不同跌坎體型對(duì)摻氣減蝕的影響試驗(yàn)研究

李京蔚，邱 勇，胡 欣，馬運(yùn)福，陳敬江

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201）

不同跌坎體型對(duì)摻氣減蝕的影響試驗(yàn)研究

李京蔚，邱 勇，胡 欣，馬運(yùn)福，陳敬江

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201）

空蝕不僅破壞泄水建筑物出口的過流表面，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致主體工程失事。因此，需要采取一定的工程措施改變高速水流區(qū)的壓力分布，以提高空穴數(shù)，進(jìn)而達(dá)到減輕或消除空蝕破壞的目的，而在邊坡位置設(shè)置跌坎進(jìn)行人工強(qiáng)迫摻氣正是一種可行的選擇。本文針對(duì)德黨河水庫泄洪洞出閘水流可能發(fā)生的空化空蝕現(xiàn)象，通過模型試驗(yàn)研究，分別測試了0 m×0 m、0.14 m×0.14 m、0.28 m×0.28 m、0.42 m×0.42 m、0.56 m×0.56 m等不同跌坎斷面尺寸對(duì)下游泄槽臨底壓力與流速分布及空穴數(shù)變化的影響。成果表明：隨著跌坎斷面尺寸的逐漸增大，測點(diǎn)空穴數(shù)變化明顯，當(dāng)?shù)渤叽绯^0.42 m×0.42 m繼續(xù)增大時(shí)，測點(diǎn)空穴數(shù)趨于穩(wěn)定，亦即0.42 m×0.42 m和0.56 m× 0.56 m的跌坎體型尺寸能夠有效減輕泄槽底板可能出現(xiàn)的空蝕破壞。

摻氣減蝕；跌坎體型；試驗(yàn)研究

1 工程概況

德黨河水庫位于云南省臨滄市永德縣城邊，總庫容5 317萬m3，正常蓄水位1 445.65 m；設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）1 446.64 m，泄洪洞下泄流量120.00 m3/s；校核洪水位（P=0.05%）1 448.27 m，泄洪洞下泄流量120.00 m3/s。

泄洪洞為導(dǎo)流洞改建而成，位于右壩肩，軸線和溢洪道呈“X”形交叉，總長498.40m（平距），包括進(jìn)口段、檢修閘室段、龍?zhí)ь^段、有壓段、工作閘室段、出口消能段（圖1）。其中出口明槽段泄0+ 450.400～0+465.400，坡比i=0，底寬2.50m；泄0+465.400～0+492.400，坡比1∶4.5，底寬由2.50 m漸變至11.6 m（擴(kuò)散角6°）。根據(jù)水力計(jì)算成果，校核洪水位運(yùn)行工況下，出閘水流流速可達(dá)25.6 m/s，屬高速水流，可能產(chǎn)生空蝕破壞。

圖1 泄洪洞出口段縱斷面圖（單位：m）

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型。經(jīng)計(jì)算比較模型最終選用比尺λL=35，相應(yīng)比尺參數(shù)：流量比尺λQ=λL5/2=7247.20，時(shí)間比尺λT=λL1/2=5.916，流速比尺λv=λL1/2=5.916，糙率比尺λn=λL1/6=1.809。流量控制采用三角量水堰摻氣跌坎置于變坡位置（圖1），結(jié)合試驗(yàn)材料，選擇跌坎體型尺寸（H×B）分別為0.14×0.14 m、0.28×0.28 m、0.42×0.42 m、0.56×0.56 m，跌坎通過兩側(cè)邊墻預(yù)留孔和大氣聯(lián)通。

按照水力設(shè)計(jì)要求，在緩坡向陡坡過度時(shí)，宜采用拋物線連接［1］。依據(jù)原設(shè)計(jì)，在相應(yīng)于布置拋物線段的范圍沿縱向在泄槽底板布置三排測點(diǎn)，以測試跌坎下游摻氣后的壓力和流速分布，進(jìn)而研究空穴數(shù)變化情況：第一排測點(diǎn)位于折坡點(diǎn)下游（0+466.000），第二排測點(diǎn)位里程0+ 481.595，第三排測點(diǎn)位于里程0+477.790。

圖2 跌坎體型圖（單位：m）

每一排橫向均對(duì)稱布置左、中、右3個(gè)測點(diǎn)，分別位于左邊墻與軸線中間、軸線位置、軸線與右邊墻中間［2-3］。

2.2 方案選取本試驗(yàn)選擇校核洪水位（P=0.05%）1 448.27 m工況，分別采用0.1 mm精度的測壓管和OA型直讀式多功能流速儀測試閘后高速水流縱、橫向的壓力分布及流速分布，通過空穴數(shù)的變化尋求跌坎體型對(duì)空蝕的影響。空穴數(shù)依據(jù)下式計(jì)算：

式中：p及v為水流未受到邊界局部變化影響處的絕對(duì)壓強(qiáng)及平均流速；pv為蒸汽壓強(qiáng)；ρ為水的密度［1］。

本試驗(yàn)就德黨河水庫泄洪洞出閘水流可能發(fā)生的空化空蝕現(xiàn)象，通過模型試驗(yàn)研究，分別測試了0×0 m、0.14×0.14 m、0.28×0.28 m、0.42×0.42 m、0.56×0.56 m等5種不同跌坎斷面尺寸對(duì)下游泄槽臨底壓力與流速分布及空穴數(shù)變化的影響［4-5］。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 對(duì)比方案（不設(shè)置摻氣跌坎）試驗(yàn)測試了未設(shè)置摻氣跌坎（對(duì)比方案）的測點(diǎn)壓力、流速分布，在此基礎(chǔ)上得到測點(diǎn)空穴數(shù)（表1）。

表1 對(duì)比方案（未設(shè)摻氣跌坎）壓力、流速以及空穴數(shù)分布

從表1可以看出：在里程0+466.000（1-1斷面）處，左、中、右三個(gè)測點(diǎn)均出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓，并且軸線位置負(fù)壓達(dá)-2.94 m，空穴數(shù)低至0.15；在里程0+477.790（2-2斷面）處，測點(diǎn)壓力和空穴數(shù)開始回升；至里程0+481.595（3-3斷面）處，僅右側(cè)測點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓。分析負(fù)壓產(chǎn)生的原因，在于水流在折坡位置有脫離底部邊界的傾向，致使壓力降低［6］。

3.2 方案1（0.14 m×0.14 m跌坎）摻氣跌坎（布置于水平段末端下游）體型為0.14 m×0.14 m時(shí)，測點(diǎn)壓力、流速分布以及測點(diǎn)空穴數(shù)見表2。

由表2可以看出：較之未設(shè)摻氣跌坎的對(duì)比方案，相應(yīng)測點(diǎn)的壓力有所增大，軸線位置負(fù)壓由-2.94 m增大到-2.59 m，空穴數(shù)同樣出現(xiàn)回升，從最低0.15回升至0.18。說明跌坎摻氣已經(jīng)影響到壓力和流速的分布，進(jìn)而導(dǎo)致空穴數(shù)的變化，而是效果并不明顯。

表2 方案1（0.14 m×0.14 m）壓力、流速以及空穴數(shù)分布

3.3 方案2（0.28 m×0.28m跌坎）摻氣跌坎（布置于水平段末端下游）體型為0.28 m×0.28 m時(shí)，測點(diǎn)壓力、流速分布以及測點(diǎn)空穴數(shù)見表3。由表3可以看出：隨著跌坎體型尺寸增大，強(qiáng)迫摻氣效果增強(qiáng)，相應(yīng)測點(diǎn)的壓力進(jìn)一步增大，由軸線位置負(fù)壓-2.94 m增大到-0.81 m，空穴數(shù)進(jìn)一步回升，由0.15回升至0.34。

表3 方案2（0.28 m×0.28 m）壓力、流速以及空穴數(shù)分布

3.4 方案3（0.42 m×0.42 m跌坎）摻氣跌坎（布置于水平段末端下游）體型為0.42 m×0.42 m時(shí)，測點(diǎn)壓力、流速分布以及測點(diǎn)空穴數(shù)見表4。

表4 方案3（0.42 m×0.42 m）壓力、流速以及空穴數(shù)分布

由表4可以看出：跌坎體型增大至0.42 m×0.42 m時(shí)，里程0+466.000（1-1斷面）處，軸線測點(diǎn)負(fù)壓由-2.94 m回升到-0.74 m；里程0+477.790（2-2斷面）處，軸線測點(diǎn)流速也由23.31 m/s下降至16.92 m/s；里程0+481.595（3-3斷面）處，軸線測點(diǎn)負(fù)壓和空穴數(shù)也有回升。說明跌坎的強(qiáng)迫摻氣效果進(jìn)一步增強(qiáng)。

3.5 方案4（0.56 m×0.56 m跌坎）摻氣跌坎（布置于水平段末端下游）體型為0.56 m×0.56 m時(shí)，測點(diǎn)壓力、流速分布以及測點(diǎn)空穴數(shù)見表5。

表5 方案4（0.56 m×0.56m）壓力、流速以及空穴數(shù)分布

比較表4和表5，可以看出：相應(yīng)測點(diǎn)壓力、流速以及空穴數(shù)的變化不大，說明繼續(xù)增大跌坎尺寸，雖然會(huì)壓力會(huì)出現(xiàn)低增加，流速微微下降，空穴數(shù)會(huì)略微回升，然而強(qiáng)迫摻氣效果較之方案三不再明顯。

3.6 試驗(yàn)成果分析圖3為軸線各測點(diǎn)壓力分布，圖4為軸線各測點(diǎn)空穴數(shù)變化情況。在校核洪水位（P=0.05%）1 448.27 m的工況下，從圖3可以看出：隨著摻氣跌坎體型尺寸的逐漸增大，閘后折坡點(diǎn)下游沿程壓力逐漸增大，特別是1-1斷面軸線位置測點(diǎn)；從圖4可以看出：隨著摻氣跌坎體型尺寸的逐漸增大，閘后折坡點(diǎn)下游沿程空穴數(shù)逐漸增大，從方案3到方案4開始處于低增加，趨于穩(wěn)定。

圖3 軸線測點(diǎn)壓力分布

圖4 軸線測點(diǎn)空穴數(shù)分布

由此說明，隨著跌坎斷面尺寸的逐漸增大，測點(diǎn)空穴數(shù)變化明顯，當(dāng)?shù)渤叽绯^0.42 m×0.42 m繼續(xù)增大時(shí)，測點(diǎn)空穴數(shù)趨于穩(wěn)定，亦即0.42 m×0.42 m和0.56 m×0.56 m的跌坎體型尺寸能夠有效減輕泄槽底板可能出現(xiàn)的空蝕破壞。

4 結(jié)語

試驗(yàn)表明，折坡處設(shè)置跌坎，強(qiáng)迫摻氣效果明顯，可以提高其下游泄槽的沿程壓力和空穴數(shù)，有效減輕空蝕破壞發(fā)生的可能性。

就德黨河水庫泄洪洞閘后水流而言，考慮到摻氣減蝕效果和工程經(jīng)濟(jì)的問題，跌坎體型尺寸選0.50 m×0.50 m效果最佳。

［1］SL253-2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［2］常銀兵.泄洪洞摻氣設(shè)施水力特性及體型優(yōu)化研究［D］.武漢：長江科學(xué)院，2013.

［3］肖鴻.高水頭泄洪洞摻氣設(shè)施研究［D］.武漢：長江科學(xué)院，2014.

［4］榮巖.泄洪洞突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施水流特性研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2014.

［5］郭志萍，董志勇，韓偉.不同摻氣孔徑下水流空化特性試驗(yàn)研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2013（1）：30-34.

［6］洪新.某泄水建筑物底孔摻氣減蝕措施優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2013（7）：114-115，119.

Different size drop experiment on the influence of aeration corrosion reduction research

LI Jingwei，QIU Yong，HU Xin，MA Yunfu，CHEN Jingjiang
（College of Water Resources and Hydraulic Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

Cavitation damages flow surface of discharge structures，and may even cause principal structures to collapse when it is severe.Thus it is necessary to alleviate or prevent the damage of cavitation by altering the pressure distribution of high-speed flow region，which raises the incipient cavitation number.Setting aerators with vertical drops at slopes is one of the feasible solutions.In order to protect the flood discharge tunnel of the Dedang reservoir from cavitation，we investigatead the influence of cavitation on bottom pressures of chute at lower reaches，flow velocity and number of holes by creating aerators of sizes 0 m×0m，0.14 m×0.14m，0.28 m×0.28m，0.42 m×0.42m and 0.56 m×0.56m.Experimental results show that as the sizes of aerators grow larger,the incipient cavitation number changes obviously. Until it reaches 0.42 m×0.42m，the incipient cavitation number becomes stable.Therefore we can conclude that aerators of sizes 0.42 m×0.42m and 0.56 m×0.56m can effectively prevent cavitation at the bottom of chutes.

aerated；drop sill；experimental study

TV131.3+4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.06.010

1672-3031（2015）06-0461-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2015-06-16

李京蔚（1989-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士生，主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail：1161138145@qq.com