泄洪洞變底坡?lián)綒饪矒綒馓匦匝芯?/h1>
2024-08-22 00:00:00宋凱陳利強(qiáng)張陸陳楊正麗葉俊榮
水利水電快報(bào) 2024年8期 關(guān)鍵詞：泄洪洞
摘要：針對(duì)高水頭小底坡泄洪洞采用常規(guī)挑（跌）坎存在的空腔回水現(xiàn)象嚴(yán)重、穩(wěn)定性差、水頭變幅適應(yīng)性差等問(wèn)題，通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，結(jié)合如美水電站放空洞，對(duì)“挑坎+平緩坡+陡坡”的變底坡形式摻氣坎進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了變底坡?lián)綒饪哺鞑课唬ㄌ簦ǖ┛?、平緩坡段以及陡坡段）?duì)摻氣空腔的影響機(jī)理。結(jié)果表明：在水位大幅變化過(guò)程中，變底坡?lián)綒饪矊?duì)應(yīng)的空腔充滿回水的臨界水頭值為73.5 m，比常規(guī)摻氣坎提高了29.4 m。研究結(jié)果可為高水頭小底坡泄洪洞的摻氣設(shè)施布置提供參考。
關(guān)鍵詞：泄洪洞； 變底坡?lián)綒饪玻?小底坡； 摻氣空腔； 摻氣濃度； 水頭適應(yīng)性
中圖法分類號(hào)：TV13""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.012
文章編號(hào)：1006-0081（2024）08-0078-06
0 引 言
放空洞在高水頭大流速下運(yùn)行時(shí)，常常伴隨有諸多水力學(xué)問(wèn)題［1］。其中，當(dāng)?shù)装迤露群苄r(shí)，摻氣設(shè)施往往存在空腔短、積水嚴(yán)重、進(jìn)氣難等問(wèn)題，空化空蝕問(wèn)題突出?；诖耍瑢＜覍W(xué)者對(duì)空腔回水產(chǎn)生機(jī)制以及創(chuàng)新型摻氣坎進(jìn)行了大量研究。
朱榮林等以摻氣效果作為依據(jù)，提出了摻氣臨界水頭［2］的概念，對(duì)摻氣設(shè)施是否失效進(jìn)行了量化，并認(rèn)為臨界水頭隨著底板坡度的減小而增大。肖興斌［3］在此基礎(chǔ)上通過(guò)模型試驗(yàn)總結(jié)出過(guò)坎水流的3種不同形態(tài)，并指出射流沖擊角是造成空腔回水現(xiàn)象的重要因素。張立恒等［4］通過(guò)系列模型試驗(yàn)得出射流沖擊角的臨界值為9°左右，且沖擊角的大小不僅與水流條件和摻氣設(shè)施體型有關(guān)，底板坡度也是重要的影響因素。王芳芳等［5］通過(guò)試驗(yàn)，總結(jié)出造成空腔回水的兩個(gè)“積水源”、水舌沖擊區(qū)回流與水舌帶走的水流處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的“退水機(jī)制”，并發(fā)現(xiàn)射流沖擊角是影響“積水源”和“退水機(jī)制”的主要因素。
高昂［6］統(tǒng)計(jì)了部分國(guó)內(nèi)外典型泄水建筑物的摻氣設(shè)施布置形式，總結(jié)出了摻氣設(shè)施的基本體型有挑坎、跌坎、摻氣槽、側(cè)壁突擴(kuò)等幾類。為了適應(yīng)不同工程的水流條件，支拴喜等［7］提出了齒墩式摻氣坎；Su 等［8］提出了一種適用于低弗雷德數(shù)明流泄洪洞的“梯型槽摻氣坎”。漆力健等［9］提出了一種“U 型坎+陡坡”的組合式摻氣設(shè)施；王海云等［10］提出了“V 型坎”。吳時(shí)強(qiáng)等［11］提出了“燕尾坎+貼坡”的組合摻氣結(jié)構(gòu)。夏鵬飛［12］、補(bǔ)金梓［13］對(duì)布置于有壓進(jìn)口末端的摻氣設(shè)施——楔形體摻氣坎進(jìn)行了系列的研究。以上創(chuàng)新性體型都較好地解決了各工程的摻氣問(wèn)題。
目前，工程上開(kāi)始較多采用局部變底坡形式摻氣坎來(lái)解決摻氣問(wèn)題［14］，并在古水水電站等工程上取得較好應(yīng)用［15］。然而，對(duì)于此類摻氣坎的工作原理及影響因素缺乏系統(tǒng)研究。本文以如美水電站工程為實(shí)例，對(duì)變底坡?lián)綒饪膊煌w型進(jìn)行系列模型試驗(yàn)，探究其各個(gè)體型參數(shù)對(duì)摻氣特性的影響規(guī)律，以及在水位大幅變化情況下的適應(yīng)性，為高水頭小底坡泄洪洞的摻氣減蝕技術(shù)研究提供參考。
1 研究方法
本文采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)變底坡?lián)綒饪策M(jìn)行系統(tǒng)研究，試驗(yàn)依托如美水電站放空洞模型，采用正態(tài)水工模型，遵循重力相似準(zhǔn)則，模型比尺為1∶80，模型見(jiàn)圖1。放空洞最大運(yùn)行水頭超過(guò)150 m，下游無(wú)壓洞段底板坡度較?。╥=473%），屬于典型的高水頭小底坡泄洪洞。無(wú)壓段為城門洞型，尺寸為11.0 m×15.0 m，長(zhǎng)度約為1 km。試驗(yàn)工況水力參數(shù)見(jiàn)表1，在研究變底坡?lián)綒饪搀w型對(duì)摻氣特性的影響時(shí)，運(yùn)行水頭高度為66 m（工程的設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭）；在對(duì)比摻氣坎的運(yùn)行水頭適應(yīng)性時(shí)，設(shè)置了6個(gè)不同的運(yùn)行水頭。
典型變底坡設(shè)計(jì)體型如圖2所示。設(shè)計(jì)原理：利用挑（跌）坎產(chǎn)生較長(zhǎng)的摻氣空腔；平緩坡段作為過(guò)渡段，是摻氣空腔的主要部位，通過(guò)調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度可控制水舌落點(diǎn)，優(yōu)化空腔形態(tài)；陡坡段是水舌與底板的銜接段，坡度決定了射流沖擊角的大小，可有效減少回流積水。
2 變底坡?lián)綒饪搀w型對(duì)空腔特性的影響
2.1 挑（跌）坎對(duì)空腔特性的影響
為比較挑坎和跌坎對(duì)空腔的影響，試驗(yàn)中設(shè)置了4個(gè)不同跌坎高度（Ts）和4個(gè)不同挑坎高度（Tr），分別為0.5，1.0，1.5 m和2.0 m，體型設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)水頭下的流態(tài)見(jiàn)圖3和圖4，試驗(yàn)組次、體型參數(shù)及結(jié)果列于表1。
由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：①" 隨著坎高的增加，空腔長(zhǎng)度呈增大的趨勢(shì)；②" 在同一坎高下，挑坎產(chǎn)生的空腔比跌坎產(chǎn)生的空腔長(zhǎng)，因此，在小底坡泄洪洞布置受限時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮采用挑坎體型作為摻氣設(shè)施的基本體型；③ 隨著坎高的增加，射流沖擊角呈增大趨勢(shì)；相同坎高下，挑坎（坡度為10%）對(duì)應(yīng)的射流沖擊角比跌坎大約12°～13°；④" 坎高每增加0.5 m，挑坎射流沖擊角約增加1.5°～2.5°，跌坎射流沖擊角增加約2.0°～3.0°，而隨著坎高的增加，射流沖擊角增加幅度變小。
對(duì)于挑坎，主要有2個(gè)因素影響其空腔形態(tài)：坎高和挑坎坡度。在不同坎高的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坎高較小時(shí)（Tr=0.5 m），形成的空腔較短，且極不穩(wěn)定；而當(dāng)坎高較大時(shí)（Tr=1.5 m或Tr=2.0 m），雖然空腔形態(tài)較好，但水面上方的洞頂余幅較小，難以滿足規(guī)范要求。當(dāng)Tr=1.0 m時(shí)，可產(chǎn)生較大空腔，也滿足水面上方洞頂余幅高度的要求，因此，以工況6的體型（挑坎坡度10%、坎高1.0 m）為基礎(chǔ)，對(duì)挑坎坡度進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)體型工況及結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在相同的水流條件下，空腔長(zhǎng)度和射流沖擊角均與挑坎坡度具有良好的線性關(guān)系，挑坎坡度每增加5%，空腔長(zhǎng)度大約增加3.0～5.5 m，射流沖擊角大約增加5.0°～6.5°。然而，射流沖擊角的增大，會(huì)導(dǎo)致回流現(xiàn)象的發(fā)生，摻氣效果增加了更多不確定性。另外，考慮到水舌與洞頂間的余幅高度，所以并不是坡度越大越好。
綜上，相對(duì)于跌坎而言，采用挑坎可以獲得更大的摻氣空腔，但同時(shí)也會(huì)形成更大的射流沖擊角。結(jié)合空腔積水深度隨著射流沖擊角的增大而整體呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)的結(jié)論，在應(yīng)用于小底坡泄洪洞時(shí)，由于水舌沖擊導(dǎo)致的回水不能被帶走，空腔回水現(xiàn)象嚴(yán)重，空腔形態(tài)在橫向增大的同時(shí)，縱向在縮小，如試驗(yàn)中所看到的空腔極不穩(wěn)定，摻氣效果差。因此，單獨(dú)選用跌坎或是挑坎形式，均難以達(dá)到有效摻氣的效果。
2.2 平緩坡段長(zhǎng)度對(duì)空腔特性的影響
在分析平緩坡段長(zhǎng)度對(duì)空腔的影響時(shí)，根據(jù)上文分析，考慮到空腔長(zhǎng)度以及洞頂余幅空間，挑坎高度取Tr=1.0 m，挑坎坡度取i1=10%作為基礎(chǔ)體型。在設(shè)計(jì)水頭工況下形成的摻氣空腔長(zhǎng)度為172 m，射流沖擊角為22.7°，為了流暢地銜接水流，試驗(yàn)時(shí)陡坡段坡度取i3=20%。通過(guò)調(diào)整平緩坡段長(zhǎng)度來(lái)控制水舌落點(diǎn)，分別落在陡坡段的上端、中間、末尾以及下游區(qū)，體型參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，典型水流流態(tài)如圖5所示。
從圖5中可以看到，出挑水流與洞頂之間留有一定的余幅空間（經(jīng)測(cè)量，洞頂余幅為35.2%，大于規(guī)范中20%的要求），摻氣空腔較長(zhǎng)，表明采取的挑坎體型是合理的。當(dāng)水舌落點(diǎn)處于陡坡段范圍內(nèi)時(shí)，空腔穩(wěn)定無(wú)積水，水流流態(tài)良好；當(dāng)水舌落在陡坡段下游洞身底板上時(shí)，空腔積水仍然較嚴(yán)重，這是因?yàn)樯淞鳑_擊角大于產(chǎn)生回流的臨界值，下泄的水流無(wú)法帶走回水。因此，在設(shè)計(jì)平緩坡段長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮水舌落點(diǎn)位置，以落點(diǎn)處于陡坡段中間位置為宜。此外，適當(dāng)增大平緩坡段的坡度，利用重力消除水舌下緣脫落的水滴，在水位大變幅變化的工程中，還應(yīng)考慮水位變化時(shí)的水舌落點(diǎn)范圍。
2.3 陡坡段坡度對(duì)空腔特性的影響
根據(jù)研究，射流沖擊角是決定空腔回水的主要因素之一，變底坡?lián)綒饪驳莫?dú)特之處在于可以通過(guò)調(diào)整陡坡段的坡度來(lái)控制射流沖擊角的大小。由前文分析可知，在設(shè)計(jì)水位時(shí)的射流沖擊角為227°，擬定3個(gè)不同的陡坡段坡度，分別為10%、15%及20%。各體型的流態(tài)見(jiàn)圖6～8，當(dāng)陡坡坡度為10%時(shí)，可以明顯看到空腔內(nèi)存在一定厚度的回水，導(dǎo)致空腔長(zhǎng)度減??；當(dāng)陡坡坡度增大到15%時(shí)，空腔積水顯著減少；當(dāng)陡坡坡度增大到20%時(shí)，空腔內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)積水現(xiàn)象，僅在水舌落點(diǎn)處有少量回水。試驗(yàn)結(jié)果表明，陡坡段坡度對(duì)消除空腔積水至關(guān)重要，隨著坡度變陡，回溯水流及空腔積水明顯減弱，坡度以稍緩于坡頂水舌下緣面坡度最佳。
摻氣坎的摻氣效果隨著水流條件的變化而變化，如當(dāng)運(yùn)行水頭減小，流速減小時(shí)，摻氣空腔必然會(huì)減小甚至消失，即摻氣設(shè)施只在一定的水頭（流速）范圍內(nèi)是有效的。對(duì)比分析常規(guī)挑坎（坡度10%，坎高1.0 m）和變底坡?lián)綒饪玻ㄌ艨部哺?.0 m，挑坎坡度10%；平緩坡段長(zhǎng)度15 m；陡坡坡度20%）在水位大變幅變化過(guò)程中的水流流態(tài)，進(jìn)一步了解摻氣設(shè)施的應(yīng)用適應(yīng)性。各工況試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。在不同高度運(yùn)行水頭下的水流流態(tài)見(jiàn)圖9～12。
對(duì)于常規(guī)挑坎方案，可以看到運(yùn)行水頭減小到90 m時(shí)摻氣空腔已經(jīng)出現(xiàn)回水現(xiàn)象，到設(shè)計(jì)水頭66 m時(shí)，空腔被回水填滿，摻氣設(shè)施失效。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中逐步降低庫(kù)水位，觀測(cè)得到空腔充滿回水現(xiàn)象的臨界水頭值約為73.5 m。此水頭下，洞內(nèi)水流流速大，摻氣設(shè)施失效會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的空蝕破壞。
對(duì)于變底坡?lián)綒饪?，在運(yùn)行水頭降低到設(shè)計(jì)水頭66 m的過(guò)程中，摻氣空腔始終較為穩(wěn)定，空腔末端（即水舌落點(diǎn)）從陡坡末端逐漸上移到前端，整個(gè)過(guò)程一直處于陡坡范圍內(nèi)，在試驗(yàn)過(guò)程中逐步降低庫(kù)水位，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水舌落點(diǎn)靠近陡坡頂端時(shí)，空腔內(nèi)出現(xiàn)積水并逐漸增多。觀測(cè)得到空腔充滿回水現(xiàn)象的臨界水頭值約為44.1 m，比常規(guī)挑坎的臨界水頭低了29.4 m，且在此水頭下，洞內(nèi)水流流速小于20 m/s，摻氣設(shè)施失效也不影響運(yùn)行安全。
4 結(jié) 論
本文采用模型試驗(yàn)的方法，對(duì)變底坡?lián)綒饪驳乃μ匦赃M(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與常規(guī)挑坎進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論。
（1） 變底坡?lián)綒饪驳钠骄徠露问切纬煞€(wěn)定空腔的過(guò)渡段，通過(guò)調(diào)整其水平長(zhǎng)度可以控制水舌落點(diǎn)在陡坡段的位置。
（2） 變底坡?lián)綒饪驳亩钙露纹鸬狡巾樸暯訏伾渌?、減小射流沖擊角度的作用，很大程度上決定了摻氣坎的摻氣性能，坡度越大，越有利于減少空腔回水，坡度以稍緩于坡頂水舌下緣面坡度最佳。
（3） 相比于常規(guī)挑坎，變底坡?lián)綒饪材軌蜻m應(yīng)更大范圍的水位變化，保證摻氣空腔在水位大幅下降過(guò)程中均能保持穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
［1］ 周赤，李靜.突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施深化研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015，32（9）：76-79，89.
［2］ 朱榮林.突擴(kuò)跌坎式通氣設(shè)施的若干問(wèn)題［C］∥中國(guó)水利科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集：第21集.北京：水利電力出版社，1986.
［3］ 肖興斌.三峽工程泄洪深孔摻氣減蝕設(shè)施研究評(píng)述［J］.水利水電科技進(jìn)展，2003，23（2）：51-54.
［4］ 張立恒，許唯臨.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問(wèn)題的試驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6（15）：2388-2389.
［5］ 王芳芳，吳時(shí)強(qiáng).小底坡泄洪洞突擴(kuò)突跌摻氣坎水力特性［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2017（7）：65-73.
［6］ 高昂.摻氣減蝕技術(shù)及摻氣設(shè)施研究進(jìn)展［J］.水利水電科技進(jìn)展，2019，39（2）：86-94.
［7］ 支拴喜，閻晉垣.齒墩式摻氣坎的水力特性的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1991，22 （2）：42-46.
［8］ SU P，LIAO H，QIU Y，et al.Experimental study on a new type of aerator in spillway with low Froude number and mild slope flow ［J］.Journal of Hydrodynamics，2009，21（3）：415-422．
［9］ 漆力健，廖華勝，李貴吉，等.低佛勞德數(shù)摻氣坎空腔回水問(wèn)題研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38（7）：819-825．
［10］ 王海云，戴光清，楊慶，等.V型摻氣坎在龍?zhí)ь^式泄洪洞中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（11）：1371-1374．
［11］ 吳時(shí)強(qiáng)，王芳芳，王威，等.一種“燕尾坎+貼坡”摻氣方法及結(jié)構(gòu)：105220662A ［P］.2016-01-06.
［12］ 夏鵬飛.有壓出口接小底坡明渠新型摻氣減蝕設(shè)施研究［D］.成都：四川大學(xué)，2015.
［13］ 補(bǔ)金梓.某工程攔河壩泄洪消能研究［J］.吉林水利，2020（3）：32-36.
［14］ 王才歡，侯冬梅，李利，等.高水頭弧形閘門突擴(kuò)跌坎及摻氣設(shè)施體型研究與工程實(shí)踐［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31（5）：107-113.
［15］ 鄭大偉，馮業(yè)林.古水水電站放空沖沙洞摻氣減蝕研究［J］.土石壩技術(shù)2019年論文集.北京：中國(guó)電力出版社，2021：36-41.
編輯：李 慧
Study on aeration characteristics of variable bottom slope aerator of spillway tunnel
SONG Kai1，2，CHEN Liqiang1，2，ZHANG Luchen3，YANG Zhengli4，YE Junrong1，2
（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；
2.National Research Center for Dam Safety Engineering Technology，Wuhan 430010，China；
3.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；
4.College of Water Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）
Abstract：
In response to the serious problems of high head small bottom slope spillway tunnels with conventional flip bucket （drop bucket），such as cavity backflow，poor stability，and low adaptability to head variation，the variable bottom slope form of aerated bucket with \"flip bucket plus flat gentle slope plus steep slope\" was systematically studied through model test combined with the emptying cavity of Rumei Hydropower Station，and the influence of various parts of the variable bottom slope aerator （flip bucket，gentle slope section，and steep slope section） on the aerated cavity were revealed. The results showed that during the significant change in water level，the critical head of the cavity filled with back water corresponding to the bottom slope aerator was 73.5 m，which was 29.4 m higher than that of the conventional aerator. The research results can provide a reference for the layout of aerated facilities in high head small bottom slope spillway tunnels.
Key words：
spillway tunnel； variable bottom slope aerator； small slope； aerating cavity； aeration concentration； head adaptability
基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)自主創(chuàng)新項(xiàng)目“水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)信息化系統(tǒng)（二期）”（CX2023Z01-2）
作者簡(jiǎn)介：宋 凱，男，工程師，博士，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)工作。E-mail：1094116767@qq.com
引用格式：宋凱，陳利強(qiáng)，張陸陳，等.泄洪洞變底坡?lián)綒饪矒綒馓匦匝芯浚跩］.水利水電快報(bào)，2024，45（8）：78-83.
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摘要：針對(duì)高水頭小底坡泄洪洞采用常規(guī)挑（跌）坎存在的空腔回水現(xiàn)象嚴(yán)重、穩(wěn)定性差、水頭變幅適應(yīng)性差等問(wèn)題，通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，結(jié)合如美水電站放空洞，對(duì)“挑坎+平緩坡+陡坡”的變底坡形式摻氣坎進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了變底坡?lián)綒饪哺鞑课唬ㄌ簦ǖ┛?、平緩坡段以及陡坡段）?duì)摻氣空腔的影響機(jī)理。結(jié)果表明：在水位大幅變化過(guò)程中，變底坡?lián)綒饪矊?duì)應(yīng)的空腔充滿回水的臨界水頭值為73.5 m，比常規(guī)摻氣坎提高了29.4 m。研究結(jié)果可為高水頭小底坡泄洪洞的摻氣設(shè)施布置提供參考。
關(guān)鍵詞：泄洪洞； 變底坡?lián)綒饪玻?小底坡； 摻氣空腔； 摻氣濃度； 水頭適應(yīng)性
中圖法分類號(hào)：TV13""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.012
文章編號(hào)：1006-0081（2024）08-0078-06
0 引 言
放空洞在高水頭大流速下運(yùn)行時(shí)，常常伴隨有諸多水力學(xué)問(wèn)題［1］。其中，當(dāng)?shù)装迤露群苄r(shí)，摻氣設(shè)施往往存在空腔短、積水嚴(yán)重、進(jìn)氣難等問(wèn)題，空化空蝕問(wèn)題突出?；诖耍瑢＜覍W(xué)者對(duì)空腔回水產(chǎn)生機(jī)制以及創(chuàng)新型摻氣坎進(jìn)行了大量研究。
朱榮林等以摻氣效果作為依據(jù)，提出了摻氣臨界水頭［2］的概念，對(duì)摻氣設(shè)施是否失效進(jìn)行了量化，并認(rèn)為臨界水頭隨著底板坡度的減小而增大。肖興斌［3］在此基礎(chǔ)上通過(guò)模型試驗(yàn)總結(jié)出過(guò)坎水流的3種不同形態(tài)，并指出射流沖擊角是造成空腔回水現(xiàn)象的重要因素。張立恒等［4］通過(guò)系列模型試驗(yàn)得出射流沖擊角的臨界值為9°左右，且沖擊角的大小不僅與水流條件和摻氣設(shè)施體型有關(guān)，底板坡度也是重要的影響因素。王芳芳等［5］通過(guò)試驗(yàn)，總結(jié)出造成空腔回水的兩個(gè)“積水源”、水舌沖擊區(qū)回流與水舌帶走的水流處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的“退水機(jī)制”，并發(fā)現(xiàn)射流沖擊角是影響“積水源”和“退水機(jī)制”的主要因素。
高昂［6］統(tǒng)計(jì)了部分國(guó)內(nèi)外典型泄水建筑物的摻氣設(shè)施布置形式，總結(jié)出了摻氣設(shè)施的基本體型有挑坎、跌坎、摻氣槽、側(cè)壁突擴(kuò)等幾類。為了適應(yīng)不同工程的水流條件，支拴喜等［7］提出了齒墩式摻氣坎；Su 等［8］提出了一種適用于低弗雷德數(shù)明流泄洪洞的“梯型槽摻氣坎”。漆力健等［9］提出了一種“U 型坎+陡坡”的組合式摻氣設(shè)施；王海云等［10］提出了“V 型坎”。吳時(shí)強(qiáng)等［11］提出了“燕尾坎+貼坡”的組合摻氣結(jié)構(gòu)。夏鵬飛［12］、補(bǔ)金梓［13］對(duì)布置于有壓進(jìn)口末端的摻氣設(shè)施——楔形體摻氣坎進(jìn)行了系列的研究。以上創(chuàng)新性體型都較好地解決了各工程的摻氣問(wèn)題。
目前，工程上開(kāi)始較多采用局部變底坡形式摻氣坎來(lái)解決摻氣問(wèn)題［14］，并在古水水電站等工程上取得較好應(yīng)用［15］。然而，對(duì)于此類摻氣坎的工作原理及影響因素缺乏系統(tǒng)研究。本文以如美水電站工程為實(shí)例，對(duì)變底坡?lián)綒饪膊煌w型進(jìn)行系列模型試驗(yàn)，探究其各個(gè)體型參數(shù)對(duì)摻氣特性的影響規(guī)律，以及在水位大幅變化情況下的適應(yīng)性，為高水頭小底坡泄洪洞的摻氣減蝕技術(shù)研究提供參考。
1 研究方法
本文采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)變底坡?lián)綒饪策M(jìn)行系統(tǒng)研究，試驗(yàn)依托如美水電站放空洞模型，采用正態(tài)水工模型，遵循重力相似準(zhǔn)則，模型比尺為1∶80，模型見(jiàn)圖1。放空洞最大運(yùn)行水頭超過(guò)150 m，下游無(wú)壓洞段底板坡度較?。╥=473%），屬于典型的高水頭小底坡泄洪洞。無(wú)壓段為城門洞型，尺寸為11.0 m×15.0 m，長(zhǎng)度約為1 km。試驗(yàn)工況水力參數(shù)見(jiàn)表1，在研究變底坡?lián)綒饪搀w型對(duì)摻氣特性的影響時(shí)，運(yùn)行水頭高度為66 m（工程的設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭）；在對(duì)比摻氣坎的運(yùn)行水頭適應(yīng)性時(shí)，設(shè)置了6個(gè)不同的運(yùn)行水頭。
典型變底坡設(shè)計(jì)體型如圖2所示。設(shè)計(jì)原理：利用挑（跌）坎產(chǎn)生較長(zhǎng)的摻氣空腔；平緩坡段作為過(guò)渡段，是摻氣空腔的主要部位，通過(guò)調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度可控制水舌落點(diǎn)，優(yōu)化空腔形態(tài)；陡坡段是水舌與底板的銜接段，坡度決定了射流沖擊角的大小，可有效減少回流積水。
2 變底坡?lián)綒饪搀w型對(duì)空腔特性的影響
2.1 挑（跌）坎對(duì)空腔特性的影響
為比較挑坎和跌坎對(duì)空腔的影響，試驗(yàn)中設(shè)置了4個(gè)不同跌坎高度（Ts）和4個(gè)不同挑坎高度（Tr），分別為0.5，1.0，1.5 m和2.0 m，體型設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)水頭下的流態(tài)見(jiàn)圖3和圖4，試驗(yàn)組次、體型參數(shù)及結(jié)果列于表1。
由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：①" 隨著坎高的增加，空腔長(zhǎng)度呈增大的趨勢(shì)；②" 在同一坎高下，挑坎產(chǎn)生的空腔比跌坎產(chǎn)生的空腔長(zhǎng)，因此，在小底坡泄洪洞布置受限時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮采用挑坎體型作為摻氣設(shè)施的基本體型；③ 隨著坎高的增加，射流沖擊角呈增大趨勢(shì)；相同坎高下，挑坎（坡度為10%）對(duì)應(yīng)的射流沖擊角比跌坎大約12°～13°；④" 坎高每增加0.5 m，挑坎射流沖擊角約增加1.5°～2.5°，跌坎射流沖擊角增加約2.0°～3.0°，而隨著坎高的增加，射流沖擊角增加幅度變小。
對(duì)于挑坎，主要有2個(gè)因素影響其空腔形態(tài)：坎高和挑坎坡度。在不同坎高的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坎高較小時(shí)（Tr=0.5 m），形成的空腔較短，且極不穩(wěn)定；而當(dāng)坎高較大時(shí)（Tr=1.5 m或Tr=2.0 m），雖然空腔形態(tài)較好，但水面上方的洞頂余幅較小，難以滿足規(guī)范要求。當(dāng)Tr=1.0 m時(shí)，可產(chǎn)生較大空腔，也滿足水面上方洞頂余幅高度的要求，因此，以工況6的體型（挑坎坡度10%、坎高1.0 m）為基礎(chǔ)，對(duì)挑坎坡度進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)體型工況及結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在相同的水流條件下，空腔長(zhǎng)度和射流沖擊角均與挑坎坡度具有良好的線性關(guān)系，挑坎坡度每增加5%，空腔長(zhǎng)度大約增加3.0～5.5 m，射流沖擊角大約增加5.0°～6.5°。然而，射流沖擊角的增大，會(huì)導(dǎo)致回流現(xiàn)象的發(fā)生，摻氣效果增加了更多不確定性。另外，考慮到水舌與洞頂間的余幅高度，所以并不是坡度越大越好。
綜上，相對(duì)于跌坎而言，采用挑坎可以獲得更大的摻氣空腔，但同時(shí)也會(huì)形成更大的射流沖擊角。結(jié)合空腔積水深度隨著射流沖擊角的增大而整體呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)的結(jié)論，在應(yīng)用于小底坡泄洪洞時(shí)，由于水舌沖擊導(dǎo)致的回水不能被帶走，空腔回水現(xiàn)象嚴(yán)重，空腔形態(tài)在橫向增大的同時(shí)，縱向在縮小，如試驗(yàn)中所看到的空腔極不穩(wěn)定，摻氣效果差。因此，單獨(dú)選用跌坎或是挑坎形式，均難以達(dá)到有效摻氣的效果。
2.2 平緩坡段長(zhǎng)度對(duì)空腔特性的影響
在分析平緩坡段長(zhǎng)度對(duì)空腔的影響時(shí)，根據(jù)上文分析，考慮到空腔長(zhǎng)度以及洞頂余幅空間，挑坎高度取Tr=1.0 m，挑坎坡度取i1=10%作為基礎(chǔ)體型。在設(shè)計(jì)水頭工況下形成的摻氣空腔長(zhǎng)度為172 m，射流沖擊角為22.7°，為了流暢地銜接水流，試驗(yàn)時(shí)陡坡段坡度取i3=20%。通過(guò)調(diào)整平緩坡段長(zhǎng)度來(lái)控制水舌落點(diǎn)，分別落在陡坡段的上端、中間、末尾以及下游區(qū)，體型參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，典型水流流態(tài)如圖5所示。
從圖5中可以看到，出挑水流與洞頂之間留有一定的余幅空間（經(jīng)測(cè)量，洞頂余幅為35.2%，大于規(guī)范中20%的要求），摻氣空腔較長(zhǎng)，表明采取的挑坎體型是合理的。當(dāng)水舌落點(diǎn)處于陡坡段范圍內(nèi)時(shí)，空腔穩(wěn)定無(wú)積水，水流流態(tài)良好；當(dāng)水舌落在陡坡段下游洞身底板上時(shí)，空腔積水仍然較嚴(yán)重，這是因?yàn)樯淞鳑_擊角大于產(chǎn)生回流的臨界值，下泄的水流無(wú)法帶走回水。因此，在設(shè)計(jì)平緩坡段長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮水舌落點(diǎn)位置，以落點(diǎn)處于陡坡段中間位置為宜。此外，適當(dāng)增大平緩坡段的坡度，利用重力消除水舌下緣脫落的水滴，在水位大變幅變化的工程中，還應(yīng)考慮水位變化時(shí)的水舌落點(diǎn)范圍。
2.3 陡坡段坡度對(duì)空腔特性的影響
根據(jù)研究，射流沖擊角是決定空腔回水的主要因素之一，變底坡?lián)綒饪驳莫?dú)特之處在于可以通過(guò)調(diào)整陡坡段的坡度來(lái)控制射流沖擊角的大小。由前文分析可知，在設(shè)計(jì)水位時(shí)的射流沖擊角為227°，擬定3個(gè)不同的陡坡段坡度，分別為10%、15%及20%。各體型的流態(tài)見(jiàn)圖6～8，當(dāng)陡坡坡度為10%時(shí)，可以明顯看到空腔內(nèi)存在一定厚度的回水，導(dǎo)致空腔長(zhǎng)度減??；當(dāng)陡坡坡度增大到15%時(shí)，空腔積水顯著減少；當(dāng)陡坡坡度增大到20%時(shí)，空腔內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)積水現(xiàn)象，僅在水舌落點(diǎn)處有少量回水。試驗(yàn)結(jié)果表明，陡坡段坡度對(duì)消除空腔積水至關(guān)重要，隨著坡度變陡，回溯水流及空腔積水明顯減弱，坡度以稍緩于坡頂水舌下緣面坡度最佳。
摻氣坎的摻氣效果隨著水流條件的變化而變化，如當(dāng)運(yùn)行水頭減小，流速減小時(shí)，摻氣空腔必然會(huì)減小甚至消失，即摻氣設(shè)施只在一定的水頭（流速）范圍內(nèi)是有效的。對(duì)比分析常規(guī)挑坎（坡度10%，坎高1.0 m）和變底坡?lián)綒饪玻ㄌ艨部哺?.0 m，挑坎坡度10%；平緩坡段長(zhǎng)度15 m；陡坡坡度20%）在水位大變幅變化過(guò)程中的水流流態(tài)，進(jìn)一步了解摻氣設(shè)施的應(yīng)用適應(yīng)性。各工況試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。在不同高度運(yùn)行水頭下的水流流態(tài)見(jiàn)圖9～12。
對(duì)于常規(guī)挑坎方案，可以看到運(yùn)行水頭減小到90 m時(shí)摻氣空腔已經(jīng)出現(xiàn)回水現(xiàn)象，到設(shè)計(jì)水頭66 m時(shí)，空腔被回水填滿，摻氣設(shè)施失效。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中逐步降低庫(kù)水位，觀測(cè)得到空腔充滿回水現(xiàn)象的臨界水頭值約為73.5 m。此水頭下，洞內(nèi)水流流速大，摻氣設(shè)施失效會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的空蝕破壞。
對(duì)于變底坡?lián)綒饪?，在運(yùn)行水頭降低到設(shè)計(jì)水頭66 m的過(guò)程中，摻氣空腔始終較為穩(wěn)定，空腔末端（即水舌落點(diǎn)）從陡坡末端逐漸上移到前端，整個(gè)過(guò)程一直處于陡坡范圍內(nèi)，在試驗(yàn)過(guò)程中逐步降低庫(kù)水位，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水舌落點(diǎn)靠近陡坡頂端時(shí)，空腔內(nèi)出現(xiàn)積水并逐漸增多。觀測(cè)得到空腔充滿回水現(xiàn)象的臨界水頭值約為44.1 m，比常規(guī)挑坎的臨界水頭低了29.4 m，且在此水頭下，洞內(nèi)水流流速小于20 m/s，摻氣設(shè)施失效也不影響運(yùn)行安全。
4 結(jié) 論
本文采用模型試驗(yàn)的方法，對(duì)變底坡?lián)綒饪驳乃μ匦赃M(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與常規(guī)挑坎進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論。
（1） 變底坡?lián)綒饪驳钠骄徠露问切纬煞€(wěn)定空腔的過(guò)渡段，通過(guò)調(diào)整其水平長(zhǎng)度可以控制水舌落點(diǎn)在陡坡段的位置。
（2） 變底坡?lián)綒饪驳亩钙露纹鸬狡巾樸暯訏伾渌?、減小射流沖擊角度的作用，很大程度上決定了摻氣坎的摻氣性能，坡度越大，越有利于減少空腔回水，坡度以稍緩于坡頂水舌下緣面坡度最佳。
（3） 相比于常規(guī)挑坎，變底坡?lián)綒饪材軌蜻m應(yīng)更大范圍的水位變化，保證摻氣空腔在水位大幅下降過(guò)程中均能保持穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
［1］ 周赤，李靜.突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施深化研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015，32（9）：76-79，89.
［2］ 朱榮林.突擴(kuò)跌坎式通氣設(shè)施的若干問(wèn)題［C］∥中國(guó)水利科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集：第21集.北京：水利電力出版社，1986.
［3］ 肖興斌.三峽工程泄洪深孔摻氣減蝕設(shè)施研究評(píng)述［J］.水利水電科技進(jìn)展，2003，23（2）：51-54.
［4］ 張立恒，許唯臨.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問(wèn)題的試驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6（15）：2388-2389.
［5］ 王芳芳，吳時(shí)強(qiáng).小底坡泄洪洞突擴(kuò)突跌摻氣坎水力特性［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2017（7）：65-73.
［6］ 高昂.摻氣減蝕技術(shù)及摻氣設(shè)施研究進(jìn)展［J］.水利水電科技進(jìn)展，2019，39（2）：86-94.
［7］ 支拴喜，閻晉垣.齒墩式摻氣坎的水力特性的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1991，22 （2）：42-46.
［8］ SU P，LIAO H，QIU Y，et al.Experimental study on a new type of aerator in spillway with low Froude number and mild slope flow ［J］.Journal of Hydrodynamics，2009，21（3）：415-422．
［9］ 漆力健，廖華勝，李貴吉，等.低佛勞德數(shù)摻氣坎空腔回水問(wèn)題研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38（7）：819-825．
［10］ 王海云，戴光清，楊慶，等.V型摻氣坎在龍?zhí)ь^式泄洪洞中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（11）：1371-1374．
［11］ 吳時(shí)強(qiáng)，王芳芳，王威，等.一種“燕尾坎+貼坡”摻氣方法及結(jié)構(gòu)：105220662A ［P］.2016-01-06.
［12］ 夏鵬飛.有壓出口接小底坡明渠新型摻氣減蝕設(shè)施研究［D］.成都：四川大學(xué)，2015.
［13］ 補(bǔ)金梓.某工程攔河壩泄洪消能研究［J］.吉林水利，2020（3）：32-36.
［14］ 王才歡，侯冬梅，李利，等.高水頭弧形閘門突擴(kuò)跌坎及摻氣設(shè)施體型研究與工程實(shí)踐［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31（5）：107-113.
［15］ 鄭大偉，馮業(yè)林.古水水電站放空沖沙洞摻氣減蝕研究［J］.土石壩技術(shù)2019年論文集.北京：中國(guó)電力出版社，2021：36-41.
編輯：李 慧
Study on aeration characteristics of variable bottom slope aerator of spillway tunnel
SONG Kai1，2，CHEN Liqiang1，2，ZHANG Luchen3，YANG Zhengli4，YE Junrong1，2
（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；
2.National Research Center for Dam Safety Engineering Technology，Wuhan 430010，China；
3.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；
4.College of Water Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）
Abstract：
In response to the serious problems of high head small bottom slope spillway tunnels with conventional flip bucket （drop bucket），such as cavity backflow，poor stability，and low adaptability to head variation，the variable bottom slope form of aerated bucket with \"flip bucket plus flat gentle slope plus steep slope\" was systematically studied through model test combined with the emptying cavity of Rumei Hydropower Station，and the influence of various parts of the variable bottom slope aerator （flip bucket，gentle slope section，and steep slope section） on the aerated cavity were revealed. The results showed that during the significant change in water level，the critical head of the cavity filled with back water corresponding to the bottom slope aerator was 73.5 m，which was 29.4 m higher than that of the conventional aerator. The research results can provide a reference for the layout of aerated facilities in high head small bottom slope spillway tunnels.
Key words：
spillway tunnel； variable bottom slope aerator； small slope； aerating cavity； aeration concentration； head adaptability
基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)自主創(chuàng)新項(xiàng)目“水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)信息化系統(tǒng)（二期）”（CX2023Z01-2）
作者簡(jiǎn)介：宋 凱，男，工程師，博士，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)工作。E-mail：1094116767@qq.com
引用格式：宋凱，陳利強(qiáng)，張陸陳，等.泄洪洞變底坡?lián)綒饪矒綒馓匦匝芯浚跩］.水利水電快報(bào)，2024，45（8）：78-83.
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