王康柱

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 問(wèn)題的提出

隨著西藏4 000 m高海拔地區(qū)水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，所在地區(qū)大氣氣壓較低，泄水建筑物在高速水流的作用下，極易發(fā)生空蝕破壞，與廣大較低海拔地區(qū)相比較泄水建筑物破壞性更大。然而，高海地區(qū)水工模型試驗(yàn)難度較大，無(wú)法準(zhǔn)確模擬高海拔地區(qū)實(shí)際外部環(huán)境，若高海拔地區(qū)泄水建筑物發(fā)生空蝕破壞，將直接威脅水利水電工程的安全運(yùn)行，因此，有必要研究高海拔對(duì)高速水流空化數(shù)的影響。本文研究并提出高海拔地區(qū)水電工程泄水建筑物防空蝕破壞設(shè)計(jì)原則以及相應(yīng)的措施，為高海拔地區(qū)泄水建筑物防空蝕破壞設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 高海拔地區(qū)防空蝕破壞的設(shè)計(jì)研究

2.1 高速水流的空蝕破壞機(jī)理分析

(1) 空蝕破壞現(xiàn)狀分析

一般情況，當(dāng)水流流速大于12～15 m/s時(shí)，就會(huì)發(fā)生空蝕破壞；當(dāng)水流流速大于20 m/s，空蝕破壞增至6～8倍；當(dāng)水頭大于150 m，水流流速大于50 m/s時(shí)，空蝕破壞程度增加為流速15 m/s時(shí)的40倍；當(dāng)水流流速大于22～26 m/s時(shí)，僅依靠改善流線型體型，提高過(guò)流面平整度和采用抗沖耐磨常規(guī)措施，收效甚微，利用摻氣減蝕更為有效。當(dāng)水流流速30～35 m/s時(shí)，需要采用人工強(qiáng)迫摻氣，即設(shè)置摻氣坎、摻氣槽等，門(mén)槽段結(jié)合鋼板襯砌。當(dāng)水流流速大于40 m/s時(shí)，傳統(tǒng)措施難于奏效，水流中摻入1%～8%空氣，可減輕或防止空蝕破壞，8%可完全防止空蝕破壞。DL/T 5166-2002《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)流速超過(guò)30 m/s時(shí)應(yīng)設(shè)置摻氣設(shè)施。SL 253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)流速超過(guò)35 m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)置摻氣設(shè)施。

(2) 空蝕的判斷

σ為水流空化數(shù)，σi建筑物體型初生空化數(shù)。σ>σi不會(huì)發(fā)生空化水流，不會(huì)產(chǎn)生空蝕；σ≤σi發(fā)生空化水流，可能產(chǎn)生空蝕。當(dāng)水流流經(jīng)具有一定幾何形狀的邊壁、水流空化數(shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，就會(huì)在邊壁某處出現(xiàn)空化，這時(shí)的水流空化數(shù)稱(chēng)為該部位體型的初生空化數(shù)。初生空化數(shù)σi應(yīng)通過(guò)減壓箱或高速水流循環(huán)水洞試驗(yàn)測(cè)定。水工建筑物體型初生空化數(shù)σi，閘墩墩頭為0.2～1.15，墩頭為流線型初生空化數(shù)σi比較??；閘門(mén)槽為矩形門(mén)槽σi=0.6～0.8，門(mén)槽下游坎斜坡圓化處理σi=0.4～0.6，門(mén)槽下游流線處理初生空化數(shù)?。谎呙婢植窟吰绿?根據(jù)邊坡夾角)σi=0.3；泄槽(由不平整度確定)σi=0.32；挑流鼻坎分流墩σi=0.12～0.8；消力池內(nèi)消力墩σi=0.95～1.45。溢洪道泄槽、泄洪洞明流無(wú)壓洞底板和側(cè)墻初生空化數(shù)σi=0.3，水流空化數(shù)σ≤0.3區(qū)域易發(fā)生空蝕破壞。

根據(jù)水工建筑物的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，空蝕破壞一般都在流速大于15 m/s時(shí)發(fā)生。因此，為避免發(fā)生空蝕，對(duì)于流速接近15 m/s的過(guò)水建筑物，如進(jìn)口、門(mén)槽、消力墩和挑坎等，宜慎重選擇其體型，對(duì)于流速接近20 m/s的區(qū)域，更需要予以重視。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，溢洪道、泄洪洞的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)流速超過(guò)35 m/s的部位均可產(chǎn)生空蝕破壞。

2.2 不同海拔地區(qū)對(duì)工程所在地大氣壓力的影響

對(duì)不同海拔地區(qū)高程，相對(duì)于海平面，每增加900 m，較標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力水柱高降低1 m，高程為海平面以上高度。不同高程處大氣壓力水柱高的估算公式如下：

Ha=1.33-▽/900

(1)

公式(1)中：ha為工程所在地大氣壓力水柱高(見(jiàn)表1)，m；▽為工程所在地海拔高程，m。

表1 不同的海拔地區(qū)大氣壓力水頭Ha

2.3 高海拔地區(qū)對(duì)高速水流空化數(shù)的影響

水流空化數(shù)σ計(jì)算公式如下：

(2)

公式(2)中：h0為計(jì)算斷面處時(shí)均動(dòng)水壓力水柱高m；ha為計(jì)算斷面處大氣壓力水柱高m；hv為與水溫相關(guān)水的汽化壓力水柱高，m；v為計(jì)算斷面平均流速水頭m。

某溢洪道泄槽流量7 300 m3/s，寬25 m，泄槽底坡i=0.1，混凝土糙率n=0.014。1000 m海拔及以下地區(qū)，水溫15 ℃，水的汽化壓力水頭hv=0.17；1 000 m海拔以上地區(qū)，水溫10 ℃，水的汽化壓力水頭hv=0.13。計(jì)算在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù)的分布規(guī)律(見(jiàn)表2～14)。岸邊開(kāi)敞式溢洪道布置見(jiàn)圖1，岸邊開(kāi)敞式溢洪道縱剖面見(jiàn)圖2。

表2 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=16.22 m、v =18 m/s)

表3 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=14.6 m、v =20 m/s)

表4 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=13.27 m、v =22 m/s)

表5 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=12.17 m、v =24 m/s)

表6 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=11.68 m、v =25 m/s)

表7 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=11.45 m、v =25.5 m/s)

表8 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=11.2 m、v =26 m/s)

表9 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=11.02 m、v =26.5 m/s)

表10 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=10.81 m、v =27 m/s)

表11 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=10.62 m、v =27.5 m/s)

表12 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=10.43 m、v =28 m/s)

表13 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù) (h=9.44 m、v =30.95 m/s)

表14 某溢洪道在不同的海拔地區(qū)高速水流空化數(shù)(h=8.34 m、v =35 m/s)

從表2～14分析得出，當(dāng)σ<0.3時(shí)，不同海拔地區(qū)發(fā)生空蝕破壞的臨界流速見(jiàn)表15。因此，海拔越高，發(fā)生空蝕破壞的臨界流速越低，4 000 m高海拔地區(qū)泄水建筑物極易發(fā)生空蝕破壞，臨界流速為24 m/s。

表15 不同的海拔地區(qū)易發(fā)生空蝕破壞高速水流臨界流速(σ<0.3)

3 實(shí)際運(yùn)行工程實(shí)例分析

3.1 海拔2 610.00 m龍羊峽水電站泄水建筑物防空蝕設(shè)計(jì)

龍羊峽水電站所在地海拔高程2 610.00 m，發(fā)生空蝕破壞的臨界流速25 m/s，泄水建筑物防空蝕破壞措施尤為重要。泄水建筑物沿高程分4層布置，分別為表孔、中孔、深孔、底孔。表孔為右岸岸邊溢洪道，其他均屬壩內(nèi)有壓孔口泄流，明渠泄槽沿兩岸山坡布置。

岸邊溢洪道由溢流壩、明渠泄槽、曲面貼角窄縫挑流鼻坎組成。堰頂高程2 585.50 m，弧形閘門(mén)孔口尺寸12 m×17.5 m(寬×高)，鼻坎處最大水頭107 m，泄槽最大流速40 m/s，泄槽設(shè)置2道摻氣槽。泄洪中孔位于河床左岸，工作閘門(mén)位于有壓段末端，底坎高程2 540.00 m，孔口尺寸5 m×7 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭60 m，最大水頭67 m，相應(yīng)最大流速39 m/s。出壩后為明渠泄槽、挑流鼻坎。泄槽最大流速37 m/s，在陡坡段內(nèi)設(shè)置1道摻氣槽。泄洪深孔位于12號(hào)壩段，工作閘門(mén)位于有壓段末端，底坎高程2 505.00 m，孔口尺寸5 m×7 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭95 m，最大擋水水頭102 m，相應(yīng)最大流速38.8 m/s。出壩后為明渠泄槽、曲面貼角挑流鼻坎，泄槽最大流速39 m/s，設(shè)置2道摻氣槽。泄洪底孔位于11號(hào)壩段，工作閘門(mén)位于有壓段末端，底坎高程2 480.00 m，孔口尺寸5 m×7 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭120 m，最大水頭127 m，相應(yīng)最大流速42 m/s。出壩后為明渠泄槽、曲面貼角挑流鼻坎。泄槽最大流速40 m/s，設(shè)置3道摻氣槽。泄槽水流空化數(shù)大于0.3，施工不平整度控制2 mm。壩內(nèi)壓力管道及門(mén)槽采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件鋼襯型式，底孔弧門(mén)作用水頭大于100 m按偏心鉸設(shè)計(jì)，防止啟閉過(guò)程引起止水撕裂高壓射流引起空蝕破壞。實(shí)際運(yùn)行中，泄洪建筑物泄槽發(fā)生空蝕破壞，采用高強(qiáng)C40環(huán)氧混凝土、高強(qiáng)C40環(huán)氧砂漿及表面涂環(huán)氧膩?zhàn)印?/p>

3.2 海拔2 185.00 m李家峽水電站泄水建筑物防空蝕設(shè)計(jì)

李家峽水電站所在地海拔高程2 185.00 m，發(fā)生空蝕破壞的臨界流速26 m/s，泄水建筑物防空蝕破壞措施非常重要。 泄水建筑物分2層3孔布置，左、右岸中孔和左岸底孔泄水道，有壓段均由壩身穿過(guò)。明渠泄槽傍山布置，至尾水渠出口處將水流挑入河床。左中孔8 m×10 m(寬×高)、右中孔8 m×10 m(寬×高)，左底孔5 m×7 m(寬×高)，泄量分別是2 225、2 240、1 135 m3/s,校核工況下總泄量6 350 m3/s。左底孔布置于15號(hào)壩段，由壩內(nèi)有壓段、工作閘室、泄槽段和挑流鼻坎組成，進(jìn)口底部高程2 100.00 m，孔口尺寸5 m×7m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭81.3 m，最大水頭82.6 m，相應(yīng)最大流速40 m/s。有壓段進(jìn)口、出口流速分別為22.69、33.9 m/s，泄槽最大流速40 m/s，設(shè)置3道摻氣槽，泄槽R28300混凝土底板采用設(shè)50 cm厚膠乳硅粉混凝土，標(biāo)號(hào)為R28600，泄槽邊墻采用膠乳硅粉砂漿，標(biāo)號(hào)為R28600；且在表面涂裝特種涂料 。底板突坎順?biāo)鞣较蚋叨却笥? mm或垂直水流方向高度大于3 mm。在空化數(shù)低于初生空化數(shù)部位，為了解決空化問(wèn)題設(shè)了3道不同形式的摻氣保護(hù)設(shè)施，在有壓段出口距弧形門(mén)底坎9.753 m設(shè)第一道“八字”摻氣坎，在渥奇段末即樁號(hào)D0+104.24 m處設(shè)第二道跌坎摻氣，第3道摻氣坎體型亦為跌坎，設(shè)在鼻坎反弧上游20.0 m處。在設(shè)計(jì)水位2 181.30 m時(shí)，明渠段很大范圍內(nèi)水流空化數(shù)低于0.2，最小值出現(xiàn)在渥奇段D0+094.04 m處，為0.158。左中孔布置于16號(hào)壩段，泄水道進(jìn)口高程2 120.00 m，孔口尺寸8 m×10 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭61.3 m，最大水頭62.6 m，有壓段進(jìn)口流速22.6 m/s、出口流速29.4 m/s，泄槽最大流速39.9 m/s，設(shè)置2道摻氣槽。當(dāng)工作門(mén)全開(kāi)，庫(kù)水位為2 181.30 m時(shí)，沿程水流空化數(shù)均大于0.2，在工作門(mén)1/2開(kāi)度，庫(kù)水位2 181.30 m時(shí)，渥奇段末水流空化數(shù)僅為0.16左右。右中孔布置于7號(hào)壩段，泄水道進(jìn)口高程2 120.00 m,孔口尺寸8 m×10 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭61.3 m，最大水頭62.6 m，有壓段進(jìn)口流速23.4 m/s、出口流速29.1 m/s，泄槽最大流速42.5 m/s，設(shè)置2道摻氣槽。庫(kù)水位為2 181.30 m時(shí)，工作門(mén)全開(kāi)沿程水流空化數(shù)均大于0.2，在工作門(mén)1/2開(kāi)度，渥奇段末水流空化數(shù)僅為0.137左右。進(jìn)口、門(mén)槽、底坡緩變陡、陡變緩按流線型考慮；有壓段泄流表面采用了鋼板襯砌；σ<0.2時(shí)，在明渠段采用摻氣措施；σ=0.2～0.3時(shí)，嚴(yán)格控制過(guò)流表面的不平整度；水流空穴數(shù)σ>0.3時(shí)，過(guò)流表面采用硅粉混凝土高強(qiáng)(砂漿)保護(hù)。實(shí)際泄水時(shí)，泄洪建筑物泄槽發(fā)生多次空蝕破壞，采用高強(qiáng)C40環(huán)氧混凝土、高強(qiáng)C40環(huán)氧砂漿及表面涂環(huán)氧膩?zhàn)舆M(jìn)行了處理。

3.3 海拔2 010.00 m公伯峽水電站泄水建筑物防空蝕設(shè)計(jì)

公伯峽水電站所在地海拔高程2 010.00 m，發(fā)生空蝕破壞的臨界流速26 m/s，泄水建筑物防空蝕破壞措施非常重要。泄水建筑物由左岸溢洪道、左岸泄洪洞和右岸水平旋流泄洪洞組成。

岸邊開(kāi)敞式溢洪道型式，由引渠段、堰閘段、泄槽段、挑流鼻坎段。堰頂高程1 987.00 m，堰后接雙孔雙槽布置的泄槽段，泄槽最大流速40 m/s，左孔泄槽中設(shè)置3道摻氣設(shè)施，右孔泄槽中設(shè)置2道設(shè)施，第一道摻氣坎設(shè)在泄槽流速30 m/s左右、水流空化數(shù)小于0.3處，第一道摻氣槽以上泄槽段，不平整度在3.5 mm以下，對(duì)于第一道摻氣槽以下泄槽及挑流鼻坎段，考慮到設(shè)置摻氣槽摻氣效果明顯，摻氣濃度較高，因此不平整度在15 mm以下。在泄槽的底板C20上部設(shè)50 cm厚的C30高強(qiáng)混凝土。左岸泄洪洞由進(jìn)口引渠、進(jìn)水塔、壓力隧洞、工作閘室及泄槽等部分組成。壓力隧洞進(jìn)口底檻高程1 940.00 m，工作閘室底檻高程1 935.00 m，弧形工作閘門(mén)7.5 m×6.0 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭70 m，最大水頭73.5 m，隧洞水流空化數(shù)均在0.4以上，不存在空化氣蝕問(wèn)題。后接明渠泄槽、挑流鼻坎，泄槽最大流速40 m/s，工作門(mén)局開(kāi)明槽段的渥奇段和反弧段的下游水流空化數(shù)0.16，設(shè)置2道摻氣設(shè)施。在泄槽的底板設(shè)50 cm厚的C40硅粉混凝土，無(wú)壓明渠泄槽段底板突坎順?biāo)鞣较蚋叨却笥? mm或垂直水流方向高度大于3 mm。右岸旋流泄洪洞為由導(dǎo)流洞改建而成的水平旋流消能泄洪洞型式，堰頂高程1 989.00 m，為1孔12 m×16 m(寬×高)的孔口，堰閘后接直徑9.0 m豎井，豎井高度為46.615 m，其下通過(guò)高度為27.75 m的水平旋流發(fā)生裝置與長(zhǎng)45.5 m、直徑10.50 m的水平旋流洞相接。水平旋流洞后為長(zhǎng)60.0 m的水墊塘消能段，其后即為與原導(dǎo)流洞結(jié)合的退水洞段，結(jié)合段長(zhǎng)740.24 m，末端為挑流消能鼻坎。旋轉(zhuǎn)水層平均流速19.5 m/s，其中沿洞軸線方向分量14.9 m/s，周向分量12.5 m/s；退水洞明流段不同斷面水面較平穩(wěn)，屬均勻流流態(tài)，洞內(nèi)流速變幅為13 ～17 m/s。環(huán)形摻氣坎的通氣量在設(shè)計(jì)和校核水位情況下基本接近為96.5 m3/s，采用5根直徑為630 mm的通至進(jìn)水口閘墩頂?shù)耐夤苓M(jìn)行通氣。在設(shè)計(jì)水位和校核水位情況下，通氣管內(nèi)風(fēng)速為61.9 m/s，與規(guī)范規(guī)定的控制風(fēng)速不超過(guò)60 m/s的控制標(biāo)準(zhǔn)基本接近。起旋器通氣孔的通氣量在設(shè)計(jì)和校核水位情況下分別為573.9、502.2 m3/s，通氣孔直徑3.3 m，在設(shè)計(jì)水位工況下的風(fēng)速為67.1 m/s，在校核水位工況下通氣孔內(nèi)最大風(fēng)速為58.7m/s，基本滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的控制風(fēng)速不超過(guò)60 m/s的控制標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際運(yùn)行中，泄洪建筑物泄槽發(fā)生表面磨蝕破壞，采用高強(qiáng)C40環(huán)氧砂漿及表面涂環(huán)氧膩?zhàn)印?/p>

3.4 海拔1 861.00 m積石峽水電站水電站泄水建筑物防空蝕設(shè)計(jì)

積石峽水電站所在地海拔高程1 861.00 m，發(fā)生空蝕破壞的臨界流速26.5 m/s，泄水建筑物防空蝕破壞措施很重要。 泄水建筑物應(yīng)按表、中、底3層布置，左岸1孔岸邊溢洪道、左岸中孔泄洪洞(與導(dǎo)流洞結(jié)合)、左岸底孔泄洪排沙洞(兼放空洞)。

開(kāi)敞式岸邊溢洪道，由引渠段、堰閘段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。堰頂高程為1 836.00 m，工作門(mén)為15 m×21.5 m(寬×高)的弧門(mén)，最大流速25.87 m/s。溢洪道門(mén)槽的水流初生空穴數(shù)為0.2，設(shè)計(jì)及校核洪水時(shí)溢洪道門(mén)槽的最小水流空穴數(shù)分別為1.51、1.60，大于0.2，故發(fā)生空蝕破壞的可能性很??；泄槽段的最小水流空化數(shù)分別為0.45、0.46，均大于0.3，故無(wú)須設(shè)置摻氣設(shè)施。泄槽段與鼻坎段底板過(guò)流面設(shè)置抗沖耐磨混凝層，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。左岸中孔泄洪洞是由導(dǎo)流洞改建的“龍?zhí)ь^”式有壓短管進(jìn)口的泄洪洞，進(jìn)口閘門(mén)段，“龍?zhí)ь^”斜洞段，與導(dǎo)流洞結(jié)合段及出口消力池段。進(jìn)水口底板高程1 804.00 m,布置 8 m×11 m(寬×高)的平板工作門(mén)，中孔進(jìn)口流道采用鋼板襯砌，可很好解決流道混凝土表面防止有壓水沿混凝土裂縫形成縫隙水壓力和在高速水流條件下局部發(fā)生空蝕破壞問(wèn)題。無(wú)壓泄洪洞最大流速31.4 m/s，水流空穴數(shù)在0.24～1.61之間，局部0.24，嚴(yán)格控制泄槽體型及壁面不平整度，底板表層采用高強(qiáng)抗蝕材料襯護(hù)等措施，以避免發(fā)生空蝕破壞。泄洪洞過(guò)流面采用50 cm厚C35(二)W6F200抗沖耐磨混凝土，水灰比小于0.4，塌落度小于7。為防止閘門(mén)后底板出現(xiàn)負(fù)壓，采用較平緩的拋物線，突起或跌落的最大允許高度3 mm。泄洪排沙底孔進(jìn)口位于左岸電站進(jìn)水口2、3號(hào)引水鋼管之間，在平面上有2個(gè)彎道，底高程1 795.00 m，事故檢修門(mén)孔口尺寸為2孔4.8 m×8.0 m(寬×高)，兩孔合一，工作閘門(mén)室位于隧洞出口，底板高程1 793.50 m，設(shè)弧型工作閘門(mén)尺寸為8 m×6.8 m(寬×高)，明渠泄槽中最大流速為29.63 m/s，閘室最大流速為28.79 m/s，整個(gè)明渠泄槽斷面平均流速均未超過(guò)30 m/s，水流空穴數(shù)在0.36～1.36之間，大于0.3，故發(fā)生空蝕破壞的可能性很小。在沿閘室和泄槽底板過(guò)流面采用50 cm厚C35(二)W6F200抗沖耐磨混凝土，水灰比小于0.4，塌落度小于7，提高底板抗氣蝕、抗磨性能，突起或跌落的最大允許高度5 mm，與下部常規(guī)C30和C25混凝土一次澆筑。實(shí)際運(yùn)行中，泄水建筑物泄槽沒(méi)有發(fā)生空蝕破壞，僅結(jié)構(gòu)縫填縫材料老化，縫內(nèi)重新灌注彈性材料。

3.5 海拔235.00 m馬來(lái)西亞巴貢水電站泄水建筑物防空蝕設(shè)計(jì)

馬來(lái)西亞巴貢水電站所在地海拔高程235.00 m，水溫20°，汽化壓力0.24 m水柱，發(fā)生空蝕破壞的臨界流速28 m/s，泄水建筑物防空蝕破壞措施很重要。泄水建筑物僅布置1條左岸開(kāi)敞式溢洪道，由引渠段、堰閘段、泄槽段、挑流鼻坎段和消能防沖區(qū)組成，引渠段、堰閘段、泄槽段和鼻坎段的長(zhǎng)度分別為139、50、588、34 m，總長(zhǎng)1 070 m。堰閘段設(shè)4孔，單孔尺寸15 m×21.25 m(寬×高)，后用中隔墻分為2孔1槽，共2個(gè)泄槽，自閘墩末端起由漸變段和直槽段組成，上游側(cè)槽寬2×35 m，下游側(cè)直槽段槽寬2×25 m，漸變段長(zhǎng)181.87 m。泄槽段坡度分別為i=0.1、0.14、0.1864、0.1925、0.226、0.2563，挑流鼻坎為連續(xù)擴(kuò)散型，左、右鼻坎前后錯(cuò)開(kāi)40 m，反弧半徑40 m，挑角45°，挑至預(yù)挖沖坑內(nèi)。

閘墩、門(mén)槽、溢流堰面、收縮段處防空蝕設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)體型加以解決。泄槽最大流速為47 m/s，超過(guò)30 m/s流速流道長(zhǎng)度330 m。在樁號(hào)0+320.00 m處設(shè)置第一道摻氣坎槽，泄槽段共設(shè)置4個(gè)摻氣槽，分別為樁號(hào)0+320.00 m、0+390.00 m、0+460.00 m、0+590.00 m，直槽段摻氣槽保護(hù)長(zhǎng)度為70 m，反弧段摻氣槽保護(hù)長(zhǎng)度為65 m。近壁處的摻氣濃度為4%～7%。通氣管面積應(yīng)等于通氣量除以風(fēng)速，通氣量與泄量有關(guān)，最大單寬通氣量應(yīng)為10 ～15 m3/sm，通氣管安全風(fēng)速應(yīng)小于43 m/s。氣腔負(fù)壓在-0.1～-0.4 m，應(yīng)以保證空腔順利進(jìn)氣為原則。過(guò)流表面平整度，凸體高度不得大于3～5 mm，垂直水流方向凸體按1/50的坡度磨平，順?biāo)鞣较蛲贵w高度按1/30的坡度磨平。泄槽及鼻坎段為高流速區(qū)，過(guò)流面采用抗沖耐磨材料，流速小于28 m/s采用高標(biāo)號(hào)C40混凝土做襯護(hù)，流速大于28 m/s采用摻硅粉高標(biāo)號(hào)C45混凝土襯護(hù)，厚度50 cm，與下部C30常規(guī)混凝土一次澆筑成型。實(shí)際運(yùn)行中，溢洪道泄槽沒(méi)有發(fā)生空蝕破壞。

3.6 不同海拔地區(qū)實(shí)際運(yùn)行泄水建筑物防空蝕設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

(1) 從已建5個(gè)工程泄水建筑物運(yùn)行分析，龍羊峽和李家峽水電站泄水后出現(xiàn)空蝕破壞，而其它幾個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)，空蝕破壞程度低，從235.00 m低海拔到2 600.00 m高海拔，高海拔地區(qū)極易發(fā)生空蝕破壞。

(2) 李家峽水電站泄水建筑物按σ<0.2設(shè)摻氣設(shè)施，多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，高海拔地區(qū)σ<0.3要求是合適的。

(3) 一般情況下，高海拔地區(qū)晝夜溫差大，空氣干燥，混凝土強(qiáng)度太高，水泥用量大，容易發(fā)生混凝土裂縫。因此，高海拔地區(qū)選擇抗沖耐磨材料的強(qiáng)度不能太高，應(yīng)避免使用高標(biāo)號(hào)混凝土為C2850或C2860。

(4) 龍羊峽和李家峽高海拔地區(qū)有壓洞工作閘室出口采用鋼襯進(jìn)行抗空蝕設(shè)計(jì)，避免高速水流空蝕破壞發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1) 經(jīng)分析研究，海拔越高，發(fā)生空蝕破壞越容易；在水流空化數(shù)等于或小于0.3時(shí)，4 000 m海拔地區(qū)泄水建筑物高速水流流速等于或大于24 m/s，與相對(duì)于300m低海拔地區(qū)泄水建筑物高速水流流速等于或大于28 m/s相比，兩者差別較大。

(2) 4 000 m高海拔地區(qū)，溢洪道、泄洪洞抗氣蝕設(shè)計(jì)按水流空化數(shù)0.3作為界限較為合適。

(3) 4 000 m高海拔地區(qū)，有壓洞或有壓短管的工作閘室出口段，初生空化數(shù)較大，當(dāng)流速大于24 m/s時(shí)，可考慮設(shè)置鋼板襯砌及摻氣設(shè)施。

(4) 4 000 m高海拔地區(qū)，溢洪道和泄洪洞的泄槽，當(dāng)流速大于24 m/s時(shí)，可考慮設(shè)置摻氣設(shè)施。

(5) 4 000 m高海拔地區(qū)，流速大于24 m/s，泄水建筑物底板及邊墻下部宜在原強(qiáng)度標(biāo)號(hào)上部設(shè)置50 cm以上的抗沖耐磨混凝土，抗沖耐磨混凝土可選高強(qiáng)混凝土C2845或C9050，與下部常規(guī)混凝土一次澆筑不分層，且強(qiáng)度級(jí)差要小。

(6) 4 000 m高海拔地區(qū)，流速小于24 m/s，沒(méi)有設(shè)置摻氣設(shè)施，可按常規(guī)高強(qiáng)混凝土C2830或C2835，順?biāo)鞣较蚋叨却笥? mm且垂直水流方向高度大于3 mm。 設(shè)置摻氣設(shè)施之后，施工不平整度可按5 mm控制。