摻氣減蝕在白蓮崖泄洪隧洞中的應(yīng)用

沈 敏

(安徽省淮委水利科學(xué)研究院,安徽蚌埠 233000)

在高水頭泄水建筑物中,由于過流建筑物體形不合理或表面不平整,水流經(jīng)過該區(qū)域時(shí)發(fā)生脫離形成旋渦,水流速度越大,漩渦旋轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈,漩渦內(nèi)部壓強(qiáng)越低,當(dāng)漩渦內(nèi)部壓強(qiáng)降低到一定程度時(shí),溶解在水流中的氣核將膨脹變成氣泡,氣泡隨著水流流出漩渦區(qū),進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)潰滅,水體以極大的速度和沖擊力填補(bǔ)氣泡空間,如果氣泡在建筑物邊壁潰滅,就可能對(duì)建筑物造成破壞,這種現(xiàn)象稱之為高速水流氣蝕。就龍?zhí)ь^式泄洪隧洞而言,即使是合理的體型,由于高速水流的脈動(dòng),在隧洞進(jìn)口至反弧段末端處也難免發(fā)生氣蝕破壞。

為了減少和防止高水頭泄水建筑物過流面發(fā)生氣蝕破壞,早期的措施主要是控制過流面的不平整度,以提高水流的氣穴數(shù);采用高強(qiáng)度抗蝕材料,改善材料的物理性能[1]。這兩項(xiàng)措施都給施工工藝帶來非常高的要求,從而提高建筑物的造價(jià)。研究表明,當(dāng)水中的含氣濃度為 1%—2%時(shí),就可以在一定程度上減免氣蝕,而當(dāng)水中含氣濃度大于5%—7%時(shí),就可以完全避免氣蝕。

水工設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,水流速度在 25 m/s以上時(shí),應(yīng)考慮氣蝕問題,流速達(dá) 30 m/s以上時(shí),溢洪道或明流泄洪隧洞應(yīng)設(shè)置摻氣槽,以減免氣蝕破壞。

摻氣減蝕就是在容易發(fā)生空化區(qū)上游設(shè)置摻氣坎,利用通氣孔與大氣相通,當(dāng)水流在坎后形成空腔產(chǎn)生負(fù)壓時(shí),迫使空氣大量摻入水流中,形成摻氣水流保護(hù)區(qū),以達(dá)到減免氣蝕的作用。

目前世界上已經(jīng)有二十多座溢洪道或泄洪隧洞采用了摻氣減蝕設(shè)施,并且運(yùn)行良好。我國馮家山、烏江渡、魯布革、盤頭石等水庫和正在興建的安徽省白蓮崖水庫都采取通氣減蝕工程措施。工程實(shí)踐證明,通氣減蝕具有工藝簡單、造價(jià)低、減蝕效果好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是影響流態(tài),對(duì)于跳坎局部增加水深,這在工程上很容易采取措施加以克服。

1 白蓮崖大壩泄洪隧洞氣蝕特征

白蓮崖水庫位于安徽省六安市霍山縣境內(nèi),水庫流域?qū)儆诎不帐∥髂喜看髣e山北麓。壩址地處淮河南岸主要支流淠河的東源西支流漫水河上,距下游已建的佛子嶺水庫 26 km,距霍山縣城 42 km,水庫流域面積 745 km2,總庫容 4.60億 m3。水庫流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候,降水隨地形抬升而遞增的現(xiàn)象較明顯。年平均氣溫 15.10℃,年平均日照時(shí)數(shù) 2084 h,流域多年平均面雨量 1540 mm,最大面雨量 2613.3 mm(1954年),最小面雨量 896.5 mm(1978年)。降水主要集中在汛期 (5—9月),占年平均降雨量 45.2%。多年平均徑流 10.62億 m3,最大年徑流 18.19億 m3(1969年),最小年徑流 4.24億 m3(1978年)。多年平均蒸發(fā)量 1349 mm。

大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩,最大壩高 104.6 m,泄洪隧洞位于大壩左岸,由導(dǎo)流洞改建為“龍?zhí)ь^”式明流洞,全長 244.7 m,最大泄量約 900 m3/s。進(jìn)口底坎高程 160.0 m,設(shè)平板事故門和弧形工作門各一扇,工作閘門控制斷面尺寸為 5.7 m×4.0 m。進(jìn)口水平段長 11.656 m,其中有壓段 8 m,水平段通過拋物線與反弧連接平洞段,曲線過渡段水平長 75.68 m,平洞全長 88.4184 m,底坡 0.5%,截面為 5.9 m×8.0 m(寬 ×高)的城門洞形。末端采用挑流消能,泄洪隧洞全程落差 27 m。

白蓮崖水庫汛限水位 205 m,設(shè)計(jì)水位 209.24 m,校核水位 234.50 m,泄洪水頭變化范圍在 70 m至 100 m。在設(shè)計(jì)水位下泄洪隧洞有壓水流進(jìn)入明流洞時(shí)水流流速超過 30 m/s,在校核水位下最大流速達(dá)到 40 m/s。白蓮崖泄洪隧道工程布置如圖1所示。

圖1 白蓮崖泄洪隧道工程布置圖

對(duì)于龍?zhí)ь^式明流隧洞摻氣水流和明流陡渠一樣分可為清水區(qū)、摻氣發(fā)展區(qū)和充分摻氣區(qū)。當(dāng)水流底部邊界層發(fā)展到水面時(shí),水流自由面開始波動(dòng),空氣卷入水體中開始摻氣,此處為摻氣發(fā)生點(diǎn),從明流段進(jìn)口至摻氣發(fā)生點(diǎn)為清水區(qū);由于水流的紊動(dòng)作用,空氣從水流表面摻入水體后,沿程向水流深處發(fā)展直至底部,此段為摻氣發(fā)展區(qū);這時(shí),水流中氣泡做兩種運(yùn)動(dòng)：一是水流的紊動(dòng)力把摻入的氣泡向下推進(jìn),二是浮力作用使氣泡達(dá)到最低點(diǎn)后向上浮起,逸出水面。開始階段氣泡向下?lián)饺肓看笥谙蛏细∑鹨莩隽?最后達(dá)到平衡,此段為充分摻氣區(qū)[2]。

模型試驗(yàn)資料表明,白蓮崖泄洪隧洞在設(shè)計(jì)水位條件下,摻氣發(fā)生點(diǎn)位于反弧段附近,也就是說明流洞陡坡段全為清水區(qū),摻氣發(fā)展區(qū)末端接近平洞出口。對(duì)于校核水位工況下由于流量大水深增加,摻氣發(fā)生點(diǎn)將向下游推移,清水區(qū)和摻氣發(fā)展區(qū)范圍亦相應(yīng)擴(kuò)大,以致整個(gè)明流洞底部和邊壁都處在清水范圍內(nèi),具備了高速水流氣化氣蝕破壞的必要條件。

氣穴數(shù)是判別氣穴發(fā)生的指標(biāo),當(dāng)氣穴數(shù)小于臨界氣穴數(shù)時(shí),水流即開始?xì)饣?氣穴數(shù)愈小愈容易氣化。氣穴數(shù) k的計(jì)算式如下：

式中：p和V為水流特征斷面絕對(duì)壓強(qiáng)和平均流速;pv為蒸汽壓強(qiáng)。

上式計(jì)算所得氣穴數(shù)值為平均氣穴ˉk數(shù)。由于高速水流的脈動(dòng)性,其瞬時(shí)氣穴數(shù)要比平均氣穴數(shù)小一個(gè)脈動(dòng)量 k′,而

根據(jù)前人試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于強(qiáng)烈紊動(dòng)水流底部氣穴數(shù)的脈動(dòng)量約為 0.14,因此

對(duì)于白蓮崖泄洪隧洞進(jìn)口段,選擇 0+00為特征斷面,該處設(shè)計(jì)和校核水位工況下底部壓強(qiáng)分別為 6.75 m和 8.48 m;平均流速分別為 30.7 m/s和37.4 m/s;取大氣壓強(qiáng) 10.33 m;查 15℃水溫的蒸汽壓強(qiáng)為 0.174 m,代入上式計(jì)算該處平均氣穴數(shù)分別為 0.35和 0.26;瞬時(shí)氣穴數(shù)為 0.21和 0.123。試驗(yàn)資料顯示水流邊壁上凸體和凹槽氣初生氣穴數(shù)一般都大于 1,很明顯,如果不采取防氣蝕措施,白蓮崖泄洪隧洞高壓閘門后直至明流洞出口皆處在氣蝕破壞危險(xiǎn)之中。

2 摻氣減蝕方案試驗(yàn)研究

根據(jù)以上分析白蓮崖泄洪隧洞必須采取摻氣保護(hù)措施以減免氣蝕破壞。摻氣減蝕措施可分為底板和進(jìn)口段側(cè)墻兩部分,摻氣坎形式和尺寸由試驗(yàn)確定,其標(biāo)準(zhǔn)是：(1)有足夠大空腔,以使摻氣充分保護(hù)范圍盡量大;(2)進(jìn)氣管道斷面大小要合適,以免空腔內(nèi)負(fù)壓過大,一般不超過 -1 m為宜;(3)盡量減少水面隆起沖刷洞頂,以避免明滿流過現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)過泄洪隧洞單體摻氣模型試驗(yàn)資料分析,底版摻氣減蝕方案為設(shè)兩級(jí)摻氣坎,即在高壓閘門出口水平段末端設(shè)一水平跌坎為一級(jí)摻氣坎,在反弧段末端設(shè)一跳坎為二級(jí)摻氣坎。

一級(jí)跌坎坎后下跌 1.5 m,下接 i=0.119陡坡,在與 00+041.060處圓弧段連接。為消除邊壁清水區(qū),在跌坎兩側(cè)設(shè)置側(cè)突擴(kuò),突擴(kuò)槽長 3.0 m,上緣寬 1.0 m,下緣寬 0.625 m。突擴(kuò)下緣下接1∶12斜坡,坡長 2.017 m通過半徑 R=60.0 m、圓心角Φ=4.76°的圓弧與下游邊墻連接。

二級(jí)通氣坎為挑跌坎結(jié)合,由于坎下游底坡很緩,為保證水舌下緣空腔不小于 10 m又不致造成水面線過分拱起,挑角取 6°。第二級(jí)坎后至 0+131.780為坡度 i=0.005的斜直段,后接坡度為 i=0.095的斜坡段至 0+141.919處,再續(xù)接 i=0.005長坡直至泄洪洞出口。如此布置使水舌降落在陡坡上,以消除空腔內(nèi)回水。

一級(jí)通氣坎從高壓閘門工作豎井進(jìn)氣 (豎井通氣面積為 3×5.9 m),該進(jìn)氣豎井同時(shí)向水流上表面、底空腔和突擴(kuò)側(cè)空腔供氣。

利用針式摻氣儀測量相關(guān)摻氣濃度。對(duì)其模型試驗(yàn),按照相關(guān)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。先于試驗(yàn)開始時(shí),將摻氣傳感器置于試驗(yàn)水體中進(jìn)行清水調(diào)零,試驗(yàn)過程中間和試驗(yàn)完畢后,亦進(jìn)行調(diào)零復(fù)核。熱絲風(fēng)速儀在與模型相同氣溫條件下調(diào)零,試驗(yàn)過程中進(jìn)行調(diào)零復(fù)核。試驗(yàn)中觀測汛限工況和設(shè)計(jì)工況下?lián)綒饪采淞骺涨?6個(gè)特征斷面沿程含氣濃度的垂線分布,實(shí)測數(shù)值見表1。

表1 終結(jié)布置方案特征斷面摻氣濃度表

結(jié)果表明,摻氣分布規(guī)律相很典型。從肉眼觀察可以看出,水流摻氣比較充分,底部和邊壁處水體均變成乳白色。因此,可以認(rèn)為本方案摻氣效果較好,滿足了摻氣量的要求。

對(duì)于摻氣測量,目前尚無成熟手段,規(guī)范也未就近壁處量測給于明確規(guī)定,且指明模型中的摻氣濃度只供相對(duì)比較參考,為慎重起見,我們用同位素放射性摻氣儀與針式摻氣儀作了比較試驗(yàn),結(jié)果是前者比后者大 2%—4%,究其原因可能針式摻氣儀未能捕捉所有氣泡。比較試驗(yàn)表明,本次試驗(yàn)中所有摻氣濃度測量結(jié)果偏于安全。

從模型試驗(yàn)流態(tài)觀察可以看出,該方案洞內(nèi)水流平順,由于大量空氣摻入水流,水體變成乳白色,水流上部為不連續(xù)的離散體,沒有明顯的水面。在汛限、設(shè)計(jì)和校核水位下,一級(jí)通氣坎空腔長度分別達(dá)到 15 m,20 m和 23 m;二級(jí)通氣坎空腔長度分別達(dá)到 15.2 m,20.5 m和 15 m;側(cè)空腔長度分別為5.0 m,5.5 m和 5.0 m,滿足摻氣設(shè)計(jì)要求。

從沿程實(shí)測含氣濃度的垂線分布曲線可以看出,摻氣分布規(guī)律相很典型。肉眼觀察水流摻氣比較充分,底部和邊壁處水體均變成乳白色。因此,可以認(rèn)為本方案摻氣效果較好,滿足了摻氣量的要求。各斷面含氣濃度分布曲線如圖2所示。

圖2 沿程含氣濃度分布曲線

3 主要結(jié)論

3.1 鑒于白蓮崖隧洞明流段由陡坡經(jīng)反弧過渡到平坡,流態(tài)復(fù)雜,流速大且自然摻氣不充分,全洞處在清水區(qū),應(yīng)采取摻氣減蝕措施加以保護(hù)。

3.2 根據(jù)水工模型摻氣保護(hù)長度試驗(yàn)資料,底版設(shè)置兩級(jí)摻氣坎是合適的,進(jìn)口邊墻的壓力小較底版更容易發(fā)生氣蝕,因此,必須設(shè)置側(cè)突擴(kuò)摻氣槽,側(cè)空腔保護(hù)長度最小達(dá) 5 m,符合規(guī)范要求。

3.3 通過各種方案試驗(yàn)研究得出摻氣減蝕優(yōu)化布置方案,試驗(yàn)表明,水體底部和側(cè)面摻氣充分并和水面自然摻氣融匯成乳白色摻氣,將起到有效的減蝕作用;除去不利因素影響,減蝕效果可達(dá) 28.5%,最高更可達(dá)到 44.5%。

3.4 在高壓閘門致一級(jí)坎不在摻氣保護(hù)范圍之內(nèi),此區(qū)段的空蝕問題同樣存在,因引起注意,建議采用C40以上高強(qiáng)度材料以抗氣蝕破壞。

[1] 韋盛國.水工建筑物的空化與氣蝕[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008(16)：159-160.

[2] 賈德武.白蓮崖水庫泄洪洞摻氣減蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江淮水利科技,2009(4)：10-12.