進(jìn)水口設(shè)閘控流的壩下涵管空蝕破壞及防空蝕措施

蔡勇平，蔡曉鴻

（1.江西省吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安，343000；2.江西省吉安市水利局，江西 吉安，343000）

0 引言

江西省吉安市吉州區(qū)中型水利工程官溪水庫大壩控制集水面積18.5 km2，正常蓄水位79.53 m，總庫容1 510萬m3，興利庫容1 170萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.16萬ha。水庫輸水建筑物為進(jìn)水口設(shè)閘控流的無壓流鋼筋混凝土壩下涵管，閘門過流孔口尺寸為1.2 m×0.8 m（寬×高），壩下涵管內(nèi)徑1.8 m，底坡i=1/300，孔口斷面底板高程70.8 m，壩下涵管以正常蓄水位為設(shè)計(jì)工況，工作閘門后涵管長46 m，管后接灌溉渠道。

2017年6月12日，有關(guān)人員進(jìn)入涵管檢查發(fā)現(xiàn)，距閘門孔口11～43 m長32 m中間管段頂部與側(cè)壁混凝土有嚴(yán)重剝蝕破壞現(xiàn)象，蝕損深度10～30 mm，剝落混凝土手捻呈粉末狀，粗骨料大面積裸露。設(shè)閘控流的無壓流涵管出現(xiàn)如此嚴(yán)重蝕損破壞現(xiàn)象，引起了主管部門、設(shè)計(jì)單位與水管單位的高度重視，立即組織工程技術(shù)人員分析了原因，及時提出加固處理設(shè)計(jì)方案。據(jù)美國統(tǒng)計(jì)，在上游壩面或上游壩面附近設(shè)置閥門（閘門）控流的輸水建筑物，幾乎都遭到了嚴(yán)重的氣蝕破壞［1］。鑒于問題的普遍性，特以官溪水庫壩下涵管空蝕（也習(xí)稱氣蝕）破壞為例，計(jì)算分析產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)防空蝕破壞措施，為水工設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

1 空化與空蝕

進(jìn)水口設(shè)閘控流壩下涵管流態(tài)主要與涵管過流量及庫水位、涵管斷面型式及尺寸、涵管底板高程及底坡、涵管長度及通氣孔設(shè)置等因素有關(guān)。當(dāng)涵管內(nèi)水流未與閘門底、管頂接觸時，管內(nèi)水流為無壓流；當(dāng)水流接觸閘門底，管內(nèi)水面仍處于管頂以下，管內(nèi)水流為孔流；當(dāng)管內(nèi)已有局部斷面充滿水流，管內(nèi)水流為半有壓流；當(dāng)全涵管被水流充滿時，管內(nèi)水流為有壓流。

鑒于影響涵管流態(tài)的因素非常多且甚為復(fù)雜，目前，對涵管流態(tài)的轉(zhuǎn)化界限尚無成熟的計(jì)算方法，但有一點(diǎn)在水工界是明確的，那就是封閉管道內(nèi)應(yīng)避免水躍現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)避免明滿交替半有壓不穩(wěn)定流態(tài)的出現(xiàn)。因?yàn)榉忾]管道內(nèi)的水躍或明滿交替半有壓流流態(tài)內(nèi)空氣與氣核的存在，均有可能在管道內(nèi)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并形成空蝕破壞等嚴(yán)重問題。

以往，人們關(guān)注的是如何防止空蝕破壞，但是對空蝕的成因機(jī)理不太重視，致使水工建筑物往往因設(shè)計(jì)、施工或運(yùn)行不當(dāng)?shù)仍?，不斷發(fā)生空蝕破壞問題。

所謂“空化”現(xiàn)象，就是指溫度一定時，若水體所受的壓力降低到該溫度下水的蒸汽壓力值時，水體內(nèi)就會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，產(chǎn)生空泡。有必要指出，水的空化與水的沸騰形似而質(zhì)異?？栈a(chǎn)生的空泡隨高速水流帶向下游壓力較高區(qū)域后，泡中的蒸汽重新凝固，空泡便瞬間突然破裂潰滅，形成高強(qiáng)度沖擊壓強(qiáng)與微射流壓強(qiáng)，其強(qiáng)度可達(dá)數(shù)百兆帕級［2］。顯然，這種高強(qiáng)度沖擊荷載與微射流荷載若直接且連續(xù)地作用于壩下涵管管壁上，將導(dǎo)致涵管壁面出現(xiàn)蝕損破壞，這種現(xiàn)象被工程界稱為“空蝕”，輕則出現(xiàn)斑點(diǎn)麻面，強(qiáng)度喪失；重則形成蜂窩孔洞，片狀剝落；更嚴(yán)重者，可產(chǎn)生深大蝕坑，混凝土甚至巖塊被掀起沖移。顯見，空蝕的破壞程度既取決于水流的空化強(qiáng)度，又與結(jié)構(gòu)材料的抗蝕能力密切相關(guān)。

2 壩下涵管空蝕破壞原因分析

前面對中型工程官溪水庫壩下涵管產(chǎn)生空蝕破壞的原因、機(jī)理進(jìn)行了定性探討，下面從理論上進(jìn)行定量計(jì)算分析，以查明壩下涵管發(fā)生嚴(yán)重空蝕破壞的主要原因。

2.1 壩下涵管收縮斷面水深計(jì)算

據(jù)壩下涵管運(yùn)行資料，水庫正常蓄水位工況下的閘門開度為0.27 m，相應(yīng)涵管過流量為2.44 m3/s。經(jīng)計(jì)算，出口管段均勻流正常水深為0.88 m，過流面積為1.24 m3，流速為1.97 m/s。此時，閘門孔口處流速為7.53 m/s。據(jù)水力學(xué)，由閘門孔口處急流過渡到管內(nèi)緩流，必將出現(xiàn)水躍這一局部水力現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)水流間的銜接。

利用式（1），可求算出閘孔后壩下涵管的收縮斷面水深，即第一共軛水深[3]：

式中：T0為相對于壩下涵管底板的進(jìn)水口總水頭，在正常蓄水位運(yùn)行工況下，T0=79.53-70.8=8.73 m；

hc為收縮斷面水深；

Q為壩下涵管設(shè)計(jì)灌溉引用流量，Q=2.44 m3/s；

φ為流速系數(shù)，取φ=0.95；

ωc為收縮斷面過流面積。

采用試算法求得壩下涵管的收縮斷面水深：hc=0.24 m，相應(yīng)圓心角θc=85°40′，收縮斷面過流面積ωc=0.20 m2，流速Vc=12.20 m/s。

2.2 壩下涵管第二共軛水深計(jì)算

圓形涵管內(nèi)發(fā)生有壓水躍現(xiàn)象時，其第一共軛水深斷面、第二共軛水深斷面的壓力動量和守恒方程式為[3]：

式中：A1=ωc，A2=別為第一、第二共軛水深斷面的過流面積重心在水面以下的深度；h2為第二共軛水深，可取躍后斷面的壓坡線至管底的壓力水頭值。

Z1的計(jì)算式為[4]：

將 d=1.8 m，θ=85°40′代入式（3），求算得Z1=0.14 m。

于是，將A1=ωc=0.20 m2、Z1=0.14 m、A2=π×1.82=2.5447 m2、Z2=h2-=h2-0.9代入式（2），求算得壩下涵管第二共軛水深h2=6.84 m。

以上計(jì)算表明，壩下涵管第二共軛水深h2=6.84 m，遠(yuǎn)大于壩下涵管過流斷面內(nèi)徑1.8 m，即壩下涵管在正常蓄水位79.53 m、閘門開度0.27 m運(yùn)行工況條件下，閘門孔口射流所形成的涵管內(nèi)有壓水躍將充滿涵管過流斷面，從而在涵管內(nèi)出現(xiàn)明滿交替半有壓流不穩(wěn)定流態(tài)，閘孔與躍后斷面間的氣體不斷被水流帶走，產(chǎn)生負(fù)壓及不穩(wěn)定氣囊，以致出現(xiàn)空化空蝕破壞現(xiàn)象。也就是說，壩下涵管內(nèi)所出現(xiàn)的不良運(yùn)行流態(tài)，是導(dǎo)致中間管段頂部及側(cè)壁混凝土疲勞蝕損破壞、失去其應(yīng)有強(qiáng)度的主要原因。

2.3 壩下涵管有壓水躍計(jì)算

壩下涵管管內(nèi)有壓水躍躍首斷面的平均水深：

式中：B為過流斷面的水面寬度。

其弗汝德數(shù)：

即在此運(yùn)行工況條件下，壩下涵管將產(chǎn)生強(qiáng)烈有壓水躍。

采用《水力計(jì)算手冊（第二版）》（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室）所推薦9.0＜Frc＜16時的水躍長度計(jì)算式，進(jìn)行壩下涵管有壓水躍長度計(jì)算：

式中，i為壩下涵管底坡。將hc=0.24 m，F(xiàn)rc=9.74，i=1/300代入式（4），求算得L=33.24 m。

水躍長度計(jì)算結(jié)果與壩下涵管實(shí)測蝕損管段長約32 m基本吻合。閘門孔口后壩下涵管長46 m，蝕損長度占閘門后涵管總長度的70%。官溪水庫壩下涵管蝕損破壞長度甚長，與壩下涵管底坡較緩有關(guān)。

2.4 管內(nèi)有壓水躍與閘門相對開度

綜上，以官溪水庫壩下涵管在正常蓄水位閘門開度為0.27 m時的運(yùn)行工況為例，對進(jìn)口設(shè)閘控流的壩下涵管出現(xiàn)有壓水躍不利流態(tài)造成空蝕破壞進(jìn)行了計(jì)算分析。據(jù)此可知，為確保壩下涵管的運(yùn)行安全，很有必要提出庫水位、流量及開度關(guān)系曲線，以確定不同運(yùn)行工況條件下的閘門開度，避免管內(nèi)不良流態(tài)的發(fā)生。但鑒于問題的復(fù)雜性，目前，對封閉式管流流態(tài)的轉(zhuǎn)化界限尚缺乏成熟的計(jì)算方法，但對設(shè)閘控流的圓形壩下涵管，可據(jù)有關(guān)試驗(yàn)研究成果[5]，按相對水頭H/d≥4（H為上游庫水位，d為進(jìn)口孔口高度）、相對開度e/d≤0.3（e為閘門開啟度）時，管內(nèi)將可能產(chǎn)生有壓水躍進(jìn)行把控。也就是說，對進(jìn)口設(shè)閘控流的壩下涵管，應(yīng)據(jù)相對水頭值，避免在上述相對開度工況條件下運(yùn)用。對各具體運(yùn)行工況，如需進(jìn)一步分析認(rèn)定管內(nèi)是否出現(xiàn)有壓水躍，則可按前述計(jì)算方法予以計(jì)算確認(rèn)。

3 設(shè)閘控流壩下涵管防空蝕措施

進(jìn)水口段設(shè)閘控流壩下涵管發(fā)生空蝕破壞，原因是多方面的，但現(xiàn)象卻具普遍性，只是在破壞程度上存有差異。因此，有必要研究可行的防空蝕措施，下面僅就設(shè)閘控流壩下涵管設(shè)計(jì)及運(yùn)行中常被忽視卻不容忽視的若干問題做一粗淺分析，以期引起水工設(shè)計(jì)人員與運(yùn)行管理單位的重視。

（1）水工設(shè)計(jì)人員應(yīng)如重視壩下涵管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，重視其水力設(shè)計(jì)，在水力設(shè)計(jì)中應(yīng)避免水力不協(xié)調(diào)現(xiàn)象的存在，應(yīng)驗(yàn)算在各級設(shè)計(jì)流量過流條件下，管內(nèi)不產(chǎn)生水躍。眾所周知，水躍是一種局部不穩(wěn)定流現(xiàn)象，水躍的產(chǎn)生將引發(fā)水流中的氣核在低壓區(qū)集聚結(jié)團(tuán)，繼而在高壓區(qū)破碎潰滅，出現(xiàn)空化空蝕現(xiàn)象。特別是躍尾斷面觸及管頂?shù)挠袎核S所表現(xiàn)出的躍前斷面不穩(wěn)定遷移現(xiàn)象、躍尾斷面強(qiáng)烈壓力脈動現(xiàn)象，將加劇水躍水流的紊動，增大其破壞性。因此，封閉管道的水力設(shè)計(jì)應(yīng)避免管內(nèi)水躍現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（2）水工試驗(yàn)表明，閘門孔口斷面采用突變式體形與涵管連接易產(chǎn)生負(fù)壓，以致出現(xiàn)空化空蝕破壞；壩下涵管過流壁面不平整，將導(dǎo)致過流能力的降低及高速水流下的空蝕破壞。因此，在壩下涵管設(shè)計(jì)時，閘門孔口與涵管間應(yīng)采用漸變流線形體型連接；在施工作業(yè)時，應(yīng)確保體型合理、壁面平滑，以提高管身結(jié)構(gòu)的抗空蝕破壞能力。

（3）壩下涵管緊靠閘門后設(shè)置通氣管，是常用的減蝕設(shè)施，但一旦壩下涵管過流時產(chǎn)生有壓水躍，管內(nèi)將引起強(qiáng)烈的自由摻氣與強(qiáng)迫摻氣，此時，通氣管的進(jìn)氣風(fēng)速將遠(yuǎn)高于水流流速，摻氣使水流的初生空化數(shù)加大，從而使空蝕破壞更易發(fā)生，這是設(shè)置通氣管的弊端。因此，對于有可能出現(xiàn)有壓水躍的壩下涵管，其通氣量與通氣管面積應(yīng)通過計(jì)算擬定，并留有安全裕度。

（4）應(yīng)重視設(shè)閘控流壩下涵管調(diào)度運(yùn)用設(shè)計(jì)，計(jì)算給出庫水位、流量所對應(yīng)的開度曲線，以指導(dǎo)調(diào)度運(yùn)行管理，確保壩下涵管運(yùn)行安全。

如前所述，進(jìn)水口段設(shè)閘控流按無壓流設(shè)計(jì)運(yùn)用的壩下涵管，遇不當(dāng)閘門開度，涵管內(nèi)有可能出現(xiàn)有壓水躍，形成明滿交替半有壓流流態(tài)，產(chǎn)生空化空蝕破壞。對進(jìn)水口段設(shè)閘控流按有壓流設(shè)計(jì)運(yùn)用壩下涵管，則隨著閘門開度減小或加大，管內(nèi)過流量也將相應(yīng)地減少或增大，從而涵管內(nèi)將可能出現(xiàn)有壓流向無壓流，或無壓流向有壓流轉(zhuǎn)變的明滿交替半有壓流過渡流態(tài)。因此，在壩下涵管運(yùn)行管理中應(yīng)合理掌控閘門開度，避免有壓水躍或明滿交替半有壓流流態(tài)的發(fā)生，特別應(yīng)避免壩下涵管長時間處于不良流態(tài)下工作，及時消除或減輕有壓水躍及明滿交替流對壩下涵管的空蝕破壞危害。

（5）根據(jù)壩下涵管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)，可將進(jìn)水口段設(shè)閘控流無壓流設(shè)計(jì)壩下涵管，采用涵管末端設(shè)置工作閘門并采取相應(yīng)水力與結(jié)構(gòu)處理措施，將其變更為有壓流壩下涵管，以消除管內(nèi)水躍現(xiàn)象。

據(jù)上述防空蝕措施，為確保官溪水庫壩下涵管在各級設(shè)計(jì)灌溉流量下不再出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，經(jīng)方案比較，取用的加固處理設(shè)計(jì)方案為：按有壓流運(yùn)行工況內(nèi)襯鋼管，并在涵管末端設(shè)置工作閘門及消力池。

4 結(jié)語

中型工程官溪水庫無壓流設(shè)計(jì)壩下涵管，壁面產(chǎn)生大面積蝕損破壞的原因是設(shè)閘控流的開度不當(dāng)，閘后涵管段出現(xiàn)有壓水躍，形成明滿交替流，產(chǎn)生空化空蝕破壞。而對于中小型水庫工程，在壩下涵管進(jìn)水口段設(shè)閘控流，企求管內(nèi)恒為無壓流流態(tài)，這一設(shè)計(jì)理念廣為水工設(shè)計(jì)人員所認(rèn)同。然工程運(yùn)行實(shí)際表明，這一工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念對流態(tài)的掌控并不可靠，且按此理念設(shè)計(jì)的眾多壩下涵管普遍存在程度不同空蝕破壞現(xiàn)象。因此，為防止類似蝕損破壞現(xiàn)象發(fā)生，除重視防空蝕水力設(shè)計(jì)外，對水力條件較復(fù)雜的中型工程壩下涵管，尚應(yīng)進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，論證其布置與水力設(shè)計(jì)的合理性?！?/p>