明顯提升，說(shuō)明此區(qū)間內(nèi)閘室所提供的通風(fēng)量就能夠滿足泄洪洞的需氣量要求；隨著泄洪洞洞頂余幅空間的繼續(xù)增大(相對(duì)余幅超過(guò)25.9%)，泄洪洞的需氣量持續(xù)加大，雖然閘室供氣量仍在增加，但此時(shí)僅靠閘室的供氣已無(wú)法滿足其要求，因此泄洪洞還需通過(guò)加大洞身內(nèi)外壓差來(lái)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)氣豎井進(jìn)行供氣，即增大洞頂余幅負(fù)壓和補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量。然而在洞頂相對(duì)余幅大于52.1%以后，閘室通風(fēng)量不再增加，原因在于，洞頂余幅的持續(xù)增大導(dǎo)致水-氣拖曳力不足以將補(bǔ)氣豎井中的全部氣流拖向下游，殘余氣流將流向隧洞上游形成漩渦阻擾上游氣流的流動(dòng)[21]，從而抑制了閘室的供氣，此時(shí)通氣壓力逐漸移向下游的補(bǔ)氣豎井，補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量占比的增大導(dǎo)致泄洪洞總通風(fēng)量增加；在洞頂相對(duì)余幅增大至55.1%以后，洞內(nèi)逆向氣流的形成使得水流對(duì)氣流的拖曳作用受到阻礙，隧洞的斷面平均風(fēng)速降低，洞內(nèi)負(fù)壓隨之減小，洞內(nèi)外壓差也相應(yīng)減小，這時(shí)洞內(nèi)總通風(fēng)量本應(yīng)下降，但其卻在相對(duì)余幅達(dá)到58.4%時(shí)才開(kāi)始逐漸減小，原因在于，泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量與洞頂余幅負(fù)壓的相互作用共同造成了泄洪洞總通風(fēng)量極值點(diǎn)的偏移：在如美水電站多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)中影響泄洪洞補(bǔ)氣豎井供氣能力的因素除泄洪洞洞頂余幅及其補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量之外，還包括溢洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量，所以在泄洪洞相對(duì)余幅大于55.1%以后的洞內(nèi)外壓差減小的狀態(tài)下，泄洪洞補(bǔ)氣豎井的通氣能力仍有富余來(lái)滿足泄洪洞總通風(fēng)量的需求，使得總通風(fēng)量在相對(duì)余幅達(dá)到58.4%時(shí)才開(kāi)始減小，而這種富余通風(fēng)量即來(lái)自于減弱溢洪洞補(bǔ)氣豎井的供氣量(詳見(jiàn)后文4.2節(jié))。當(dāng)相對(duì)余幅達(dá)到63.2%后，洞內(nèi)逆向氣流造成的極大阻礙作用才使得補(bǔ)氣豎井的通風(fēng)量不再增加。

為探究泄洪洞的補(bǔ)氣豎井截面尺寸與其洞頂余幅高度之間的平衡關(guān)系，將泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面面積分別縮放至0.50A、0.75A、1.00A和1.25A，再對(duì)泄洪洞的洞頂余幅負(fù)壓及其補(bǔ)氣豎井和閘室的通風(fēng)量、風(fēng)速、洞頂余幅氣壓變化等參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果如圖 5所示。

圖 5表明，隨著泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面面積的增大，其通風(fēng)量極大值在不斷增加(圖5(a))，而相應(yīng)的風(fēng)速極大值變化規(guī)律則相反(圖5(b))，這主要是因?yàn)樾购槎囱a(bǔ)氣豎井截面面積的擴(kuò)大減小了阻力系數(shù)，使得外部氣流的匯入更加通暢，在其風(fēng)速減小的同時(shí)能夠增大其通風(fēng)量；在泄洪洞洞頂相對(duì)余幅小于25.9%時(shí)，不同泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸下的豎井通風(fēng)量均會(huì)被過(guò)小的洞頂余幅所限制；泄洪洞的閘室風(fēng)速極大值隨其補(bǔ)氣豎井截面尺寸的增加而略有減小(圖5(c))；泄洪洞的補(bǔ)氣豎井截面面積對(duì)泄洪洞洞頂余幅負(fù)壓的影響較弱，兩個(gè)負(fù)壓極值基本不會(huì)隨其補(bǔ)氣豎井截面尺寸的增大而變化，僅在相對(duì)余幅為55.1%附近，負(fù)壓會(huì)隨之略微減小(圖5(d))。

4.2 對(duì)溢洪洞通氣參數(shù)的影響

3條溢洪洞的補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量及其在樁號(hào)0+122.64 m處的洞頂余幅負(fù)壓隨泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井截面面積的變化如圖 6所示。

由圖6可以看出，3條溢洪洞的補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量隨泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井截面面積的增加經(jīng)歷了與泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量變化完全相反的過(guò)程(圖6(a)、6(c)、6(e))：在泄洪洞洞頂相對(duì)余幅小于25.9%時(shí)，泄洪洞補(bǔ)氣豎井不同截面尺寸下的各條溢洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量均沒(méi)有顯著的變化，隨著泄洪洞洞頂余幅高度的不斷增加，溢洪洞補(bǔ)氣豎井的通氣能力呈逐漸減弱后又提升的變化過(guò)程，其間通風(fēng)量出現(xiàn)極小值。這表明泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量的增大會(huì)削弱溢洪洞補(bǔ)氣豎井的供氣，且隨泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸的增加，這種弱化效應(yīng)越加明顯。其中，1#溢洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量的變化最為顯著，在泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸增加至1.25A時(shí)，1#溢洪洞在局部余幅區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)氣流的回流現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)影響到1#溢洪洞下游水流自摻氣的效果，致使相關(guān)水力特性發(fā)生改變，所以工程中不宜采用過(guò)大的泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸以避免溢洪洞補(bǔ)氣豎井內(nèi)的氣流在大流量泄洪時(shí)發(fā)生倒流。泄洪洞洞頂余幅高度與補(bǔ)氣豎井截面面積的變化對(duì)3條溢洪洞的洞頂余幅負(fù)壓幾乎沒(méi)有影響(圖6(b)、6(d)、6(f))。

圖5 泄洪洞不同洞頂余幅及其補(bǔ)氣豎井截面面積下泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量、風(fēng)速、閘室風(fēng)速及洞頂余幅氣壓的變化

圖6 泄洪洞不同洞頂余幅及其補(bǔ)氣豎井截面面積下3條溢洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量及洞頂余幅氣壓的變化

4.3 對(duì)主補(bǔ)氣洞通風(fēng)量的影響

主補(bǔ)氣洞通風(fēng)量為4條泄洪隧洞補(bǔ)氣豎井的通風(fēng)量之和，其大小隨泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井截面尺寸的變化如圖7所示。

圖7表明，主補(bǔ)氣洞通風(fēng)量主要受到泄洪洞補(bǔ)氣豎井的影響，所以其變化趨勢(shì)與泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量類似：在泄洪洞洞頂相對(duì)余幅小于25.9%時(shí)，不同泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸下的主補(bǔ)氣洞通風(fēng)量基本保持不變，這對(duì)應(yīng)了在此余幅區(qū)間內(nèi)4條泄洪隧洞補(bǔ)氣豎井的通風(fēng)量受限于泄洪洞洞頂余幅高度的情況；在泄洪洞洞頂相對(duì)余幅大于25.9%之后，主補(bǔ)氣洞通風(fēng)量各條曲線才相繼發(fā)生偏離，出現(xiàn)通風(fēng)量極大值，且此極值隨泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面面積的增加而增大。

若需進(jìn)行泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井截面尺寸的優(yōu)化，以減小泄洪洞負(fù)壓以及閘室和補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速，則應(yīng)協(xié)同考慮這兩者之間的平衡關(guān)系對(duì)各條隧洞內(nèi)通氣參數(shù)的影響，根據(jù)如美水電站泄洪洞常用大流量工況(2 663.04 ～2 821.33 m3/s)，確定其洞頂相對(duì)余幅主要分布在51.0%左右(圖4)。選擇泄洪洞洞頂余幅負(fù)壓極小值對(duì)應(yīng)的相對(duì)余幅25.9%作為參考點(diǎn)，適當(dāng)減小其洞身截面高度既可以降低其洞內(nèi)負(fù)壓，又能減小其閘室及補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速，但風(fēng)速的降低意味著通風(fēng)量的下降，所以可考慮增加泄洪洞補(bǔ)氣豎井的截面面積，這樣不僅可以增大其通風(fēng)量，還會(huì)進(jìn)一步降低其風(fēng)速。然而，采用更大的泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面面積會(huì)減小溢洪洞補(bǔ)氣豎井的通風(fēng)量，甚至可能會(huì)造成1#溢洪洞的氣流回流，因此，為保證溢洪洞補(bǔ)氣豎井的正常通風(fēng)，泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面面積的選取不可過(guò)大。

5 結(jié) 論

本文基于如美水電站由1條泄洪洞與3條溢洪洞構(gòu)成的多條泄洪隧洞聯(lián)合泄洪系統(tǒng)，結(jié)合水-氣分層流理論，建立了如美水電站多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)理論計(jì)算模型，對(duì)多條泄洪隧洞的沿程氣流流速及負(fù)壓等通風(fēng)補(bǔ)氣特性進(jìn)行了研究，分析了泄洪洞洞頂余幅及其補(bǔ)氣豎井之間的平衡特性對(duì)4條泄洪隧洞洞頂余幅負(fù)壓及補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量等參數(shù)的影響。主要結(jié)論如下：

(1)4條泄洪隧洞的氣流流速沿程逐漸減小，但在補(bǔ)氣豎井位置由于氣流的匯入會(huì)導(dǎo)致氣流流速發(fā)生突升；洞頂余幅負(fù)壓沿程不斷減小，在補(bǔ)氣豎井位置會(huì)發(fā)生相應(yīng)的突增；泄洪洞補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速最大，溢洪洞補(bǔ)氣豎井風(fēng)速的大小則隨隧洞長(zhǎng)度的增加而增大，即各溢洪洞風(fēng)速大小排序?yàn)?#>2#>1#。

(2)對(duì)于泄洪洞，隨著其洞頂余幅高度的增加，其洞頂余幅負(fù)壓經(jīng)歷了減小-增大-再減小的過(guò)程，出現(xiàn)極小值和極大值并存的3個(gè)分區(qū)；其補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速和通風(fēng)量先增大后減小，出現(xiàn)極大值，當(dāng)采用更大的泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面面積時(shí)，能在降低其風(fēng)速極大值的同時(shí)增大其通風(fēng)量極大值。

(3)對(duì)于3條溢洪洞，洞頂余幅負(fù)壓基本不受泄洪洞洞頂余幅及其補(bǔ)氣豎井的影響；泄洪洞補(bǔ)氣豎井通氣能力的增強(qiáng)會(huì)削弱溢洪洞補(bǔ)氣豎井的供氣，所以溢洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量隨泄洪洞洞頂余幅高度的增加經(jīng)歷了先減小后增大的過(guò)程，且隨著泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸的增大，極值點(diǎn)處的補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量不斷減小，甚至?xí)斐?#溢洪洞的氣流回流現(xiàn)象。

(4)隨著泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井截面尺寸的增大，主補(bǔ)氣洞通風(fēng)量的變化趨勢(shì)與泄洪洞補(bǔ)氣豎井通風(fēng)量一致，具有極大值。若要優(yōu)化泄洪洞體型以降低洞內(nèi)負(fù)壓及風(fēng)速，應(yīng)綜合考慮泄洪洞洞頂余幅高度及其補(bǔ)氣豎井的截面面積對(duì)供氣系統(tǒng)整體的影響，可選擇泄洪洞負(fù)壓極小值作為參考點(diǎn)，適當(dāng)減小其洞頂余幅高度，同時(shí)增大其補(bǔ)氣豎井的截面面積來(lái)進(jìn)一步降低補(bǔ)氣豎井的風(fēng)速，但為確保溢洪洞補(bǔ)氣豎井的正常補(bǔ)氣，泄洪洞補(bǔ)氣豎井截面尺寸的選取不可過(guò)大。