王 麗 娟,張 曉 朋,賀 一 軒,韓 延 成,孫 雙 科

(1.濟南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,山東 濟南 250022; 2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038; 3.保定易縣抽水蓄能有限公司,河北 保定 074200)

0 引 言

豎井式內(nèi)消能工主要是靠泄洪建筑物內(nèi)部的特殊型式,急劇改變水流形態(tài),在水流內(nèi)部形成強烈的紊動摻混或渦漩,從而集中消耗大量機械能,減少壓力,降低水流速度,達到保護洞身和下游的目的[1]。高水頭、大流量泄水建筑物過水時,總是伴隨著高速水流的空蝕破壞問題,受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。國外對豎井內(nèi)消能工的研究較早,20世紀(jì)40年代意大利學(xué)者提出了豎井內(nèi)消能工的理念,50年代,在美國和西歐國家盛行,但大多數(shù)水頭低、泄量小,水頭高時,會出現(xiàn)高速水流,從而引起空蝕和振動破壞[3-6]。國內(nèi)對豎井內(nèi)消能工的研究起步于20世紀(jì)80年代,隨著西部地區(qū)修建了諸多豎井溢洪道工程,學(xué)者們對豎井工程的水力特性進行了研究[7],并對消力井的深度和直徑等進行了體型優(yōu)化試驗[8]。在以往的研究中,大多針對的是旋流式豎井[9-12],如曹雙利[12]基于旋流豎井體型,將通氣孔布置在水平泄水洞的起始位置,并對此處通氣孔通風(fēng)量的變化規(guī)律及各水力特性變化進行了研究,發(fā)現(xiàn)通氣孔通風(fēng)量對空腔直徑和空腔內(nèi)氣體壓強都有一定的影響。而學(xué)者們對跌流式豎井的研究則較少。跌流式豎井溢洪道井身段的垂向落差大,水流急劇加速后形成高速水流,豎井邊壁存在空蝕破壞的潛在風(fēng)險,環(huán)形溢流堰與豎井銜接段采用突擴布置形成脫壁流動結(jié)構(gòu)是消除上述風(fēng)險的有效措施,但突擴處通氣系統(tǒng)的設(shè)置存在差異。例如在車馬碧水庫等豎井工程[13-15]中,豎井進口處為環(huán)形溢流堰,為保證環(huán)形溢流堰過水凈寬,并未在溢流堰處布置通氣設(shè)施。而在大石門豎井工程[16]中,考慮到大流量時水流會逐漸淹沒溢流堰,中心空腔消失,缺少通氣設(shè)施可能會影響豎井消能效果,在環(huán)形溢流堰與豎井銜接處突擴位置設(shè)置了通氣管。

在突擴處布置通氣系統(tǒng)對豎井段的水力特性和消能效果等水力學(xué)指標(biāo)的影響,則需要進一步研究。本文依托易縣抽水蓄能電站跌流式豎井溢洪道建立物理模型,在環(huán)形溢流堰與豎井銜接處突擴位置設(shè)置了通氣管,通過控制通氣管的開合,重點研究了環(huán)形溢流堰處通氣系統(tǒng)的設(shè)置對該豎井溢洪道水力特性的影響,以期為跌流式豎井溢洪道的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 試驗設(shè)計與量測

圖1 易縣抽水蓄能電站豎井式溢洪道 (尺寸單位:m)

設(shè)H為具體工程中堰上水頭,但為了使研究具有普遍意義能適用于多個工程,在此進行無量鋼處理,以H/Hd表示堰上水頭的變化,其中Hd為定型設(shè)計水頭,取0.918 m。為了得到較為普適性的規(guī)律,本文研究了H/Hd在0.1～8.2范圍內(nèi)的水力特性,H/Hd在0.1～2.5范圍內(nèi)變幅約為0.15,在2.5～8.2范圍內(nèi)變幅約為0.7,共設(shè)計了24組試驗工況。主要的測量內(nèi)容包括水位、流量、流速、以及通氣風(fēng)速等。其中,水位通過安裝在上游的庫水位測針讀取,精度為0.001 m;流量采用定制的三角堰測定,精度為0.001 m3/s;流速測量采用日本JFE電磁流速儀,精度為0.01 m/s;風(fēng)速測量采用德國Testo德圖425熱敏風(fēng)速儀,精度為0.01 m/s。

2 試驗結(jié)果

針對跌流式豎井溢洪道通氣與不通氣條件下的水力特性分別展開試驗研究,并按照水位由低到高進行,試驗結(jié)果如下。

2.1 水流流態(tài)

試驗范圍內(nèi)環(huán)形溢流堰共出現(xiàn)3種流態(tài)。① 在不通氣條件下,H/Hd<1.88時,水流自環(huán)形溢流堰自由進入豎井,集中呈束狀沿豎井中心下泄,此時稱為自由堰流,如圖2(a)～(b)所示。② 隨著堰上水頭的繼續(xù)升高,H/Hd=1.88時,環(huán)形溢流堰下泄水流相互碰撞,轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡?如圖2(c)所示,此時豎井上部仍維持穩(wěn)定的脫壁流,但豎井下部水流隨堰上水頭的升高逐漸破碎分散,無集中落點,在消力井內(nèi)形成強摻混、強紊動、強摻氣的水流流態(tài)。③ 堰上水頭升高至H/Hd=2.17時水流完全淹沒豎井口,水流在淹沒水頭的壓力作用下進入豎井,稱為壓力孔口出流,此時中心空腔被水流充滿,通氣管堵塞,通氣完全缺失,豎井內(nèi)完全被水流充滿呈現(xiàn)管流現(xiàn)象,如圖2(d)所示。

圖2 溢流堰和豎井內(nèi)水流流態(tài)(不通氣)

而在通氣條件下,堰上水頭較低(H/Hd<0.88)時,環(huán)形溢流堰處均為自由堰流,豎井上部為脫壁環(huán)狀水流,如圖3(a)所示。H/Hd=0.88,1.67時,環(huán)形溢流堰下泄水流相互碰撞,轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡?如圖3(b)～(c)所示。堰上水頭升高至H/Hd=1.88時,完全發(fā)展為壓力孔口出流,此時由于環(huán)形溢流堰與豎井銜接段的突擴設(shè)置,在通氣管通氣作用下豎井上部仍然能夠保持脫壁流,如圖3(d)所示。上述3種流態(tài)示意圖如圖4所示。

圖3 溢流堰和豎井內(nèi)水流流態(tài)(通氣)

圖4 跌流式豎井脫壁流不同流態(tài)示意

通過圖2～3進一步對比分析,發(fā)現(xiàn)通氣條件下有充足的通氣量能夠使豎井上部始終維持穩(wěn)定的脫壁流,不會產(chǎn)生滿管流的不利流態(tài),且3種流態(tài)轉(zhuǎn)捩的拐點均超前于不通氣條件,這是由于不通氣時水流與豎井井壁之間存在負(fù)壓,導(dǎo)致水流更加貼向井壁,更難形成受阻堰流以及壓力孔口出流,故而流態(tài)轉(zhuǎn)捩點相對滯后。

2.2 泄流能力

自由堰流時根據(jù)堰流的水力計算公式(1)計算流量系數(shù),而完全發(fā)展為壓力孔口出流后則根據(jù)孔口出流計算公式(2)計算流量系數(shù),受阻堰流則介于自由堰流與壓力孔口出流之間,流態(tài)紊亂,流量系數(shù)目前還難以計算。

(1)

式中:μ為堰的綜合流量系數(shù);B為堰頂過水凈寬;H為堰上總水頭。

(2)

式中:A為豎井孔口面積;H0為孔口總水頭。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制H/Hd～流量關(guān)系曲線和H/Hd～流量系數(shù)關(guān)系曲線(見圖5)。可以發(fā)現(xiàn):在不通氣條件下,堰上水頭H/Hd<2.17時泄流流量隨H/Hd的升高而增大,H/Hd>2.17后趨于穩(wěn)定;流量系數(shù)先增大后穩(wěn)定于0.9左右。而在通氣條件下,H/Hd<1.88時泄流流量隨H/Hd的升高而增大,H/Hd>1.88后趨于穩(wěn)定,并略低于不通氣條件下泄流流量;流量系數(shù)先增大后穩(wěn)定于1.1左右。分析發(fā)現(xiàn)H/Hd較小時,兩種條件下流量曲線的上升段環(huán)形溢流堰均處于自由堰流和受阻堰流狀態(tài),隨著堰上水頭的升高,豎井進口流量逐漸增大,下游退水隧洞泄流流量隨之增大,此時除通氣管外中心空腔也能夠發(fā)揮通氣作用,所以兩種條件下流量曲線和流量系數(shù)曲線相重合。而當(dāng)H/Hd>2.17后,兩種條件下環(huán)形溢流堰水流流態(tài)均完全發(fā)展為壓力孔口出流,隨著堰上水頭的繼續(xù)升高,豎井進口流量不再增大,下游退水隧洞泄流流量趨于穩(wěn)定,此時不通氣條件下豎井內(nèi)部存在負(fù)壓,受負(fù)壓影響其流量系數(shù)超過1,而通氣條件下通氣管連通了大氣壓,消除了豎井內(nèi)部的負(fù)壓影響,水流下泄力度變?nèi)?導(dǎo)致豎井泄流流量和流量系數(shù)均略低于不通氣條件下。H/Hd處于1.88～2.17范圍時,不通氣條件下環(huán)形溢流堰仍然處于受阻堰流狀態(tài),而通氣條件下已發(fā)展為壓力孔口出流,因此不通氣條件下泄流流量繼續(xù)上升而通氣條件下已趨于穩(wěn)定。

2.3 通氣量

對試驗中通氣管風(fēng)速、下游城門洞出口處風(fēng)速進行測量,分別獲得通氣管進氣量和總進氣量(流量增大到一定程度時,下游退水隧洞呈現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象,總進氣量無法測量)。小流量時豎井中心空腔也可以起到通氣的作用,總進氣量和通氣管進氣量兩者之差即為溢流堰中心空腔進氣量。

在不通氣條件下(即通氣管堵塞時),堰上水頭較低時,環(huán)形溢流堰中心空腔可以提供通氣量,此時中心空腔的進氣量即為總進氣量,隨著H/Hd的上升,中心空腔進氣量隨之增大。中心空腔的進氣量是由水流的攜帶作用導(dǎo)致的,隨著流量的增大,這種攜帶能力變強,進氣量增大,如圖6(a)所示。H/Hd>1.88后流態(tài)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡?此時下游退水隧洞呈現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象,總通氣量即中心空腔通氣量無法測量,通過流態(tài)觀察到直至H/Hd=2.17時完全發(fā)展為壓力孔口出流,中心空腔被水流充滿,不再通氣。隨著H/Hd的增大,總進氣量的增大幅度小于泄流流量的增大幅度,因此氣水比β(通氣量與泄流流量之比)呈下降趨勢,如圖6(b)所示。

而在通氣條件下,中心空腔通氣量先增大后減小(圖6(a)),H/Hd<0.88時,通氣管與中心空腔通氣量各占總通氣量的50%左右,H/Hd>0.88后,隨著H/Hd的繼續(xù)增大,通氣管通氣量占比上升,中心空腔通氣量占比下降(圖6(c))。這是因為H/Hd<0.88時,水流為自由堰流,中心空腔的通氣量是由水流的攜帶作用導(dǎo)致的,隨著流量的增大,這種攜帶能力變強,通氣量增大。H/Hd>0.88后,水流流態(tài)開始從自由堰流發(fā)展為受阻堰流,中心空腔的通氣面積逐漸縮小,通氣量減小,占比下降,直至H/Hd上升至1.88時完全發(fā)展為壓力孔口出流,中心空腔被水流充滿,此時僅通過通氣管提供通氣量。

通氣條件下,通氣管通氣量隨著H/Hd的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(圖6(d))。H/Hd<0.88自由堰流時,通氣管的通氣是由水流所形成的攜帶作用導(dǎo)致的,隨著流量的增大,水流攜帶能力變強,通氣量增大。H/Hd>0.88后,水流在豎井中開始出現(xiàn)交叉碰撞,變?yōu)槭茏柩吡?中心空腔通氣量減小,直至H/Hd>1.88后,中心空腔完全被水流充滿,通氣主要是由通氣管進出口壓強差導(dǎo)致,但隨著流量的增大,豎井內(nèi)氣體空間相對減少,通氣量減小。氣水比β隨H/Hd的增大呈下降趨勢(圖6(b)),略高于不通氣條件下β值,能夠更好地滿足豎井內(nèi)環(huán)狀脫壁水流自身挾氣的需要和豎井底部消力井環(huán)狀水躍消能的摻混需要。

2.4 消能率

根據(jù)消能率公式(3)計算豎井消能率[20]:

(3)

式中:η為消能率;計算斷面1、斷面2如圖1(a)所示,z1,z2為計算斷面的平均高程;h1,h2為計算斷面的水深;v1,v2為計算斷面的平均流速;α1,α2為動能修正系數(shù),取1.0。

本次試驗中以下游無壓退水隧洞計算斷面底板高程為基準(zhǔn)面,z2=0。實際在泄水時,上游水庫的流速微乎其微,在計算中v1≈0。消能率計算結(jié)果見圖7。

可以看出:在不通氣條件下,水流經(jīng)豎井消能后消能率在69%～95%范圍內(nèi)。H/Hd<2.17時,豎井消能率隨H/Hd的增大而降低,H/Hd>2.17后趨于穩(wěn)定。這是因為H/Hd<2.17時泄流流量隨H/Hd的增大而增大,退水隧洞內(nèi)流速隨之變大,消能率降低;H/Hd>2.17后,豎井溢洪道泄流流量逐漸穩(wěn)定,退水隧洞內(nèi)流速基本保持不變,消能率穩(wěn)定于70%左右。

而在通氣條件下,水流經(jīng)豎井消力井后消能率可達75%～95%,高于相同H/Hd時不通氣條件下。H/Hd<1.88時,豎井消能率隨H/Hd的增大而降低,H/Hd>1.88后趨于穩(wěn)定。這是因為H/Hd<1.88時泄流流量隨H/Hd的增大而增大,退水隧洞內(nèi)流速隨之變大,消能率降低;H/Hd>1.88后,豎井溢洪道泄流流量逐漸穩(wěn)定,退水隧洞內(nèi)流速基本保持不變,消能率穩(wěn)定于75%左右。相較于不通氣條件下消能率提高了約5%。

3 結(jié) 論

(1) 試驗中環(huán)形溢流堰流態(tài)主要分為自由堰流、受阻堰流和壓力孔口出流3種,不通氣條件下以H/Hd=1.88和H/Hd=2.17為流態(tài)轉(zhuǎn)捩點;通氣條件下以H/Hd=0.88和H/Hd=1.88為流態(tài)轉(zhuǎn)捩點,相較于不通氣條件下流態(tài)轉(zhuǎn)捩點提前,且不會出現(xiàn)滿管流等不利流態(tài)。

(2) 在試驗過程中,隨著堰上水頭的升高,兩種條件下泄流流量均呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢,H/Hd<1.88時兩種條件泄流曲線重合,而H/Hd>1.88后,通氣條件下泄流能力略低于不通氣條件。

(3)H/Hd<0.88,流態(tài)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡髦?通氣管的存在對跌流式豎井各水力特性的影響不大;但H/Hd>0.88后,通氣管的存在逐漸對提升豎井的消能率起到促進作用,并在一定程度上避免了豎井管流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(4) 根據(jù)研究結(jié)果,若工程在低水頭范圍內(nèi)(H/Hd<0.88)可不設(shè)通氣系統(tǒng),設(shè)置通氣系統(tǒng)反而會影響其泄流能力;若工程范圍超出低水頭范圍(H/Hd>0.88),為保證其消能效果以及泄水建筑物安全,建議在溢流堰與豎井銜接處設(shè)置通氣系統(tǒng)。