溪洛渡2#泄洪洞摻氣坎試驗研究

彭 強 王 韋 陳海宏 龐利君

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣相接壤的溪洛渡峽谷段,距離下游宜賓市河道里程184km。水庫校核洪水位608.90m,設(shè)計洪水位600.63 m,正常蓄水位600m,死水位540m,水庫總庫容122.3億m3,調(diào)節(jié)庫容64.6億m3。樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪建筑物和地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成;其中泄洪建筑物由壩身7個表孔和8個深孔,左、右岸各2條常規(guī) “龍落尾”泄洪洞組成。

2#泄洪洞位于大壩左岸,進口處檢修閘門室底板高程為545.00m,下游接直徑為15.00m、坡度為0.009913的壓力隧洞,壓力隧洞出口設(shè)工作閘門,工作閘門下游接斷面尺寸為14m×18m、坡度為0.023的城門洞型無壓隧洞。分別在樁號1+302.766,1+418.608,1+513.051處設(shè)置1#、2#、3#摻氣坎。2#泄洪洞縱剖面見圖1。

圖1 2#泄洪洞縱剖面圖

1 設(shè)計體形流態(tài)及底空腔挑坎優(yōu)化

模型采用有機玻璃制作,模型比尺為1∶35。設(shè)計方案中1#、2#、3#摻氣坎只是底部摻氣,跌坎高度分別為1.50,1.20,1.50m。分別對設(shè)計體形在設(shè)計洪水位(600.63 m)及校核洪水位(608.90m)進行了試驗。

試驗表明,1#摻氣坎在兩種工況下,雖然坎后的斜坡段較陡,但回水仍到達了通氣豎井處,水流只在高速流動的水舌下緣與空腔回水的接觸面產(chǎn)生卷吸作用,吸入部分空氣到水體中,摻氣效果不夠理想,因此1#摻氣坎需優(yōu)化,以減弱空腔回水。

2#摻氣坎處,從水流條件來判斷,水流速度增加,水深有所減小,水流沸汝德數(shù)會有所增加,空腔的回水會比1#有所好轉(zhuǎn)。但是由于坎后直線段較短,只有20m長,并且其后接的是反弧段,加之2#坎的坎高只有1.2m,空腔長度較短,為15～17 m,因此2#摻氣坎需要優(yōu)化,以增加空腔長度。

3#摻氣坎后為8%的斜坡,摻氣應(yīng)該比較容易,但由于摻氣坎前的底板為反弧,且反弧末端的角度約為 7.31°,而 8%的斜坡約為4.57°,因此坎后的底坡緩于坎前的底坡,加之出坎水流的實際角度還會小于7.31°,水流出坎后很快到達底板,并且以較大的角度沖擊底板,導(dǎo)致回水加劇。在兩種工況下,3#摻氣空腔內(nèi)幾乎完全被回水充滿,這樣不僅堵塞了進氣通道,而且也阻止了摻氣的發(fā)生,因此3#摻氣坎也需要優(yōu)化,以解決空腔回水問題。

經(jīng)過多次優(yōu)化后,得到3級摻氣挑坎的推薦體形,見圖2。試驗表明,1#摻氣坎空腔長度約為30m,回水也很輕微;2#摻氣坎空腔內(nèi)無回水,空腔長度在不同工況時為25～28m;3#摻氣坎空腔內(nèi)無回水,空腔長約為30m。3級摻氣挑坎均滿足要求。

圖2 各級挑坎底部摻氣推薦方案體形圖(單位:m)

2 側(cè)空腔挑坎優(yōu)化

在底部摻氣坎推薦體形的基礎(chǔ)上,對側(cè)摻氣坎的體形進行了研究。

側(cè)墻摻氣常用兩種形式,一是在摻氣坎前加側(cè)向小挑坎,在摻氣坎處形成突擴,這種形式在摻氣挑坎末端過水斷面最窄,有可能會引起局部洞頂余幅不足(對于新修洞影響不大,可通過局部加高來解決),其優(yōu)點是挑坎下游的側(cè)墻為直線;另一種形式是挑坎前不變,在挑坎后擴寬泄洪洞斷面,采用這種形式,挑坎處及其后的水面不會因斷面的縮窄而壅高,當下游泄洪洞逐漸加寬時,側(cè)墻可保持直線,若要收縮回挑坎前的寬度,側(cè)墻會存在折線。

根據(jù)二灘1#泄洪洞側(cè)墻修復(fù)時的研究,當側(cè)墻存在折線時,即使變化很小,也可能在折線后產(chǎn)生負壓(二灘模型試驗中出現(xiàn)(-2～3)×9.8 kPa的負壓)。在流速很大的情況下,出現(xiàn)如此大的負壓對防止空化空蝕不利,因此本模型中采用第1種形式,即在摻氣坎前加側(cè)向小挑坎來形成側(cè)空腔。

首先在1#摻氣坎處加側(cè)向小挑坎,考慮到施工的方便,側(cè)挑坎的起點與底部挑坎的起點設(shè)在同一位置,即側(cè)挑坎的長度取為7 m。試驗了3種不同挑坎高度,分別為0.30,0.25,0.20m。其平面布置見圖3。

在小挑坎高0.30m,設(shè)計工況時,在1#摻氣坎處激起較高的水翅。2#摻氣坎處水翅比1#處略輕,且因水流流速較大,小挑坎的影響造成的沖擊波使3#摻氣坎后的水流出現(xiàn)較大的水面波動。

小挑坎高0.25m,設(shè)計工況時,與小挑坎高0.30m相比,各級挑坎后的水翅均明顯減弱,3#摻氣坎后的水面波動也明顯減弱。但當庫水位580m時,與設(shè)計工況相比,各部位的水翅均有所增強,隨著流量進一步減小,水翅還會更加嚴重,因此側(cè)挑坎0.25m仍偏大。

圖3 1#側(cè)摻氣挑坎平面布置圖(單位:m)

小挑坎高0.20m時,此體形在各種不同流量下,側(cè)空腔明顯短于底空腔。在水舌沖擊泄洪洞底板前,側(cè)面的空腔已經(jīng)全部封閉,因此水舌沖擊底板后,側(cè)面沒有出流通道,不會因此而形成水翅;同時,此時側(cè)摻氣坎的收縮角很小,水流自然擴散到達邊壁后,對邊墻的沖擊作用小,不會因沖擊作用形成水翅。

對于更小的挑坎高度,其水翅會更小,但其摻氣效果會略差。對于高流速水流的摻氣,研究的基本原則是在滿足較好的流態(tài)情況下,盡可能增大水流的摻氣量。從理論上講,挑坎越高,側(cè)空腔越長,相應(yīng)的摻氣濃度也就更大,因此,側(cè)摻氣坎高0.20m在各種不同流量下無明顯水翅后,不再進行更小挑坎的研究相關(guān),將此挑坎體形作為推薦體形。

3 1#摻氣坎加側(cè)摻氣及1#、2#摻氣坎加側(cè)摻氣坎對比

通過前面的體形優(yōu)化,分別得到底部摻氣坎和側(cè)向摻氣坎的推薦體形后,分別在只在1#摻氣坎處設(shè)側(cè)摻氣坎(第1方案)及在1#、2#摻氣坎處同時設(shè)側(cè)摻氣坎(第2方案)進行了試驗,并詳細地對這兩方案測量了沿程的摻氣濃度及空腔長度等。試驗工況見表1。

表1 工況表

3.1 水流流態(tài)

對于第1方案,設(shè)計工況時,水流到1#摻氣坎后,水體開始摻氣,受摻氣坎的影響,水面有所壅高。側(cè)空腔結(jié)束后水流與邊壁接觸處有輕微的水翅出現(xiàn)。在2#、3#摻氣坎后水面同樣壅高。隨著流速的進一步加大,摻氣效果更加明顯,尤其3#摻氣坎后全斷面都摻氣充分。閘門局部開啟時,1#摻氣坎坎處雖側(cè)空腔在底空腔末端之前封閉,但此時水深較小,在底部水舌沖擊作用下,一小部分水仍從側(cè)面沖出形成輕微水翅。在各種工況下,只有在閘門全開時,1#、2#摻氣坎底空腔出現(xiàn)輕微回水,其他情況摻氣空腔均無回水。

在第2方案中,在2#摻氣坎處增加與1#摻氣坎相同的側(cè)摻氣坎,與前一方案相比,因第2方案僅是在2#摻氣坎添加了側(cè)摻氣坎,故流態(tài)較前一方案無明顯變化。所有工況,2#摻氣坎處加側(cè)摻氣坎后,均無明顯水翅出現(xiàn),滿足要求。在2#摻氣坎處加側(cè)摻氣坎后,在側(cè)摻氣坎產(chǎn)生的沖擊波作用下,3#摻氣坎后的水面波動加劇,但并未出現(xiàn)水流直接沖頂現(xiàn)象。

3.2 摻氣濃度

本試驗在泄洪洞底部和側(cè)壁布置了摻氣濃度測點,測點布置情況見圖4。

圖4 摻氣濃度測點布置圖

對于第1方案,試驗表明,在大流量情況下(校核工況、設(shè)計工況、580m水位全開),1#摻氣坎后,底板上的摻氣濃度即超過5%,然后沿程逐漸減小,至2#摻氣坎前,摻氣濃度降低至1.7%左右,經(jīng)2#摻氣坎后,摻氣濃度升到7%以上,然后又沿程逐漸減小,雖然經(jīng)反弧段會有較多氣泡溢出,但至3#摻氣坎前的摻氣濃度仍全部大于2.5%,再經(jīng)3#摻氣坎的摻氣后,摻氣濃度超過10%,至出口挑坎前摻氣濃度仍普遍大于3%,因此底空腔的摻氣效果良好。其余工況,由于流量減小,表面自摻氣更容易到達底部,因此摻氣濃度更高。

對于側(cè)墻上的摻氣濃度,在1#摻氣坎后的摻氣濃度均大于4%,其后逐漸衰減,至2#摻氣坎前降低至2%,雖然此時2#摻氣坎處沒有設(shè)置側(cè)摻氣坎,但由于此時已經(jīng)全斷面摻氣,2#摻氣坎摻入的氣泡上浮,導(dǎo)致其后側(cè)墻上的摻氣濃度有所增大,然后又沿程逐漸減小,至3#摻氣坎前側(cè)墻上的最小摻氣濃度均大于2.5%,經(jīng)過3#摻氣坎的作用,側(cè)墻上的摻氣濃度再一次增大,至出口挑坎前均大于5%。因此1#摻氣坎處加設(shè)側(cè)摻氣的作用明顯,它使得從此處開始,泄洪洞沿程側(cè)墻的摻氣濃度均大于2%。

第2方案與前一方案比較,對于側(cè)墻上的摻氣濃度,差別最大的是測4、測5、測6三個測點,特別是在大流量情況下(校核工況、設(shè)計工況、580m水位全開),測4、測5兩測點的摻氣濃度有明顯的提高,摻氣濃度大約提高了1%,測6測點也提高了0.5%左右,對于閘門局部開啟的情況,由于水深變淺,表面自摻氣更容易達到底部,因此兩方案的差別不大。對于1#摻氣坎至2#摻氣坎間的1～3測點,以及3#摻氣坎后的7～9測點,摻氣濃度變化不大。底板上的所有測點摻氣濃度均無明顯變化。

雖然在第1方案中,從測得摻氣濃度來看,已經(jīng)保證了其后泄洪洞的全斷面摻氣,并且壁面摻氣濃度均大于1.5%,但由于如此高流速的泄洪洞仍無在此摻氣濃度下安全運行的工程實例,且第2方案工程難度并未明顯增加,所以第2方案作為推薦方案。

3.3 摻氣空腔長度

兩方案空腔長度無明顯差別,1#、3#摻氣坎的各級空腔長度都較長,約為30m,在閘門全開時2#摻氣空腔長度比1#、3#摻氣空腔長度短,約為26m。

分析不同工況的空腔長度可見,在閘門全開時,水頭越高,出口流速越大,空腔越長;在閘門局部開啟時,隨著開度的減小,水深越來越小,空腔并沒有明顯變短,且在有些工況有所增長。

4 結(jié) 語

通過對溪洛渡2#泄洪洞摻氣設(shè)施的試驗研究,在原設(shè)計體形的基礎(chǔ)上,通過一些列的優(yōu)化得到了底摻氣坎及側(cè)摻氣坎的推薦體形,該體形在各種工況下各級摻氣空腔均無回水。側(cè)墻和底部同時摻氣時的摻氣空腔形態(tài)良好,不同條件下均滿足設(shè)計要求。研究結(jié)果表明,側(cè)墻摻氣條件下的水流流態(tài)與摻氣坎體形關(guān)系密切,如果體形合理,不會產(chǎn)生不利流態(tài)。

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