結(jié)合工程實例淺談高速水流泄水建筑物抗空蝕破壞措施

蔣買勇

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙市 410131）

隨著我國水資源的大力開發(fā)，現(xiàn)存的未開發(fā)水電資源點大部分位于高山峽谷中，該部分資源點的共同特點是：擋水建筑物高度較高，泄水建筑物泄流量大，上下水頭差大，過流面流速高，且多為流域的龍頭水庫或大江大河的上游水庫。

自20世紀(jì)70年代開始，我國在貴州、云南、廣西等不同地區(qū)，相繼已建、在建一批高水頭電站，對于200m級高水頭電站，泄水建筑物下游過流面水流流速高達(dá)50m/s，時均壓力較低，極易發(fā)生水流空化現(xiàn)象，引起過流面空蝕破壞。其高流速泄水建筑物成功的減蝕措施除控制邊壁不平整度和采用抗空蝕材料之外，主要是通過水工模型試驗優(yōu)化泄水建筑物關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)體型和水流摻氣，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空化或減低空蝕破壞程度。我們可以結(jié)合工程特點從設(shè)計和施工角度采取合理的減蝕措施。

1 高速水流泄水建筑物抗空蝕破壞的工程實例

20世紀(jì)70年代修建的貴州烏江渡水電站，是我國首例成功采用摻氣措施保護(hù)高流速過流面的工程實例。其泄水建筑物由溢流表孔、左右兩岸滑雪式溢洪道、中孔、泄洪洞和放空洞組成。溢洪道最大單寬流量201m3/s·m，最大流速41m/s。工程整個泄水建筑物共設(shè)11處摻氣減蝕設(shè)施，其中滑雪式溢洪道在反弧起點和反弧段各設(shè)一道坎槽式摻氣設(shè)施；左岸泄洪洞在反弧段起點設(shè)一道坎槽式摻氣設(shè)施；右岸泄洪洞在斜坡段一道坎槽式摻氣設(shè)施，平直段設(shè)突坎；4個溢流表孔分別在反弧起點設(shè)有一道坎槽式摻氣設(shè)施。洪水設(shè)計頻率較低時，泄槽水深達(dá)5m，除泄槽底部設(shè)有摻氣設(shè)施外，壁面不再布置其它摻氣設(shè)施。該工程在高流速區(qū)反弧段和斜坡段，每道摻氣設(shè)施保護(hù)長度為（50～60）m，平直段每道摻氣設(shè)施保護(hù)長度接近80m。原形觀測顯示：每道摻氣設(shè)施末端最低摻氣濃度為1.7%。工程建成運行至今，每年汛期頻繁泄洪，建筑物完好如初。

2002年開始興建的貴州三板溪水電站，其堆石主壩最大壩高187.5m，正常蓄水位475m。泄水建筑物之一的開敞式溢洪道全程水平長684.88m，控制段長47m，泄槽段長637.88m。溢洪道最大下泄量為163001m3/s，最大單寬流量222.73m3/s·m，進(jìn)出口全程水頭差高達(dá)140m，其出口段最大流速高達(dá)47m/s左右。試驗比較了挑坎式和坎槽式兩種兩種摻氣設(shè)施：挑坎式運行較省心，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工困難；坎槽式結(jié)構(gòu)簡單，施工便捷，但閘門開啟時存在貼壁流，有可能槽內(nèi)積水。最終選定坎槽式摻氣方案。通過1∶40溢洪道摻氣減蝕模型試驗：將泄槽全程原六道摻氣設(shè)施改為五道，并調(diào)整摻氣槽位置。水流流經(jīng)各道摻氣挑坎時，水面波動不大，總體平順。除摻氣空腔出現(xiàn)極小的負(fù)壓外，泄槽全段不出現(xiàn)負(fù)壓。兼具放空作用的泄洪洞最大下泄流量2921m3/s，最低運行水位75m，最大水頭達(dá)140m，沿程最大流速達(dá)48m/s。因泄洪洞洞內(nèi)排水困難，經(jīng)多次設(shè)計修改和模型試驗研究，選定的摻氣系統(tǒng)為挑坎式，坎下局部變坡接圓弧段，進(jìn)水塔頂設(shè)置兩個通氣豎井向弧門背后和泄洪洞補氣，整個泄洪洞共布置四道摻氣坎，泄洪洞兩側(cè)設(shè)置通氣豎井，直接將氣體輸送至坎下。泄洪洞在放空工況下，第二道摻氣坎末端最低摻氣濃度為0.93%，其余大部分摻氣濃度大于1.7%。

天生橋一級泄水建筑物，豐滿電站、東江電站泄水建筑物等工程，皆通過摻氣等措施避免了高速水流引起的空蝕破壞。

2 高速水流泄水建筑物抗空蝕破壞的措施研究

2.1 目前主要研究成果

國內(nèi)外已有許多工程由于空蝕而使建筑物遭受嚴(yán)重破壞，如何減免泄水建筑物的空蝕破壞，它關(guān)系到工程的安全運行，是工程設(shè)計、施工、管理中一個十分重要的課題。近幾年來，一些室內(nèi)試驗、原型觀測及實踐經(jīng)驗證明減免空蝕破壞的措施大體有如下幾個途徑：選用合適的過流邊界型體；對過流邊界的不平整度在施工中予以嚴(yán)格控制；采用抗空蝕性能好的材料；采用通氣減蝕設(shè)施。

2.2 設(shè)計經(jīng)驗

2.2.1 摻氣減蝕設(shè)計

從工程摻氣減蝕設(shè)計、試驗、原形觀測等成果得出：摻氣確能減輕或避免高速水流對過流建筑物的空蝕破壞，但摻氣設(shè)施的最終型式、尺寸、數(shù)量等應(yīng)通過模型試驗優(yōu)化、驗證，大型工程還應(yīng)根據(jù)原型觀測、跟蹤、分析、反饋摻氣設(shè)施的運行情況及時解決出現(xiàn)的問題，也為今后其它類似工程積累經(jīng)驗。

摻氣設(shè)施相對位置的確定：摻氣減蝕的效果主要取決于摻氣設(shè)施的布置、結(jié)構(gòu)型式、通氣面積、摻氣保護(hù)長度。試驗往往用水面流態(tài)、空腔長度、空腔穩(wěn)定效果、摻氣濃度、沿程水壓等來衡量摻氣效果。應(yīng)通過試驗驗證摻氣設(shè)施布置的合理性。

國內(nèi)外諸多大型高流速泄水建筑物原型觀測顯示：反弧段摻氣損失高達(dá)每米1%左右，直線段沿程損失為每米0.4%左右，坡度愈陡、摻氣溢出愈快，保護(hù)長度愈短。故在坡度較陡段，每段摻氣設(shè)施保護(hù)長度較直線段短，一般?。?0～100）m；直線段一般取（100～150）m，如有試驗驗證，可放寬至（200～300）m。摻氣設(shè)施盡量布置于易于發(fā)生空蝕破壞和需要重點保護(hù)部位。

摻氣濃度的確定：每道摻氣設(shè)施保護(hù)長度究竟取多大，至今沒有定論，一些高速水流研究者建議按水流底部摻氣濃度的沿程損失率來確定，但因泄水建筑物體型、坡降的較大差異性，無恒定標(biāo)準(zhǔn)。

模型試驗和工程原型觀測顯示：當(dāng)泄水建筑物近壁處摻氣濃度達(dá)1.5%～2.5%時，高速水流過流面的空蝕破壞程度顯著減輕；當(dāng)近壁處摻氣濃度達(dá)7%～8%時，混凝土試件基本無空蝕現(xiàn)象。溢洪道規(guī)范規(guī)定：在摻氣槽保護(hù)范圍內(nèi)，近壁處摻氣濃度不得小于2%～3%。試驗和原型觀測得出：近壁處由表及里，摻氣濃度逐步降低。設(shè)計只要保證泄水建筑物底部摻氣充分，近壁處的摻氣足以保證其不受空蝕破壞，故設(shè)計只須在泄水建筑物底部設(shè)置摻氣設(shè)施，側(cè)壁無須另外增加摻氣設(shè)施。在摻氣設(shè)施保護(hù)的末端，底部摻氣濃度可適當(dāng)放寬至1.2%。

通氣孔面積的確定：通氣孔面積等于通氣量除以風(fēng)速，通氣量同泄量有關(guān)?？紤]摻氣量沿程損失，在摻氣設(shè)施起始端，摻氣濃度往往按5%～6%考慮。通氣量等于摻氣濃度乘以泄量，泄量按最大工況考慮，最大單寬通氣量宜為（12～15）m3/s·m，通風(fēng)管安全風(fēng)速應(yīng)小于60m/s，通風(fēng)口應(yīng)有安全保護(hù)措施。

空腔壓力，應(yīng)以保證空腔順利進(jìn)氣為原則，可在（-2～-14）kPa間選取。

2.2.2 抗空蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計

泄水建筑物是否發(fā)生空蝕，除跟過流面的時均壓力和流速有關(guān)外，跟泄水建筑物的體型也密不可分。每一種體型的泄水建筑物在一定的運行條件下都對應(yīng)一個初生空化系數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)體型設(shè)計合理時，可以改變過流邊壁輪廓形式，避免邊壁出現(xiàn)過低的低壓區(qū)。反映在試驗上，就是水流的空化系數(shù)大于結(jié)構(gòu)的初生空化系數(shù)。

對泄水建筑物中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、摻氣設(shè)施難以布置的關(guān)鍵部分，往往需要設(shè)計、科研聯(lián)合研究出抗空蝕體型，避免高速水流對該部分產(chǎn)生空蝕破壞。

抗空蝕體型分為兩種：一種是盡量減低空蝕破壞的體型，另一種是無空蝕結(jié)構(gòu)。顧名思義，“無空蝕結(jié)構(gòu)”就是根據(jù)空穴特性確定結(jié)構(gòu)體型，使得空化界面從該建筑物表面分離后不再貼附于泄流建筑物邊界上，避免了建筑物邊壁空蝕破壞。目前設(shè)計、試驗、施工中較常采用的為減低空蝕結(jié)構(gòu)，無空蝕結(jié)構(gòu)是研究方向。

三板溪水電站泄洪洞進(jìn)水口中隔墩尾部，為進(jìn)水口兩洞室出流的交匯處，結(jié)構(gòu)單薄，難以布置摻氣設(shè)施。其體型的些微變化，直接影響泄洪洞前段的流態(tài)，易產(chǎn)生空蝕。為改善該段水流流態(tài)，避免水翅和空蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，中南院科研所、北科院、河海大學(xué)水電學(xué)院試驗室，通過水工常規(guī)摻氣減蝕試驗和減壓試驗，反復(fù)修改、優(yōu)化該部分體型，從最初設(shè)計的橢圓柱型、長短潛堰、至最終由橢圓、直線和光滑曲線組成的潛堰，一步步優(yōu)化，取得了較好的效果，避免水翅和空蝕。

三峽樞紐工程的高水頭船閘閥門段體型，經(jīng)“七五”攻關(guān)，最終取得了較為理想的體型，并將此成果推廣到其它類似工程。如福建的沙溪口船閘。

好的結(jié)構(gòu)體型，能減低高速水流建筑物的空蝕，在工程界已達(dá)成共識并得到重視。近期已建、在建和待建的高流速建筑物，在設(shè)計過程中，都是經(jīng)過反復(fù)模型試驗、優(yōu)化而確定最終結(jié)構(gòu)。如：黃河小浪底電站泄洪洞，公伯峽導(dǎo)流洞改建的泄洪洞等，都是將隱患消除于設(shè)計過程中。

2.3 施工經(jīng)驗

2.3.1 抗空蝕材料的使用

為確保高流速泄水建筑物的安全，在采用抗空蝕結(jié)構(gòu)和摻氣措施的同時，對于重要的泄水建筑物，往往在其過流面采用抗空蝕材料。因大型結(jié)構(gòu)邊墻和底板規(guī)模大，如全斷面采用抗空蝕材料，成本高，經(jīng)濟性不好。為節(jié)約成本，往往在過流面襯砌（1～2）m厚抗空蝕材料，增加了施工的難度。目前采用的抗空蝕結(jié)構(gòu)有：硅粉混凝土、HF改性混凝土、參高分子材料混凝土或摻鐵粉混凝土等，所有這些抗空蝕材料，各有優(yōu)劣，共同特點是強度高。使用時應(yīng)根據(jù)工程特性，按照現(xiàn)場試驗結(jié)果，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量。

2.3.2 過流邊壁不平整度控制

在采取摻氣措施以后，邊壁不平整度控制標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬；當(dāng)流速在（35～45）m/s時，近壁摻氣濃度為3%～4%時，垂直凸體高度不得大于30mm；近壁摻氣濃度為1%～2%時，垂直凸體高度不得大于15mm，對于高度大于15mm的垂直凸體，應(yīng)將迎水面削成斜坡。對于流速高于45m/s的泄水建筑物，不平整度控制更為嚴(yán)格。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計要求，對施工缺陷進(jìn)行修補合格后方能過水。

3 高流速泄水建筑物減蝕措施總結(jié)

統(tǒng)計國內(nèi)外大型工程高流速泄水建筑物的減蝕措施，歸納如下：

（1）通過水工模型試驗，優(yōu)選減蝕結(jié)構(gòu)或無空蝕結(jié)構(gòu)；

（2）通過水工模型試驗，確定合理的攙氣減蝕系統(tǒng)；

（3）優(yōu)選性能好、施工簡便的抗空蝕材料；

（4）控制泄水建筑物近壁處的不平整度；

（5）對高流速建筑物進(jìn)行原形觀測，及時收集、整理觀測成果，精確分析，然后及時反饋信息，確定合理的修正措施，歸納整理成功經(jīng)驗，建檔保存以供其它類似工程借鑒。

近年大型工程高流速泄水建筑物在設(shè)計、科研及施工中，往往聯(lián)合采用多種減蝕措施，特別是流速大于40 m/s以上的建筑物，綜合運用以上全部的減蝕措施，減蝕效果良好。

1 中南勘測設(shè)計研究院.三板溪水電站泄洪洞控制段空化與水翅防治試驗報告[R].2010 .

2 中南勘測設(shè)計研究院.三板溪水電站泄洪洞摻氣減蝕試驗報告[R]. 2010 .

3 中南勘測設(shè)計研究院.三板溪水電站溢洪道摻氣減蝕試驗報告[R]. 2010 .

4 陳先樸,西汝澤,邵東超,柴恭純等.摻氣減蝕研究的新方向[J].水利水電技術(shù)，2001 ,(10 ).

5 夏毓常.防止高速水流泄水建筑物產(chǎn)生空蝕破壞的新措施[J].水利水電工程，1990 ,(1 ).

6 吳靜茹.水工泄水建筑物的空蝕破壞及高性能抗磨蝕混凝土材料[J].甘肅水利水電技術(shù)，2004 ,(12 ).