窄縫式表孔流態(tài)及水流空化數(shù)研究

趙勇慶 王勝舉 王笑宇

（1.甘肅省酒泉市肅北縣水務(wù)局水政辦 甘肅 酒泉 736300；2.甘肅省慶陽市水利勘測規(guī)劃設(shè)計院 甘肅 慶陽 745000；3.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730050）

1 前言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的大壩建設(shè)逐漸向高壩方面邁進，一批水頭超過200m的高壩電站正在建設(shè)或已開始規(guī)劃，例如已建成的二灘雙曲拱壩（壩高240m）、溪洛渡水電站（壩高 278m）、拉西瓦水電站（252m）等。高壩通常建設(shè)于高山峽谷當(dāng)中，峽谷處河道相對狹窄，在這種地形條件下建壩，建筑物的布置通常存在困難，如何避免各表孔水流直接傾砸岸坡和在空中的對撞，并在狹窄的空間內(nèi)歸槽成為首要問題。窄縫式挑坎是借助于挑流鼻坎段兩側(cè)邊墻的收縮，在挑坎下游出口處形成窄縫，促使水流沿橫向收縮，而使其在挑坎出口斷面下游沿豎向和縱向拉開、擴散，使挑射水舌在空中形成巨大的扇形狀，增大水舌在空中的碰撞、摻氣和消能，減小其進入下游河床的水體單位面積能量，從而減輕對下游河床的沖刷。文獻[1-2]表明，在高水頭、狹谷河段的水利樞紐的泄水建筑物，采用窄縫式挑坎可使挑射水流縱向拉開，不僅能夠分散水舌落點，減輕挑射水流對河床的沖刷，又能避免水流在空中的直接對撞，減小霧化影響。本文結(jié)合具有上述特點的某電站溢流表孔體型（圖1），選用窄縫式挑坎挑流，并在直線段設(shè)置摻氣設(shè)施，對窄縫式溢流表孔的流態(tài)和水流空化數(shù)進行了研究。

圖1 溢流表孔剖面圖

圖2 水流流態(tài)

表孔采用開敞式溢流堰，堰頂高程1058.00m，孔口尺寸14m×21m（寬×高），單孔最大泄流量為3001m3/s。每個表孔設(shè)置一道弧形工作鋼閘門，表孔共用一道平板檢修鋼閘門。

2 水流流態(tài)

當(dāng)閘門開啟后，閘墩墩頭產(chǎn)生壅水，受閘墩側(cè)收縮的影響，進口處水流繞過閘墩后呈菱形狀交匯，交匯點隨上游水位的上升而提前；門槽處均有未貫穿的立柱漩渦，高度約為水深的一半，門槽下部有少許小氣泡旋動后被泄槽內(nèi)水流帶走。

在陡坡直線段設(shè)置摻氣設(shè)施后，水流經(jīng)過摻氣挑坎后脫離邊壁形成射流，射流水股下部自然地形成空腔，空氣通過通氣孔進入空腔，射流水股下沿也因水流擴散、界面摻混而形成一定的摻氣層，當(dāng)水股重新回落到底板的時候，又卷入了部分空氣，致使下游近底壁水流形成了乳白色的水氣兩相混合流。受摻氣設(shè)施的影響，泄槽內(nèi)水面線發(fā)生變化，摻氣坎下游空腔末端位于反弧段中部，因反弧半徑小，水舌與落點處底板夾角小，空腔中存在回流。隨著上游水位的增加，泄流量增大，水流弗勞德數(shù)逐漸減小時，空腔內(nèi)回旋水流增多，有效空腔長度逐漸減小，射流挾氣能力亦隨之減小。摻氣坎下游空腔長度、回水長度及通風(fēng)量見表1，可以看出，摻氣坎通氣狀態(tài)良好，各運行工況下?lián)綒饪蚕掠尉苄纬梢粋€穩(wěn)定通氣的空腔，水流挾氣能力強，通氣孔通風(fēng)量大，摻氣充分。

表1 摻氣坎下游空腔長度和回水長度

表2 水流空化數(shù)

圖3 水流空化數(shù)沿程變化曲線

反弧段和窄縫收縮段用一水平直線段相銜接，窄縫挑坎收縮段內(nèi)存在兩條特征水面線，即中線水面線及邊墻水面線。其特點是：在沖擊波交匯之前，中線水深小于邊墻水深，且兩者均是沿程增加的。當(dāng)沖擊波交匯后，中線水深急劇增加且大于邊墻水深，中線上的水流以較大的出射角向斜前方射出。由于中線上的水流寬度小于水舌主體寬度，且具有斜前方的流速分量，故控制側(cè)墻高度的是側(cè)墻水面線。在各工況下表孔挑射水流均能形成典型的窄縫流流態(tài)（圖2），水流縱向擴散充分，水舌的穩(wěn)定性較好。

3 水流空化數(shù)

水力學(xué)中常用水流空化數(shù)σ來衡量泄水建筑物各部位水流的空化特性和作為判別附近邊壁空蝕可能性的指標(biāo)，水流空化數(shù)越小，形成空化的可能性越大，其計算公式見式（1）：

其中h0表示測壓管水頭；v20/2g表示斷面流速水頭；hv表示與水溫有關(guān)的水的汽化壓強水頭，本試驗設(shè)水溫為15℃，hv=0.174m；ha表示大氣壓強水頭，可據(jù)計算點高程▽Z由式（2）估算：

其中10.33表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水柱；0.39為考慮氣象因素的最大壓降；表示計算點海拔高程（一般每升高900m，大氣壓強水頭降低1m）。

溢流表孔的水流空化數(shù)見表2，其沿程變化曲線如圖3所示。可以看出，水流空化數(shù)沿程呈波動減小趨勢，低水位及閘門小開度局開運行工況下，泄槽直線段和挑坎處水流空化數(shù)值相對較小，其中正常蓄水位工況閘門20%開度時，出口段水流空化數(shù)最小，其值為0.19。由于這些位置水流空化數(shù)值相對較小，且挑坎末端最大流速接近于39m/s，根據(jù)溢流堰面和反弧段空化空蝕的研究成果、以及一些工程反弧附近發(fā)生空蝕破壞的例子來看，在這些局部位置和這樣的水流條件下更容易發(fā)生空化。因此，施工時必須嚴(yán)格控制施工的不平整度，采用抗沖耐磨材料制作溢流堰表面，并改善運行工況，控制工作閘門小開度局開運行。

4 結(jié)論

實踐證實，窄縫挑坎消能新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，突破了常規(guī)等寬鼻坎消能的傳統(tǒng)模式，利用挑坎側(cè)墻收縮使水流碰撞形成水舌縱向擴散，水流沿平面擴散減小單寬流量，加劇水流紊動，充分摻氣，提高消能率，減輕對河床的沖劇，現(xiàn)已成為當(dāng)今一種新的高效消能方式。在峽谷地區(qū)，窄縫式挑坎可分散泄水建筑物的挑射水流，減免水流對河道的沖刷，摻氣減蝕，為高水頭建筑物的安全運行提供了保障。本文所研究的溢流表孔流態(tài)穩(wěn)定，體型設(shè)計合理，在各運行條件下均可形成典型的窄縫流流態(tài)，水流縱向擴散充分，水舌的穩(wěn)定性較好；摻氣設(shè)施運行良好；表孔運行過程中，應(yīng)控制工作閘門小開度局開運行。陜西水利

[1]南軍虎,李正安,喬明秋,等.高山峽谷大流量下溢流表孔體型試驗[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2011,37（6）:42-46.

[2]李建中,寧利中.高速水力學(xué)[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[3]中華人民共和國水利部.DL/TS166一2002溢洪道設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2003.

[4]牛爭鳴.泄水曲面水流的水力特性 [M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004.