高水頭泄水建筑物側(cè)墻突擴側(cè)空腔水力特性研究

王海云，戴光清，楊 慶

（1.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定 626001；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

隨著大壩水頭的增高，流速增大，高速水流問題越來越突出，明流泄洪洞反弧段后側(cè)墻減蝕問題是目前摻氣減蝕研究中一個新課題。文獻[1～8]對弧形閘門后有壓出流情況下，水流突擴突跌摻氣水力特性進行了較多的研究。文獻[9～13]結(jié)合工程實例通過大比尺模型試驗研究，對龍?zhí)ь^明流泄洪洞反弧段下游側(cè)墻的摻氣減蝕進行了研究，提出在反弧末端采用側(cè)墻突縮和底部突跌的摻氣方案；指出側(cè)墻貼角出口寬度的變化對下游水流流態(tài)的影響十分明顯；得出側(cè)空腔長度不宜超過底空腔的設(shè)計原則。文獻[14]采用模型試驗和三維紊流數(shù)學(xué)模型的方法對底部跌坎和側(cè)墻貼角組合摻氣坎空腔長度的研究表明：側(cè)墻摻氣坎空腔長度不僅與側(cè)墻摻氣坎的體形尺寸有關(guān)，還與底部摻氣坎的體形尺寸有很大關(guān)系。側(cè)空腔的特性較底空腔復(fù)雜，其影響因素和成因也不同，本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，對側(cè)墻突擴和底部突跌聯(lián)合摻氣情況進行了試驗研究，進一步探討側(cè)空腔的影響因素和規(guī)律。

1 模型試驗研究

試驗?zāi)Ｐ蛥⒄諊鴥?nèi)某已建大型龍?zhí)ь^明流泄洪洞，模型幾何比尺為1∶30，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。模型泄洪洞由進水口段、龍?zhí)ь^段、直坡段組成。龍?zhí)ь^反弧段半徑為333.33 cm，直坡段坡度為7.9%，進口閘門以后為明流，泄洪洞洞身橫斷面為等寬城門洞形，典型斷面尺寸為43.3 cm×45.0 cm（寬×高）。試驗條件為：模型最大流量0.76 m3/s，相應(yīng)的單寬流量為1.744 m3/（s·m）；反弧末端摻氣坎前來流平均流速4～8 m/s，來流最大水深0.3 m。

試驗對反弧末端設(shè)置底部突跌和側(cè)墻突擴的方案進行研究，突擴出口為等寬形式，體形示意見圖1。文獻[9]指出反弧末端跌坎下游邊墻突擴的側(cè)空腔是由水流自由擴散至邊墻形成的，其出坎水流未受到類似側(cè)墻貼角的擠壓作用，水流在前進過程中不會先向內(nèi)部收縮，而是直接向兩側(cè)邊墻擴散形成側(cè)空腔。文獻[15]對泄水建筑物側(cè)墻突縮側(cè)空腔水力特性進行研究，提出在不同的跌坎高度下，其底部空腔長度不同，水舌落水區(qū)域的壓力分布也就不同，底板壓力分布的變化也對出射水舌橫向擴散能力有明顯作用，進而影響側(cè)空腔長度。由此可見，跌坎高度對側(cè)空腔長度有明顯影響，本文試驗擬在跌坎高度一定條件下，重點研究側(cè)墻突擴寬度、摻氣坎后突擴水平長度以及底板落水區(qū)域的壓力分布對側(cè)空腔長度的影響，其中實測的空腔長度為目測水氣交界線。

圖1 側(cè)墻突擴試驗方案體形示意

1.1 突擴寬度對側(cè)空腔特性的影響

首先研究在跌坎體形尺寸一定的條件下，突擴寬度尺寸變化對側(cè)空腔特性的影響，3種試驗方案側(cè)空腔長度實測結(jié)果見表1。來流單寬流量為1.744 m3/（s·m）時，不同突擴寬度，實測底部落水區(qū)域的壓力分布見圖2，方案一和方案二摻氣坎后實測側(cè)墻壓力分布見圖3。從表1可知，當(dāng)來流流量一定時，反弧段后側(cè)墻近壁沒有清水區(qū)，側(cè)空腔長度隨突擴寬度的增大而增加；當(dāng)突擴寬度一定時，側(cè)空腔長度隨著來流量的增加而減小。從圖2、3可以看出，不同突擴寬度下水舌落水區(qū)域壓力分布基本沒有變化，側(cè)墻上的壓力分布規(guī)律和峰值變化也較小，因此，說明其空腔長度主要與突擴寬度有關(guān)。

表1 側(cè)墻突擴3種試驗方案側(cè)空腔長度實測結(jié)果

圖2 不同突擴寬度時摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖3 摻氣坎后實測側(cè)墻壓力分布（單位：kPa）

1.2 突擴水平長度對側(cè)空腔特性的影響

表2為單寬流量為1.744 m3/（s·m）時，在不同突擴長度下的側(cè)空腔長度。圖4為實測底部落水區(qū)域的壓力分布，圖5為方案四和方案五摻氣坎后實測側(cè)墻壓力分布。試驗結(jié)果表明，不同突擴寬度下，底部和側(cè)墻的壓力分布規(guī)律和峰值變化相同；當(dāng)突擴寬度和跌坎高度一定時，突擴長度對側(cè)空腔長度的影響較小。其原因是在相同的來流條件下，水流經(jīng)過摻氣坎后，沒有任何附加作用力，四面凌空自由擴散，在側(cè)墻上的落水位置主要取決于水舌的橫向擴散能力和底部的壓力分布。

表2 不同的突擴長度下側(cè)空腔長度

圖4 不同突擴長度時摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖5 摻氣坎后實測側(cè)墻壓力分布（單位：kPa）

1.3 來流量對側(cè)空腔特性的影響

表3為不同單寬流量時，在突擴寬度、摻氣坎后突擴水平長度和跌坎高度一定的條件下，實測底空腔和側(cè)空腔長度值。結(jié)果表明，相對底空腔而言，側(cè)空腔長度要偏??；隨著來流流量的增大，側(cè)空腔長度明顯減小，底空腔也有一定減小，且側(cè)空腔減小的百分比較底空腔大。究其原因為：當(dāng)來流單寬流量增大，來流的流速增加，底板上的沖擊壓力增大，底空腔長度減?。皇艿装迳蠜_擊壓力的增大，加上水流的佛氏數(shù)減小，出坎水舌橫向擴散能力加大，導(dǎo)致了側(cè)空腔長度的減小。

圖6為不同來流單寬流量下，實測底部落水區(qū)域的壓力分布，其中，工況A、B分別代表單寬流量為1.465、1.744 m3/（s·m）兩種情況，圖6表明，隨著來流流量的增加底部軸線的壓力也增加。圖7為對應(yīng)的側(cè)墻壓力分布，從圖7可以看出，隨著來流流量的增加，側(cè)墻的壓力值也呈增加趨勢；由于側(cè)墻壓力值的增加引起了側(cè)空腔長度的減小。

表3 不同單寬流量下的底空腔和側(cè)空腔長度

因此，底板上的沖擊壓力對水舌的橫向擴散能力有顯著影響，沖擊壓力是影響側(cè)空腔形成的內(nèi)因。

圖6 不同來流單寬流量時摻氣坎后底板軸線壓力分布

圖7 摻氣坎后實測側(cè)墻壓力分布（單位：kPa）

2 結(jié)語

射流空腔長度是衡量摻氣坎水力特性的重要參數(shù)，其大小直接影響摻氣坎下游的摻氣效果，側(cè)空腔長度是保證下游側(cè)墻摻氣效果的重要參數(shù)。當(dāng)泄水建筑物采用側(cè)墻突擴和底部突跌的聯(lián)合摻氣形式時，通過對突擴寬度、突擴長度和來流流量 （用來流佛氏數(shù)表示）進行試驗得出，突擴寬度和來流佛氏數(shù)是側(cè)空腔形成的影響因素，這是因為水流經(jīng)過摻氣坎后，在側(cè)墻上的落水位置主要取決于水舌的橫向擴散能力和底部的壓力分布，底板上的沖擊壓力對水舌的橫向擴散能力有顯著影響，沖擊壓力是影響側(cè)空腔形成的內(nèi)因。

結(jié)合文獻[14]的研究成果可以初步得出，對側(cè)墻突擴摻氣坎形式而言，影響側(cè)空腔長度的主要因素有跌坎高度、突擴寬度和來流佛氏數(shù)。

［1］肖興斌，潘化蘭.高壓弧形閘門突擴突跌式摻氣減蝕應(yīng)注意的問題［J］.長江水利教育， 1998， 15（1）:59-62.

［2］肖興斌.泄洪深孔摻氣減蝕研究［J］.水電站設(shè)計，2003，19（2）:85-89.

［3］周赤，何勇，廖仁強.三峽工程泄洪深孔突擴跌坎式摻氣的試驗研究［J］.長江科學(xué)院院報， 1997， 14（2）:2-6.

［4］周赤，韓繼斌，朱世洪，等.三峽工程泄洪深孔跌坎摻氣體型模型試驗研究［J］.長江科學(xué)院院報， 2000， 17（5）:5-8.

［5］金峰，周赤，廖仁強，等.突擴跌坎型門座的水力學(xué)問題研究［J］.人民長江， 2001， 32（11）:37-39.

［6］盧泰山.吉林臺水電站泄洪洞突擴摻氣體型的試驗研究 ［J］.西北水力發(fā)電， 2003， 19（4）:44-46.

［7］聶孟喜，吳廣鎬.側(cè)向折流器對側(cè)空腔和底空腔摻氣參數(shù)的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2003， 43（8）:1116-1119.

［8］聶孟喜，段冰，李琳琳.泄水建筑物中突擴突跌體型側(cè)墻上的水力特性［J］.清華大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2006， 46（12）:1969-1972.

［9］劉超.龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段下游側(cè)墻摻氣減蝕研究 ［D］.四川大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［10］劉超，楊永全，鄧軍，等.泄洪洞反弧段下游側(cè)墻摻氣減蝕試驗研究［J］.水動力學(xué)研究與進展 （A 輯）， 2006， 21（4）:465-472.

［11］王海云，戴光清，楊永全，等.高水頭泄水建筑物側(cè)墻摻氣減蝕特性研究 ［J］.四川大學(xué)學(xué)報： 工程科學(xué)版，2006，38（1）:38-43.

［12］王海云，吳明軍，戴光清，等.三維異形摻氣體形壓力及空化特性研究［J］.水力發(fā)電， 2008， 34（11）:106-109.

［13］王海云，戴光清，楊永金，等.明流泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施優(yōu)化試驗研究［J］.水力發(fā)電， 2003， （11）:57-59.

［14］劉超，張光科，張光碧，等.側(cè)墻摻氣坎空腔長度初探［J］.水力發(fā)電學(xué)報， 2007， 26（5）:112-115.

［15］王海云，戴光清，楊慶.泄水建筑物側(cè)墻突縮側(cè)空腔水力特性研究［J/OL］.中國科技論文在線， 2010（01）.