泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施空腔回水研究

李 靜 胡國毅

(長江科學(xué)院 a.水力學(xué)研究所;b.研究生部，武漢 430010)

1 研究背景

我國目前及未來一段時期在建并即將新建一大批大型水電站，其中高水頭大流量泄洪洞的水力學(xué)問題十分突出，一直以來都是水力學(xué)界關(guān)注的重要問題之一。泄洪洞是水利水電樞紐工程中一種十分重要的岸邊泄水建筑物，也是因高速水流引發(fā)空蝕破壞案例數(shù)量相對比較多的一種泄水建筑物。在實際運行中，有一部分高水頭工程的泄洪洞發(fā)生了不同程度的空蝕破壞，對于高水頭泄洪洞而言，不論其泄流量大小都存在高速水流問題，如水流摻氣脈動空化空蝕等。摻氣減蝕技術(shù)的應(yīng)用大大地推動了泄洪洞高速水流問題的研究和發(fā)展，已成為國內(nèi)外廣泛采用的解決高速水流空蝕破壞的一項有效工程措施?？茖W(xué)合理地設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施可以對泄洪洞邊墻和底板起到良好的保護(hù)作用，以保證工程的安全并節(jié)省工程投資。

對于摻氣減蝕設(shè)施體型，目前主要從摻氣坎體型本身及坎下設(shè)施方面著手，進(jìn)行了減輕空腔回水的研究［1－8］。對于泄洪洞而言，在一定條件下會出現(xiàn)空腔不穩(wěn)定和空腔消失等不利流態(tài)，使摻氣設(shè)施的減蝕功能難以發(fā)揮。本文以長河壩水電站泄洪洞摻氣設(shè)施為例，研究減輕泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施空腔回水的措施。

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

長河壩水電站深孔式泄洪洞由短有壓進(jìn)口段、無壓隧洞段和出口挑流鼻坎段組成。泄洪洞布置成平直且一坡到底的無壓泄洪洞。進(jìn)口底高程1 650.00m，上游設(shè)計洪水位1 690m，校核洪水位1 694.6m。

泄洪洞洞身總長度1 362.00m，隧洞縱坡為i=0.102 79，最大泄量3 692m3/s。第1道摻氣坎設(shè)置在樁號0+300，每200m設(shè)置一個摻氣槽，共設(shè)置6道摻氣坎。

模型模擬范圍包括泄洪洞進(jìn)水口及閘門段、洞身、泄洪洞出口等。模型根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，長度比尺為30，模型上游布置于8 m×5m×8 m(長×寬×高)的水箱內(nèi)。泄洪洞模型泄水建筑物部分全部采用有機玻璃制作。

3 摻氣設(shè)施比較

因泄洪洞3#—6#摻氣設(shè)施摻氣坎后均可形成穩(wěn)定空腔，試驗主要針對1#和2#摻氣設(shè)施，重點比較了摻氣設(shè)施的坎高和下游底坡形式。比較方案見表1、圖1和圖2。其中方案1至方案3比較了挑坎高度;方案4至方案7比較了坎后底坡的坡度和長度;方案8下游底板采用圓弧。

4 試驗成果

各方案空腔特征值試驗成果見表2。方案8空腔形態(tài)見圖2。

方案1中1#及2#摻氣坎坎后水舌挑距約6～10m，空腔為回水淹沒，沒有形成空腔。

表1 試驗方案Table 1 Test schemes

圖1 摻氣設(shè)施布置示意圖Fig.1 Sketch of aerator structures

圖2 圓弧底板方案摻氣設(shè)施空腔形態(tài)Fig.2 Cavity of aerator structures in the scheme of arch bottom

方案2和方案3中1#及2#摻氣坎坎后水流挑距增加。方案2中，1#摻氣坎后水舌挑距約7～16m，2#摻氣坎后水舌挑距約8～18 m。但1#及2#摻氣坎坎后仍無法形成穩(wěn)定空腔，坎下積水較多。

方案4中1#摻氣坎后水流挑距約12～19.8 m;2#坎后水流挑距約16.5～21.6m。1#坎后空腔回水較多，間歇封堵空腔，坎下空腔高度在0.3～1.35m之間變化;2#坎后，空腔回水間歇封堵空腔，坎下空腔高度在0.3～1.2m范圍之間變化。

方案 5中 1#摻氣坎后水流挑距約7.5～19.8 m，2#摻氣坎后水流挑距約10.2～21m。兩摻氣坎仍無法形成穩(wěn)定的空腔。

方案6中兩摻氣坎后回水仍很嚴(yán)重，無法形成穩(wěn)定空腔。試驗觀察到1∶5的陡坡長度不夠及坡比不合適，部分出挑水流未落在陡坡上，挑射水流與下游坡夾角過大，從而導(dǎo)致回水。

方案7摻氣坎后空腔內(nèi)回水仍很嚴(yán)重。

方案8挑坎后水舌基本落在圓弧面上，空腔內(nèi)基本無回水，空腔穩(wěn)定。

造成摻氣坎水舌下緣反向漩滾和空腔回水的原因，主要是摻氣水舌下緣與下游坡交匯處的夾角過大。而交匯處夾角的大小，與摻氣坎的高度、體型、坎上水流特性(流速、水深)及下游坡比等因素有關(guān)。在摻氣坎高度、體型和下游坡比一定時，不同工況條件下，坎上水流的特性將有所變化，從而水舌交匯處的夾角的大小也將隨之發(fā)生變化，因此單一調(diào)整下游坡比只能適應(yīng)某一特定工況下的水流特性。而在實際工程應(yīng)用中情況絕非如此，單一下游坡比要滿足各種工況下?lián)綒庠O(shè)施均可發(fā)揮良好效果實屬困難。若在下游挑距的變動區(qū)間內(nèi)采用可變斜率的底板體型，則可滿足不同工況條件下水流特性的需要。圓弧型底板各點的斜率是連續(xù)可變的，正好適應(yīng)不同工況條件下水流特性的需求，從而達(dá)到摻氣坎水舌與下游段連接夾角大小可控的目的，較好地解決了摻氣坎水舌下緣反向漩滾和空腔回水的問題。

表2 設(shè)計水位條件各方案空腔特征值Table 2 Characteristic values of cavity in each scheme under designed water level

5 結(jié)論

(1)有空腔的水舌運動是復(fù)雜的氣、水兩相流運動，其軌跡影響因素眾多，目前還無法從理論上完全解決水舌夾角的計算問題，還只能依賴于物理模型試驗效果。

(2)摻氣設(shè)施下游圓弧型底板是對傳統(tǒng)單一坡度底板的一種拓展，明顯具有以下優(yōu)點:增大下游的局部底坡;減小了水舌與底板的夾角，使得底部回流長度減輕，甚至完全避免，從而大大增大了有效空腔長度;可以適應(yīng)多種工況。對于水深大、回水區(qū)長的摻氣坎水舌形態(tài)，圓弧形底板可較好地適應(yīng)水舌形態(tài)，使得空腔回水減輕，甚至完全避免，是一種減輕空腔回水的有效措施。

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