三峽電站排沙孔工作門區(qū)及通氣管道空化特性研究

姜伯樂，張 暉，楊江寧

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢430010）

三峽電站排沙孔工作門區(qū)及通氣管道空化特性研究

姜伯樂，張 暉，楊江寧

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢430010）

針對(duì)三峽電站排沙孔工作門區(qū)及通氣管道設(shè)計(jì)體型，通過減壓模型試驗(yàn)研究了通氣孔分流對(duì)高流速有壓泄水段空化特性的影響。成果表明：在通氣孔節(jié)制閥全開時(shí)，通氣孔底部出口區(qū)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸汽型空化，而節(jié)制閥區(qū)無蒸汽型空化發(fā)生；在通氣孔節(jié)制閥半開或全關(guān)時(shí)，上述兩部位的空化強(qiáng)度大大降低，基本上無空蝕破壞的危險(xiǎn)性。為保證高流速有壓泄水建筑物安全可靠的運(yùn)行，工程上要避免該部位出現(xiàn)分流設(shè)計(jì)。

水力學(xué)；三峽電站；排沙孔；分流；蒸汽型空化；氣體型空化

1 研究背景

三峽電站左、右廠房共設(shè)7個(gè)排沙底孔，工作閘門均設(shè)在出口段。由于排沙孔工作門水頭高（最大工作水頭超過80 m），門后有壓段呈淹沒射流流態(tài)，存在強(qiáng)烈的水流剪切區(qū)和大體積水流漩滾現(xiàn)象，空化及聲振問題比較突出。為此，長(zhǎng)江科學(xué)院曾開展了一系列的科學(xué)試驗(yàn)研究，研究成果表明：當(dāng)閘門全開后，整個(gè)閘門段是免空化的；在閘門啟、閉過程中，通氣孔的通氣效果明顯，可滿足門后需氣量要求，在135 m水位條件下可使閘門區(qū)空化處于較弱狀態(tài)，在150 m水位閘門區(qū)空化仍比較明顯。因此，建議提升啟、閉門速度并在門槽及其下游區(qū)域邊壁表面采用抗蝕性較強(qiáng)的材料。

2003年6—7月間，三峽工程庫(kù)水位蓄至135 m，對(duì)1＃排沙底孔的水力學(xué)安全監(jiān)測(cè)表明：在開門過程中（n＝0～0．8），閘門后通氣孔運(yùn)行正常，風(fēng)速小于60 m；在閘門開度n＝0～0．8范圍，閘門區(qū)有一定強(qiáng)度空化產(chǎn)生，但啟閉機(jī)房未感覺到明顯聲振；在閘門開度n≈0．9至閘門全開后，通氣停止，通氣孔口區(qū)域空化明顯，空化強(qiáng)度較高，啟閉機(jī)房感覺到明顯聲振，噪聲級(jí)達(dá)116 dB。初步分析認(rèn)為：排沙孔閘門全開后，因通氣孔未按設(shè)計(jì)要求關(guān)閉，形成分流，而通氣孔進(jìn)口曲率過大，發(fā)生了空化和劇烈聲振。

鑒于此，開展了減壓模型試驗(yàn)，分析驗(yàn)證排沙孔全開條件下通氣孔分流是否會(huì)引起強(qiáng)烈空化，并判斷通氣孔分流條件下節(jié)制閥門關(guān)閉過程中是否引起空化問題，為制定詳細(xì)的運(yùn)行調(diào)度方案提供科學(xué)依據(jù)，也可為類似工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 模型設(shè)計(jì)

三峽電站左、右廠房共設(shè)7個(gè)排沙底孔，排沙孔進(jìn)口底板高程90．00 m，出口底板高程60．50 m，出口段由閘門斷面5×3．2 m2收縮至出口斷面4×2．8 m2，8．2 m長(zhǎng)的有壓收縮段向離岸邊方偏轉(zhuǎn)0．79 m，整個(gè)排沙孔水平長(zhǎng)度190 m；在工作門后的頂部設(shè)有2個(gè)直徑80 cm的通氣孔，通氣孔進(jìn)口軸線高程80．00 m，其中出口工作門區(qū)及通氣孔布置體型見圖1。

模型選取左廠房1＃排沙孔，采用長(zhǎng)度比尺Lr＝28的減壓模型對(duì)排沙孔工作門區(qū)及通氣管道體型的空化特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。模型全采用有機(jī)玻璃精制而成。排沙孔工作門區(qū)及通氣管道各部位水聽器布置見圖1。

目前，關(guān)于空化發(fā)生、發(fā)展的判斷，主要有2種方法：目測(cè)法和聲學(xué)測(cè)量法［1］。目測(cè)法在空化研究中被廣泛地使用，可用于粗略判斷空化形態(tài)和發(fā)展階段。而聲學(xué)測(cè)量法是空化研究的主要方法［2］，這種方法被廣泛應(yīng)用于工程研究中［3－6］。

本模型試驗(yàn)采用噪聲功率譜級(jí)差法來進(jìn)行空化特性的判斷分析，聲譜級(jí)差值ΔSPL＝SPLf－SPLo，其中SPLf為所需相似氣壓下水流中總噪聲譜級(jí)（譜形圖中實(shí)線所示）。而SPLo則為經(jīng)檢測(cè)確無空化發(fā)生時(shí)的背景噪聲譜級(jí)（譜形圖中虛線所示），具體為試驗(yàn)過程中的環(huán)境噪聲，具有低頻率（一般20 kHz以下）特性。根據(jù)大量模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)資料，文獻(xiàn)［7］建議將ΔSPL值達(dá)到5 dB作為空化初生的判別指標(biāo)。當(dāng)明顯地出現(xiàn)某一類型空化時(shí)，相應(yīng)頻段上ΔSPL值將達(dá)到10 dB以上；當(dāng)空化較弱，譜級(jí)差值ΔSPL介于5～10 dB之間，則視為空化初生階段。

圖1 排沙孔工作門區(qū)及通氣管道體型布置示意圖Fig．1 Layout of sediment release orifices and aeration conduit

根據(jù)排沙孔運(yùn)用水位條件，選取上游水位150．0，135．0 m，下游水位73．8，67．5 m，兩兩組合共4種水位組合，每種水位組合下進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)工況：工況1為工作閘門全開，通氣孔節(jié)制閥全開；工況2為工作閘門全開，通氣孔節(jié)制閥半開；工況3為工作閘門全開，通氣孔節(jié)制閥全關(guān)。具體試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況表Table 1 Working conditions in the test

3 試驗(yàn)成果

3．1 流 態(tài)

在淹沒流工況下，當(dāng)通氣孔節(jié)制閥為全開時(shí)，兩條通氣管出口的水流在空中交匯，水流的落點(diǎn)距排沙孔出口約30 m。

在減壓試驗(yàn)中，當(dāng)通氣孔節(jié)制閥為全開時(shí)，都可明顯觀測(cè)到通氣孔底部出口區(qū)因發(fā)生強(qiáng)烈空化而產(chǎn)生的空化云，空化云長(zhǎng)度的原型換算值可達(dá)1～2 m。當(dāng)通氣孔節(jié)制閥半開和全關(guān)時(shí)，該處的空化云消失。

3．2 水下噪聲及空化特性

模型共布置3個(gè)水聽器，其中Z7位于通氣孔底部出口區(qū)域；Z1位于門槽區(qū)；Z10位于通氣孔節(jié)制閥區(qū)域。各部位的水下噪聲成果如下。

3．2．1 通氣孔底部出口區(qū)

通氣孔底部出口區(qū)的減壓試驗(yàn)成果表明：在4種水位組合下，工況1條件下該處接收到的表征空化噪聲信息的相對(duì)噪聲譜級(jí)ΔSPL都超過20 dB，ΔSPLmax≈40 dB，表明該處附近產(chǎn)生了強(qiáng)烈的空化，這與原型水力學(xué)安全監(jiān)測(cè)過程中觀測(cè)到的該處發(fā)生了嚴(yán)重空化的結(jié)果一致；工況2條件下，該處接收到的相對(duì)噪聲譜級(jí)ΔSPL明顯降低，ΔSPLmax≈7 dB，為空化初生階段；工況3條件下，該處接收到的相對(duì)噪聲譜級(jí)ΔSPL進(jìn)一步降低，ΔSPLmax≈5 dB，為空化初生。以上試驗(yàn)成果表明，當(dāng)通氣孔開始進(jìn)水時(shí)，通氣孔節(jié)制閥若能關(guān)至一半，通氣孔底部出口區(qū)就不會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的空化。

其中上游水位為150．0 m、下游水位為67．5 m時(shí)，3種不同工況下水聽器Z7在通氣孔底部出口區(qū)所測(cè)水下噪聲資料經(jīng)處理如圖2所示。

圖2 通氣孔底部出口區(qū)水下噪聲譜級(jí)Fig．2 Spectrum level of underwater noise at the bottom of aeration conduit outlet

3．2．2 門槽區(qū)

門槽區(qū)的減壓試驗(yàn)結(jié)果表明：在4種水位組合下，工況1條件下門槽區(qū)接收到的表征空化噪聲信息的相對(duì)噪聲譜級(jí)ΔSPL最大，ΔSPLmax≈10～25 dB，空化強(qiáng)度達(dá)發(fā)展階段；工況2條件下，該處接收到的相對(duì)噪聲譜級(jí)ΔSPL明顯降低，ΔSPLmax≈7 dB，空化強(qiáng)度為初生階段；工況3條件下，該處接收到的相對(duì)噪聲譜級(jí)ΔSPL進(jìn)一步降低，ΔSPLmax≈5 dB，為空化初生，即門槽區(qū)未發(fā)生較強(qiáng)的空化。

其中上游水位為150．0 m、下游水位為67．5 m時(shí)，3種不同工況下水聽器Z7在門槽區(qū)所測(cè)水下噪聲資料經(jīng)處理如圖3所示。

圖3 門槽區(qū)水下噪聲譜級(jí)Fig．3 Spectrum level of underwater noise at the gate slot

通過分析門槽區(qū)與通氣孔底部出口區(qū)的水下噪聲譜級(jí)可知，二者噪聲譜級(jí)的形狀基本一致，且通氣孔節(jié)制閥開度變化而變化的趨勢(shì)也基本一致，但譜級(jí)差的量級(jí)要小，故門槽區(qū)的空化源可能來自通氣孔底部出口區(qū)。

3．2．3 通氣孔節(jié)制閥區(qū)

通氣孔節(jié)制閥區(qū)的減壓試驗(yàn)成果表明：在4種水位組合下，工況1條件下該處接收到的噪聲譜級(jí)在低頻段高于背景20～40 dB，氣體型空化達(dá)發(fā)展階段，但隨頻率升高，相對(duì)譜級(jí)差衰減很快，在80 kHz以上高頻段，相對(duì)譜級(jí)差衰減至0～8 dB，蒸汽型空化的強(qiáng)度為初生階段；在工況2、工況3條件下，噪聲譜級(jí)的背景高于或重合于相似真空度條件?？梢?，通氣孔節(jié)制閥在過流條件下不會(huì)出現(xiàn)明顯空蝕現(xiàn)象，但會(huì)引起劇烈聲振。

其中上游水位為150．0 m、下游水位為67．5 m時(shí)，3種不同工況下水聽器Z10所測(cè)水下噪聲資料經(jīng)處理如圖4所示。

圖4 通氣孔節(jié)制閥區(qū)水下噪聲譜級(jí)Fig．4 Spectrum level of underwater noise at the control valve of aeration conduit

4 結(jié)論及建議

本文通過三峽電站廠房排沙孔工作門區(qū)及通氣管道體型空化特性的研究，探討了通氣孔分流量的大小對(duì)工作門區(qū)及通氣孔節(jié)制閥自身發(fā)生空化可能性的關(guān)系。通氣孔節(jié)制閥全開時(shí)，通氣孔底部出口存在強(qiáng)度為發(fā)展階段的蒸汽型空化，節(jié)制閥區(qū)存在發(fā)展階段的氣體型空化；當(dāng)通氣孔節(jié)制閥半開或全關(guān)時(shí)，通氣孔底部出口處的空化強(qiáng)度大大降低，為初生階段或空化初生，而節(jié)制閥區(qū)無空化發(fā)生。上述試驗(yàn)成果表明，為保證高流速有壓泄水建筑物安全可靠的運(yùn)行，工程上要避免出現(xiàn)高流速有壓泄水建筑物段的分流。

針對(duì)本工程，結(jié)合水力學(xué)原型監(jiān)測(cè)的結(jié)果，為避免分流產(chǎn)生的空化而引起的劇烈聲振和空蝕，保證排沙孔運(yùn)行的安全可靠，特作如下建議：

（1）各排沙孔工作閘門的啟閉速度（時(shí)間）均須調(diào)整到設(shè)計(jì)值，并要確保通氣孔節(jié)制閥門的正常啟閉。

（2）為了減免工作閘門在n＝0．9～1．0時(shí)的強(qiáng)烈聲振，在工作閘門開啟的過程中，須在n＝0．9時(shí)將通氣孔節(jié)制閥關(guān)閉至零；在工作閘門關(guān)閉的過程中，也須在n＝0．9時(shí)再開啟通氣孔節(jié)制閥。為此，須適時(shí)實(shí)施通氣孔閥門的關(guān)閉或開啟操作。

（3）通氣孔節(jié)制閥具體的啟閉時(shí)間則須根據(jù)工作閘門及通氣孔節(jié)制閥的啟閉速度和實(shí)際水力條件確定，可通過實(shí)際調(diào)試和水力學(xué)監(jiān)測(cè)予以驗(yàn)證。

［1］ 吳建華．水利水電工程中的空化與空蝕問題及其研究［C］∥第十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集．烏魯木齊：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2004：1－18．（WU Jian hua．Cavita tion and Its Damage in Hydro electric Engineering Pro jects［C］∥Proceedings of the 18th National Hydrodynam ics Symposium．Urumqi：The Chinese Society of Theoret ical and Applied Mechanics，2004：1－18．（in Chi nese））

［2］UKON Y．Cavitation Characteristics ofa Finite SweptWing and Cavitation Noise Reduction due to Air Injection［C］∥Proceedings of International Symposium on Propeller and Cavitation，Wuxi，China，April 8－12，1986：383－390．

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（HONG Di，NIU Zheng ming，WU Xiao li，et al．Cont rastive Analysis through Prototype Observation and Inver sion Model Experiment of Rotary Flow Dissipation Tunnel Cavitation Characteristic in Gongboxia Hydropower Station［J］．Journal of Xi’an University of Technology，2010，26（2）：129－135．（in Chinese））

［4］ SMITH N Q，JOHNSON M C，BARFUSS S L．Vapor Cavity Collapse Downstream from Orifice Plates［J］．Journal of Hydraulic Research，2008，46（6）：830－834．

［5］ WON IN HO，GAO R，TSOUKALASLH，et al．Incipi ent Cavitation Detection Methodology using Current Sensor Based on a Neural Wavelet Approach［C］∥Proceedings of the American Nuclear Society International Congress on Advances in Nuclear Power Plants 2005，ICAPP，Se oul，Korea，May 15－19，2005：3243－3249．

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［7］ 郭均立，蘆俊英．三峽工程表孔體型空化試驗(yàn)研究［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2000，17（4）：12－14．（GUO Jun li，LU Jun ying．Cavitation Study on Surface Spillway of Three Gorges Project［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2000，17（4）：12－14．（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Characteristics of Cavitation in Sediment Release Orifices and Aeration Conduits of Three Gorges Hydropower Station

JIANG Bo le，ZHANG Hui，YANG Jiang ning
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The characteristics of cavitation caused by high speed flow in the pressure tunnel of Three Gorges Project（TGP）hydropower station were investigated through vacuum tank experiment to ascertain the design of the sedi ment release orifices and aeration conduitof TGP．The results showed thatobvious steam cavitation was found at the bottom of aeration conduit’s outlet，but no steam cavitation occurred at the valves when they were fully opened．However，when the valveswere half opened or fully closed，the cavitation intensity decreased remarkably and also there was little cavitation erosion risk around both the above mentioned components．It’s concluded that the design of diverting flow should be avoided for the safe operation of pressure tunnelwith high speed flow in hydropower sta tion．

hydraulics；TGP hydropower station；sediment release orifice；diverting flow；steam cavitation；gas cavitation

TV131．32

A

1001－5485（2013）08－0046－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．011

2013，30（08）：46－49

2013－05－06；

2013－06－21

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目（CKSF2012027／SL）

姜伯樂（1973－），男，山東海陽人，高級(jí)工程師，主要從事水工水力學(xué)研究，（電話）027－82829902（電子信箱）jiangbl＠m(xù)ail．crsri．cn。