水流摻氣設(shè)施布置型式的研究總結(jié)與展望

文林森，黃國兵，王才歡，陳東新

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510641)

水流摻氣設(shè)施布置型式的研究總結(jié)與展望

文林森1，黃國兵1，王才歡1，陳東新2

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510641)

泄水建筑物在高速水流的作用下常發(fā)生空蝕破壞，通常工程中采用摻氣減蝕措施來達(dá)到對(duì)水工建筑物保護(hù)的目的。為了總結(jié)不同的水流摻氣布置型式在高水頭大流量的泄流建筑物中的可利用性和重要性，以及各自的主要特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，綜述了不同型式的摻氣措施的結(jié)構(gòu)、原理和工程應(yīng)用;并對(duì)在不同的水力條件下?lián)綒庠O(shè)施布置型式的優(yōu)化選擇及摻氣設(shè)施布置型式的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)與展望。

泄水建筑物；摻氣減蝕；高速水流；布置型式；水力條件

1 研究背景

近年來，很多重大水電工程建設(shè)于西南、西北地區(qū)的高山峽谷中，其中高水頭、大流量泄水建筑物中的水力學(xué)問題十分突出，特別是高速水流的空蝕空化問題。為解決該類問題，摻氣減蝕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?？茖W(xué)合理地布置摻氣減蝕設(shè)施可對(duì)泄水建筑物的邊墻和底板起到良好的保護(hù)作用，是工程應(yīng)用上解決高速水流空蝕破壞問題的有效方法。

摻氣減蝕措施最早應(yīng)用于水力機(jī)械。一般分為坎式、槽式、組合式等類別。在高水頭泄水工程中的應(yīng)用是在20世紀(jì)60年代開始于美國的大古力壩(Grand Coulee Dam)，該壩泄水孔錐形管出口處多次發(fā)生空蝕破壞，但在設(shè)置摻氣槽后，空蝕破壞現(xiàn)象沒有發(fā)生過。國內(nèi)第一個(gè)采用摻氣減蝕措施的是馮家山水庫的泄洪洞。目前摻氣減蝕已在溢洪道、泄洪洞、陡槽、閘下出流、豎井等多種泄水建筑物中得到廣泛的應(yīng)用[1]，摻氣設(shè)施布置被證明是解決空蝕破壞的最有效且又經(jīng)濟(jì)合理的途徑之一。然而在工程上，不同的摻氣布置型式有時(shí)對(duì)摻氣減蝕的效果影響十分顯著，摻氣設(shè)施還需與工程運(yùn)行條件相匹配才能達(dá)到理想的摻氣減蝕效果；有的不當(dāng)布置型式甚至?xí)?duì)工程造成嚴(yán)重蝕損，如二灘水電站1#泄洪洞[1]反弧段末端摻氣設(shè)施側(cè)壁及底板的破壞、龍羊峽水電站底孔側(cè)墻和底板的破壞、劉家峽水電站泄洪洞反弧段的破壞等。所以摻氣設(shè)施布置型式的選擇是十分重要的，根據(jù)不同的地形、地貌等有關(guān)條件對(duì)摻氣體型的適當(dāng)優(yōu)化是工程實(shí)踐中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。因此，水流摻氣設(shè)施布置型式的總結(jié)研究可對(duì)實(shí)踐中的摻氣工程如何科學(xué)合理地選擇布置型式提供重要的指導(dǎo)意義。

本文綜述了不同布置型式的結(jié)構(gòu)、原理及部分工程應(yīng)用，并且對(duì)部分工程應(yīng)用摻氣設(shè)施的優(yōu)化選擇進(jìn)行了簡單介紹。

2 摻氣坎

2.1 摻氣挑坎及斷面形狀優(yōu)化

摻氣挑坎，就是在水流方向設(shè)挑角。水流經(jīng)過摻氣挑坎，產(chǎn)生挑射水舌，在落水點(diǎn)與底板碰撞產(chǎn)生紊動(dòng)并且形成空腔區(qū)，此時(shí)完成水氣摻混，達(dá)到對(duì)水流摻氣的目的。

工程實(shí)踐表明，摻氣坎射流空腔積水，與包括泄槽底坡、摻氣坎體型、摻氣坎尺寸及來流水力條件等因素有關(guān)。徐一民等[2]通過建立摻氣坎射流曲線方程和摻氣空腔積水方程，分析計(jì)算了在下泄流量和底坡不變的情況下，挑角和挑坎高度的增大會(huì)引起空腔長度的增大，而對(duì)于空腔積水深度的影響則較弱。

單純的連續(xù)式跌坎挑射水舌的出射角，在橫向分布一致，落水點(diǎn)分布在垂直于洞軸線一條橫線上，在高速入射水流的劇烈紊動(dòng)作用下，相鄰水流間的互相推動(dòng)，此時(shí)空腔處于淹沒與不淹沒的臨界狀態(tài)，穩(wěn)定性較差。當(dāng)坎高較大，射流水面局部壅高，在高速下洞內(nèi)流態(tài)較差，脈動(dòng)壓力變幅劇增，且在重力作用下，水舌在坎后落水處容易產(chǎn)生反漩滾淹沒水流，空腔不穩(wěn)定；當(dāng)坎高較小時(shí)，空腔一旦回流，回流將惡性發(fā)展，使空腔大量積水，加上高速水流的劇烈紊動(dòng)，回水將減小空腔長度，從而引起通風(fēng)量減小，使得空腔內(nèi)氣流對(duì)挑射到底板水舌的頂推作用減小，這也使水舌落點(diǎn)處的水流容易產(chǎn)生回流。綜上所述，摻氣坎出口處的橫斷面形狀會(huì)直接影響射流水舌所形成的自由空腔形態(tài)的穩(wěn)定性及摻氣效果。

當(dāng)前針對(duì)高壩的高水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)、小底坡長明流泄洪洞，下游段水深在此流動(dòng)情況下，重力作用的影響十分顯著，反弧末端挑坎后的空腔區(qū)容易產(chǎn)生回水阻塞氣流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響摻氣設(shè)施的正常運(yùn)行。常規(guī)的平面摻氣坎已經(jīng)難以取得理想的減蝕效果。對(duì)摻氣坎斷面形狀的優(yōu)化取得了一定的進(jìn)展。龐昌俊等[3]提出一種新穎的U型摻氣坎。該設(shè)施可利用中間U型坎射流的沖擊作用，將空腔內(nèi)回旋水流推向主流，隨射流的作用力往下移動(dòng)，這樣小底坡?lián)綒饪埠罂涨怀霈F(xiàn)的回溯積水問題可以得到較好的改善。

隨后，王海云等[4]又通過實(shí)驗(yàn)研究提出了一種新型的V型槽式摻氣坎，見圖1。該設(shè)施使坎后射流水舌沿橫向方向的高程與挑角沿中心向二側(cè)保持連續(xù)性變化，水舌落水點(diǎn)范圍即空腔長度，這就可以減弱甚至消除水流落水處產(chǎn)生的碰撞形成回水，水舌與空腔的接觸面積增大，有利于水流摻氣量的增加。

圖1 V型和U型摻氣坎平面圖Fig.1 Plane graphs of V-shaped and U-shaped aeration step

2.2 突擴(kuò)式摻氣跌坎及體型優(yōu)化

突擴(kuò)式摻氣跌坎，兩邊墻壁面向外使泄槽擴(kuò)寬，兩側(cè)出現(xiàn)突擴(kuò)弧面。當(dāng)工作門開啟運(yùn)行時(shí)，兩突擴(kuò)邊墻后形成側(cè)空腔，底部跌坎后形成底空腔，共出現(xiàn)3處水流摻氣面。該體型的摻氣布置形式理想狀態(tài)下是兩側(cè)空腔和底部空腔相互貫通，可同時(shí)對(duì)邊墻和底板起到摻氣減蝕作用。

對(duì)于高水頭泄水深孔，工程上通常采用偏心鉸弧門或者伸縮式水封布置型式來解決閘門止水問題。不論哪種型式都要求門座側(cè)向突擴(kuò)，底部突跌。在此種情況下突擴(kuò)跌坎式摻氣體型不但滿足摻氣減蝕的要求，又可以很好地解決此種高水頭泄水深孔的閘門止水問題。所以在工程上，突擴(kuò)式跌坎摻氣得到廣泛應(yīng)用，如水布埡高水頭放空洞[5-6]、龍羊峽深孔、小浪底泄洪洞、三峽泄洪深孔[7]等都采用突擴(kuò)跌坎式摻氣型式。

有壓出口高速水流，在撞擊側(cè)擴(kuò)邊墻形成側(cè)空腔的同時(shí)，一方面向上形成“水翅”，可能濺擊弧形支鉸；另一方面在側(cè)空腔和底空腔形成“水簾”，水簾受重力作用沿側(cè)墻滑落入泄槽的底空腔內(nèi)，形成清水層，使底空腔有效長度減小，影響摻氣效果。此外，當(dāng)摻氣體型不符合實(shí)際運(yùn)行條件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)空腔封閉，從而產(chǎn)生渦漩流流態(tài)，渦漩流就有可能成為空化源；同時(shí)可能導(dǎo)致底空腔有效長度不足，從而減弱摻氣減蝕效果。實(shí)例中，突擴(kuò)跌坎摻氣體型在運(yùn)行過程發(fā)生空蝕空化破壞的情況為數(shù)不少，如美國德沃歇克壩的泄水孔、巴基斯坦塔貝拉工程3#泄洪洞、原蘇聯(lián)克拉斯諾雅爾斯克水電站的底孔等，而產(chǎn)生空蝕空化破壞的原因復(fù)雜多樣。

水布埡高水頭放空洞作為永久性泄水建筑物，工作閘門最高擋水水頭152.2 m，運(yùn)行工作水頭0～100 m，最大泄量1 600 m3/s，閘門孔口最大流速約38 m/s，下游明流洞有500 m長，其最大流速達(dá)45 m/s，需要布置摻氣減蝕設(shè)施。綜合各方面因素與資料顯示，取跌坎高度Δ=1.2 m，側(cè)擴(kuò)寬b=0.6 m，跌坎后明流底坡i=0.2。該體型的跌坎上可形成射流流態(tài)，使得底空腔和兩側(cè)空腔穩(wěn)定且貫通。

小浪底水利樞紐在孔板泄洪洞三級(jí)孔板消能裝置后布置長約85 m的中閘室段，中閘墩將泄洪通道一分為二，弧形閘門、突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施、通氣系統(tǒng)等均布置其中，孔板洞形成2個(gè)面積為4.8 m×4.8 m的閘孔，跌坎高度1.47 m，閘孔后兩側(cè)突擴(kuò)0.5 m。模型試驗(yàn)[8]與原型觀測的驗(yàn)證，證明此種突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施布置的優(yōu)化滿足要求。

由此可見，對(duì)突擴(kuò)跌坎體型的優(yōu)化顯得十分重要，突擴(kuò)跌坎摻氣設(shè)施體型參數(shù)除應(yīng)滿足閘門止水布置要求，還必須保證兩側(cè)及底部有穩(wěn)定貫通的空腔和足夠的通氣量。

3 摻氣槽

3.1 挑坎摻氣槽體型特點(diǎn)及優(yōu)化

挑坎摻氣槽是一種較簡單的體型，在工程中的應(yīng)用是十分廣泛的。摻氣槽過流，可將整個(gè)流動(dòng)劃分為來流區(qū)、空腔區(qū)和濃度散耗區(qū)。其中空腔區(qū)則是射流完成摻氣的區(qū)域。水氣界面處的紊動(dòng)交換作用和射流沖擊底板時(shí)的局部摻氣作用是空腔區(qū)內(nèi)水流完成摻氣的2種機(jī)理。

摻氣設(shè)施體型優(yōu)化在工程實(shí)踐中有很重要的意義，但目前關(guān)于摻氣槽體型優(yōu)化方面的研究很少。摻氣槽射流沖擊點(diǎn)附近存在旋輥，減小旋輥的大小，可以減少逸氣，但也削弱了摻氣的效果。在工程運(yùn)行條件下，摻氣槽挑坎坎高的選擇，要保證坎后保持穩(wěn)定的空腔和滿意的流態(tài)，否則挑坎將成為人工突體，在高速水流經(jīng)過時(shí)將產(chǎn)生分離型空穴，即要求坎高不能太小。就泄洪洞和溢洪道的工程設(shè)計(jì)而言，還應(yīng)使摻氣保護(hù)范圍盡量長，而其二者的邊墻高度盡量小。

時(shí)啟燧等[9]、Visvher等[10]通過模型試驗(yàn)對(duì)摻氣槽的選型進(jìn)行過較系統(tǒng)的研究。并給關(guān)于摻氣槽優(yōu)化選型的一些定性意見。Rutschmann等[11-12]曾對(duì)摻氣槽的體型優(yōu)化做過比較系統(tǒng)的研究，但通過與原型實(shí)測資料的對(duì)比觀察來看，誤差很大。楊永森等[13-15]通過建立計(jì)算挑坎摻氣槽坎高的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和摻氣設(shè)施水力特性的數(shù)學(xué)模型，可以通過數(shù)值計(jì)算求出通氣量、空腔負(fù)壓、空腔長度等水力參數(shù)，從而得出摻氣槽的實(shí)際工作狀況，并得出：來流Fr數(shù)越大所需坎高越小，來流Fr數(shù)越小所需坎高越大的結(jié)論。

3.2 跌坎摻氣槽工作原理

跌坎型摻氣槽體型偏簡單，對(duì)水流的流態(tài)的擾動(dòng)相對(duì)較小，便于通氣孔布置和在低Fr數(shù)流動(dòng)情況下增加水氣接觸面和通氣量，是目前工程建設(shè)中比較常用的摻氣體型，二灘水電站泄洪洞采用的就是上述摻氣體型。

圖2 跌坎摻氣槽示意圖Fig.2 Schematic diagram of aeration tank with falling sill

如圖2所示，跌坎處的射流水舌由于脫離底部邊界形成空腔，在紊動(dòng)的作用下，水舌下表面發(fā)生摻氣。在紊動(dòng)擴(kuò)散和壓力梯度的雙重作用下，水舌內(nèi)的氣泡逐漸地向水體深處發(fā)展，從而使水舌斷面形成一定的濃度分布。研究表明，跌坎型摻氣槽的摻氣特性與挑

坎型摻氣槽不完全相同，挑坎的設(shè)置與否，對(duì)水流的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的影響，從而會(huì)影響摻氣特性。設(shè)置挑坎，相當(dāng)于增加底部的糙率n，這必然會(huì)影響到摻氣起始流速和摻氣層厚度的增長率，導(dǎo)致?lián)綒饬康母淖?。目前?duì)這方面的定量研究相對(duì)較少，工程中通常在小底坡的情況下，為了防止重力作用明顯造成空腔積水的問題，會(huì)在摻氣槽前增設(shè)挑坎。底坡相對(duì)較大，重力作用不會(huì)明顯在槽內(nèi)產(chǎn)生空腔回水，射流水舌所產(chǎn)生的空腔長度相對(duì)較長，摻氣體型相對(duì)穩(wěn)定。在低Fr數(shù)的情況，由于重力作用明顯，情況亦是如此。

4 工程實(shí)踐中的組合摻氣

目前工程上的一般溢流壩面和斜坡段有摻氣坎、摻氣槽和組合式等摻氣設(shè)施。挑坎、跌坎式摻氣槽，當(dāng)坎較小時(shí)，摻氣槽有效空腔面積和槽下游水流底部摻氣濃度都相對(duì)較小，水舌對(duì)壩面的沖擊力也?。划?dāng)坎較大時(shí)，有效空腔面積與槽下游水流底部摻氣濃度都相對(duì)較大，但水舌沖擊力也相對(duì)較大。槽式摻氣槽的空腔容易被水淹沒，水流沖擊力較小。然而組合式摻氣設(shè)施可以結(jié)合坎、槽的優(yōu)點(diǎn)而規(guī)避缺點(diǎn)，所以在工程上應(yīng)用十分廣泛。

溪洛渡水電站是位于金沙江中段的一座以發(fā)電為主，兼攔沙、防洪等綜合利用的大型水電站[16]。水電站壩高278 m，上、下游落差約190 m，兩岸對(duì)稱布置了4條泄洪洞。泄洪洞最大總泄量約16 600 m3/s，采用“有壓灣洞后接無壓隧洞、龍落尾挑流消能”布置方式。3#泄洪洞原先在明流洞段設(shè)計(jì)的摻氣設(shè)施[17]是反弧段末端不連續(xù)的三道摻氣跌坎。當(dāng)庫水位較低時(shí)，三道摻氣坎坎下游均能形成較長的摻氣空腔，并且沒有回水。隨著庫水位升高，三道摻氣坎通氣孔內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)回水現(xiàn)象，影響摻氣效果。通過在原設(shè)計(jì)的摻氣跌坎上增加挑坎，組成挑、跌組合式摻氣坎，結(jié)果各摻氣坎下均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，空腔內(nèi)回水較少，坎下沿程摻氣濃度得到提高，此時(shí)組合式摻氣設(shè)施體現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，因此，摻氣坎具體體型參數(shù)的選擇要根據(jù)工程實(shí)際情況，具體問題具體分析。

另外組合式摻氣槽在型式上主要需考慮有效空腔的面積，它結(jié)合了坎、槽的優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)的馮家山、石頭河、以及烏江渡等工程，國外福土阿里亞等工程均采用過上述組合式摻氣體型，效果顯著。

在布置了多級(jí)摻氣設(shè)施的龍?zhí)ь^明流泄洪洞中，一般會(huì)在反弧段下游附近布設(shè)一個(gè)摻氣設(shè)施，但下游側(cè)墻發(fā)生空蝕破壞的事例也有報(bào)道，分析原因主要是底部摻氣需要一段流程才能達(dá)到水流中層和表層，而上一級(jí)摻氣設(shè)施所產(chǎn)生的摻氣水流經(jīng)過反弧段后，其水中氣泡的溢出速率更快，沒有覆蓋本級(jí)摻氣設(shè)施的首端側(cè)墻，以致出現(xiàn)側(cè)墻水流摻氣盲區(qū)，直至發(fā)生空蝕破壞，此類情況需盡量考慮底板與側(cè)墻的組合摻氣方式。

有一種新的思路[18]是在反弧末端底板設(shè)常規(guī)摻氣設(shè)施的同時(shí)增加側(cè)面摻氣設(shè)施，例如在底摻氣跌坎上游加設(shè)側(cè)挑坎，即側(cè)墻貼角，另一種是將底摻氣跌坎下游的二側(cè)邊墻向外突擴(kuò)。此類研究成果目前在工程上已經(jīng)得到驗(yàn)證。

二灘水電站1#泄洪洞采用常規(guī)底部摻氣設(shè)施，反弧段及下游底板的摻氣減蝕效果良好，不過反弧段下游側(cè)墻卻出現(xiàn)了空蝕破壞，總長約400 m的襯砌遭受嚴(yán)重破壞，并在基巖上形成數(shù)個(gè)沖坑。通過對(duì)1#泄洪洞2#摻氣坎(反弧段下游)體型進(jìn)行優(yōu)化改造，采用在反弧末端上游側(cè)墻貼角加凸型跌坎的三維組合摻氣方案[19]，原型觀測[20]表明，此方案能夠增加2#摻氣坎下游側(cè)墻的水流摻氣濃度，坎下游底板和側(cè)墻均未再出現(xiàn)空蝕問題。

5 摻氣設(shè)施布置型式研究展望

多項(xiàng)工程實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的單一的摻氣設(shè)施并不能滿足復(fù)雜的水力條件。摻氣設(shè)施的研究進(jìn)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。當(dāng)前多數(shù)情況下，組合式摻氣體型體現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。未來，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)摻氣設(shè)施的體型優(yōu)化則顯得愈發(fā)重要。不同的摻氣設(shè)施組合型式可能會(huì)達(dá)到不同的效果，本著對(duì)泄水建筑物起到保護(hù)的目的，開發(fā)不同條件下的不同摻氣設(shè)施組合將會(huì)是將來的工作重心，而創(chuàng)新全新的滿足摻氣要求的摻氣設(shè)施布置型式則是將來的研究方向。

6 結(jié) 語

本文對(duì)不同的泄流建筑物摻氣設(shè)施體型、功能、原理進(jìn)行了分析與總結(jié)，闡明了目前隨著高壩建設(shè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，摻氣設(shè)備對(duì)高速水流進(jìn)行摻氣以防止產(chǎn)生空蝕破壞愈發(fā)顯得重要。

工程中不斷出現(xiàn)的蝕損問題表明了水流摻氣布置型式的研究還有很大空間，而已經(jīng)存在的摻氣體型，根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化則顯得十分重要。對(duì)于大流量高水頭泄水建筑物組合式摻氣體型已經(jīng)表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。在底板、側(cè)墻等易產(chǎn)生空蝕空化的地方增設(shè)有效的摻氣設(shè)施，以及創(chuàng)新更加有效的水流摻氣技術(shù)還需作進(jìn)一步的工作。

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(編輯：姜小蘭)

Summary and Prospect of Researches on the Layoutof Water Flow Aerators

WEN Lin-sen1, HUANG Guo-bing1, WANG Cai-huan1, CHEN Dong-xin2

(1.Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010，China;2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641，China)

Cavitation damage often occurs in outlet structure under the action of high-velocity flow. Measures of aeration and cavitation mitigation are often taken in engineering to protect hydraulic structures. The availability and importance of different layout types of water flow aerators in outlet structures with high water head and large discharge were summarized. Their characteristics, advantages and disadvantages, the structure, principle and engineering application of aeration measures in different layout types were reviewed. And the optimal selection of layout types of aerators under different hydraulic conditions was also summarized.

outlet structure; aeration and cavitation mitigation; high-velocity flow; layout; hydraulic condition

2015-12-29;

2016-02-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379020，51279013)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2014042/SL)

文林森(1992-)，男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)，(電話)13026192956(電子信箱)wenlinlinsen@163.com。

10.11988/ckyyb.20151121

2017,34(4):52-55,60

TV135

A

1001-5485(2017)04-0052-04