“龍?zhí)ь^”泄洪洞高速水流摻氣減蝕研究

詹雙橋，楊志明，鄭 洪

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

高流速、大流量、水流條件復(fù)雜的水工隧洞，當(dāng)過(guò)水邊界遇有突變、突體、陡坎及斷面急驟變化時(shí)，極易發(fā)生空蝕現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外泄洪洞因高速水流引發(fā)空蝕破壞的案例較多。有關(guān)研究成果表明，采用適當(dāng)?shù)膿綒獯胧┦菧p免高速水流出現(xiàn)空化與空蝕破壞最有效的技術(shù)手段，但由于高流速泄洪洞水流條件非常復(fù)雜，難以通過(guò)工程類比和計(jì)算分析直接確定所有設(shè)計(jì)參數(shù)或工程措施，包括如何合理確定高流速泄洪洞摻氣設(shè)施布置、體型、數(shù)量、摻氣濃度、抗蝕材料、過(guò)流面平整度控制標(biāo)準(zhǔn)等。涔天河水庫(kù)工程2#泄洪洞通過(guò)減壓模型試驗(yàn)、理論計(jì)算分析、工程運(yùn)用調(diào)研等手段開(kāi)展了摻氣減蝕措施的研究。

1 工程概況

涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程位于湖南省江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游。工程以灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)，水庫(kù)總庫(kù)容15.1億m3，正常蓄水位313m。為Ⅰ等大(一)型水利水電樞紐工程。

工程采用兩條高低布置的無(wú)壓流泄洪隧洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞兼顧導(dǎo)流，采用“龍?zhí)ь^”布置形式，緩坡段縱坡2%，龍?zhí)ь^段與緩坡段采用反弧相接，洞身全長(zhǎng)770m，緩坡段洞身斷面尺寸12m×12.5m(寬×高)，龍?zhí)ь^段洞身尺寸由18m×14.2m漸變至12m×12.5m。2#泄洪洞主要特征頻率下泄流量見(jiàn)表1，最大下泄流量2878m3/s，最大流速36.7m/s。

2 空化試驗(yàn)研究

2.1 空化研究原理

水流空化是氣泡從發(fā)生、發(fā)展到潰滅，反復(fù)的、隨機(jī)的、循環(huán)過(guò)程所表現(xiàn)出來(lái)的總體現(xiàn)象。空化時(shí)會(huì)產(chǎn)生寬頻帶隨機(jī)噪聲信號(hào)，空化噪聲信號(hào)是空化時(shí)聲能的隨機(jī)脈沖輻射，空化的不同強(qiáng)度階段伴隨有不同的噪聲輻射能，且不同空化類型所體現(xiàn)的噪聲量級(jí)和頻域不同。因此，根據(jù)空化噪聲的這些特點(diǎn)，運(yùn)用聲學(xué)原理測(cè)量方法，可有效地進(jìn)行水流空化問(wèn)題的研究分析。

表1 2#泄洪洞不同頻率的泄洪流量

水流中的噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)分析處理后獲得噪聲聲壓譜級(jí)(SPL)，定義聲譜級(jí)差值ΔSPL=SPLf-SPL0，其中SPLf為相似氣壓條件下模型水流中的噪聲譜級(jí)，而SPL0則為參考背景條件下模型水流中相應(yīng)的噪聲譜級(jí)。據(jù)總結(jié)多年來(lái)原型、模型空化問(wèn)題的研究成果，有如下空化強(qiáng)弱經(jīng)驗(yàn)判別式：

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

ΔSPL<5dB 無(wú)空化

ΔSPL≈5～10dB 空化初生階段

ΔSPL>10dB 空化發(fā)展階段

按上式譜級(jí)差ΔSPL值的量級(jí)可用來(lái)衡量空化強(qiáng)度，產(chǎn)生空化的類型與ΔSPL值分布的頻域特性有關(guān)。中外學(xué)者通過(guò)對(duì)空化機(jī)制和空化噪聲的研究發(fā)現(xiàn)：空化的聲能輻射有低頻的空泡振蕩分量和高頻的尖脈沖分量，對(duì)于含氣型空化(空泡內(nèi)氣體含量較高)，空化的噪聲貢獻(xiàn)主頻一般分布在80～63kHz及以下的中低頻段；而以含汽為主則為蒸汽型空化(液體汽化、空泡“爆炸”性地崩潰而形成的空化)，空化的噪聲貢獻(xiàn)可分布于80～200kHz及以上的高頻段，據(jù)此可判斷空化類型。

有關(guān)研究成果及工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，含氣型空化基本不具備空蝕破壞力，而蒸汽型空化達(dá)到一定的強(qiáng)度具有空蝕破壞力，是工程上極為關(guān)注的一種空化。

2.2 減壓模型

2.2.1模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用1/40正態(tài)局部模型。模型布置在工作寬度和高度分別為0.80m和3.50m、試驗(yàn)段總長(zhǎng)度16.0m的減壓箱中，流量、壓力(水柱)和糙率比尺分別為Qr=10119.3、Pr=40、nr=1.85。

減壓模型滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似及空化相似(空化數(shù)相等)，空化相似通過(guò)減壓箱控制相似真空度來(lái)實(shí)現(xiàn)，模型水面控制的相似氣壓為：

pa=(Pa-Pv)/Lr+pv

(1)

式中,Pa、pa—分別為原型、模型水面的大氣壓力,Pa；Pv、pv—分別為原型、模型水流相應(yīng)水溫下的汽化壓力，Pa；Lr—模型長(zhǎng)度比尺。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在進(jìn)口側(cè)緣、檢修門槽區(qū)域及泄洪洞底板(中心線)布置了時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力測(cè)試。同時(shí)在檢修門槽下游近區(qū)、WES堰面以及漸變段起始斷面和漸變段結(jié)束斷面這幾個(gè)區(qū)域布置水下噪聲傳感器接收空化噪聲信息。測(cè)點(diǎn)具體布置如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)成果

本模型共布置了5個(gè)水下噪聲測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)測(cè)得的校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、防洪高水位和正常蓄水位四工況下有關(guān)部位水下噪聲譜級(jí)。根據(jù)水下噪聲譜級(jí)圖可求得80～200kHz高頻段最大譜級(jí)差值ΔSPLmax，校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位工況各部位高頻段最大譜級(jí)差值列于表2。

表2 宣泄校核及設(shè)計(jì)洪水時(shí)泄洪洞各部位高頻段最大譜級(jí)差值

表3 宣泄校核洪水時(shí)泄洪洞典型斷面水流空化數(shù)σ

注：P為斷面測(cè)點(diǎn)壓力；v為斷面平均流速。

由圖1、表2可知，低于設(shè)計(jì)洪水位運(yùn)行，檢修門槽區(qū)域、泄洪洞WES堰面及洞身漸變段起點(diǎn)區(qū)域80～200kHz高頻段最大譜級(jí)差值ΔSPLmax小于5dB，表明上述區(qū)域水流不會(huì)發(fā)生蒸汽型空化，校核洪水位下堰頂前部區(qū)域出現(xiàn)80～200kHz高頻段最大譜級(jí)差值ΔSPLmax大于5dB但小于10dB的空化噪聲，表明水流在該區(qū)域已發(fā)生初生階段空化，但不會(huì)出現(xiàn)空蝕破壞。

設(shè)計(jì)洪水位及校核水位下運(yùn)行，洞身漸變段終點(diǎn)(緩坡段起點(diǎn))區(qū)域出現(xiàn)80～200kHz高頻段最大譜級(jí)差值ΔSPLmax大于5dB但小于10dB的空化噪聲，表明水流在該區(qū)域已發(fā)生初生階段空化。

2.4 減蝕措施

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算了校核洪水位條件下泄洪洞堰面和洞身壓力較低或流速較高的五個(gè)斷面的水流空化數(shù)列于表3。

從表3可知，漸變段末端試驗(yàn)流速超過(guò)35m/s，其后緩坡段水流空化數(shù)σ<0.3，該處需設(shè)置摻氣坎。龍?zhí)ь^下游緩坡段水面沿程壅高，流速逐漸減小，漸變段末端下游180m處最大流速降低至33m/s以下。

緩坡段縱坡2%，工程經(jīng)驗(yàn)表明，較小底坡情況下若摻氣坎體型設(shè)置不當(dāng)，起不到摻氣效果時(shí)，回水淹沒(méi)摻氣槽，摻氣坎本身可能成為空化源，進(jìn)而會(huì)威脅泄洪洞的安全運(yùn)行，因此2#泄洪洞僅在龍?zhí)ь^末端設(shè)置一道摻氣坎，對(duì)緩坡段上游出現(xiàn)空化可能性較大的部位進(jìn)行摻氣保護(hù)，并加強(qiáng)緩坡段過(guò)流表面平整度控制以降低空蝕破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3 摻氣形式選擇

前期設(shè)計(jì)中，2#泄洪洞沿線共設(shè)置9道摻氣坎，通過(guò)試驗(yàn)研究及工程運(yùn)用調(diào)研，僅保留龍?zhí)ь^末端一道摻氣坎。摻氣設(shè)施布置及體型根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本工程實(shí)際擬定，通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證效果后確定最優(yōu)方案。

2%緩坡段是由原導(dǎo)流洞改建，洞身尺度已定，為避免摻氣設(shè)施對(duì)水流產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)，過(guò)分的抬高坎后水面線，過(guò)多增加工程擴(kuò)挖量，摻氣設(shè)施首先考慮通過(guò)調(diào)整泄洪洞反弧段(漸變段)底板圓弧半徑，在漸變段與緩坡段銜接處(樁號(hào)0+086.05)自然形成一個(gè)跌坎，進(jìn)行摻氣。

3.1 體型Ⅰ

將泄洪洞反弧段(漸變段)底板圓弧半徑由R=100m修改為R=103.88m，使得在漸變段與緩坡段銜接處(0+086.048m斷面)形成一個(gè)1.5m高跌坎，坎下洞身兩側(cè)壁各設(shè)置一個(gè)1.5m×1.0m(長(zhǎng)×高)的通氣孔，摻氣坎及通氣孔局部尺寸如圖2所示，摻氣坎區(qū)域流態(tài)如圖3所示，圖中尺寸單位為m。

圖2 體型Ⅰ摻氣坎及通氣孔型式

試驗(yàn)表明，體型Ⅰ摻氣坎可在射流水舌落點(diǎn)后形成覆蓋洞身底板的近100m穩(wěn)定摻氣水流帶，但坎后射流水舌下未形成穩(wěn)定空腔，為使工程更加安全可靠，對(duì)摻氣坎體型進(jìn)行修改。首先考慮保持龍?zhí)ь^反弧段底板圓弧半徑與體型Ⅰ相同，僅對(duì)摻氣坎局部體型進(jìn)行修改解決摻氣空腔問(wèn)題。

3.2 體型Ⅰ- 1

2%的緩坡使得水舌與底板夾角較大，導(dǎo)致較強(qiáng)烈的水流反向旋滾，因此在水舌落點(diǎn)區(qū)域設(shè)置一貼坡，使該區(qū)域底板坡度變?yōu)?.2%，目的就是減小入射水流與底板的夾角。體型Ⅰ- 1的布置型式如圖4所示，摻氣坎區(qū)域流態(tài)如圖5所示，圖中尺寸單位為m。

試驗(yàn)結(jié)果表明，體型Ⅰ- 1優(yōu)于體型Ⅰ，顯然使水舌盡量多的落在較陡的貼坡上有利于空腔的形成。但體型Ⅰ- 1摻氣坎在高于設(shè)計(jì)水位運(yùn)行時(shí)水舌下仍不能出現(xiàn)穩(wěn)定空腔，因此嘗試?yán)^續(xù)調(diào)整摻氣坎形式解決回水及摻氣空腔的問(wèn)題。

圖3 體型Ⅰ摻氣坎區(qū)域流態(tài)示意(校核洪水位)

圖5 體型Ⅰ- 1摻氣坎區(qū)域流態(tài)示意

圖4 體型Ⅰ- 1布置型式

3.3 體型Ⅱ

根據(jù)上述研究確定摻氣坎體型進(jìn)一步修改思路：①1.5m高跌坎+坎后貼坡(0.8m高、坡度為7.2%)的摻氣坎體型無(wú)法使所有水位下均形成穩(wěn)定空腔，因此需將跌坎高度以及貼坡高度適當(dāng)提高，并適當(dāng)加大斜坡坡度。②對(duì)于在2%的緩坡上設(shè)置摻氣坎，在坎后加設(shè)貼坡使水舌落點(diǎn)落在坡度較陡的貼坡上，有利于空腔的形成，但也帶來(lái)通氣孔進(jìn)水不易排干的問(wèn)題，因此體型Ⅱ?qū)⑼饪滋Ц?，使通氣孔高于貼坡頂，解決通氣孔被水淹沒(méi)的問(wèn)題。③根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求最大通氣風(fēng)速應(yīng)小于60m/s，按單寬14m3摻氣量估算，通氣孔面積應(yīng)大于2×1.4m2。為避免過(guò)多增加坎高，盡量減小通氣孔孔高，取孔高為0.8m，則寬度應(yīng)大于1.75m。

綜合考慮上述因素，體型Ⅱ采用2.0m跌坎+坎后約1.0m高平臺(tái)+坡度較陡斜坡與2%緩坡銜接的混合式摻氣坎型式。

修改泄洪洞反弧段(即漸變段)底板圓弧半徑，由原設(shè)計(jì)R=100m修改為R=105.17m，使得在漸變段與緩坡段銜接處(0+086.048m斷面)形成一個(gè)2.0m高跌坎，坎下洞身兩側(cè)壁各設(shè)置一個(gè)1.9m×0.8m(長(zhǎng)×高)的通氣孔，通氣孔布置在高度為1.0m左右的平臺(tái)上，平臺(tái)高程為236.779m，平臺(tái)長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定為8.0m，平臺(tái)后與原導(dǎo)流洞2%的緩坡相接的斜坡坡度經(jīng)試驗(yàn)確定為10.3%，10.3%斜坡與2%緩坡交匯處采用R=18.461m的圓弧順滑銜接，以避免該處出現(xiàn)水流空化。此摻氣坎體型簡(jiǎn)稱為體型Ⅱ。

2#泄洪洞設(shè)置體型Ⅱ摻氣坎摻氣坎及通氣孔局部尺寸如圖6所示，摻氣坎區(qū)域流態(tài)如圖7所示。

試驗(yàn)觀測(cè)了庫(kù)水位為正常蓄水位、防洪高水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位時(shí)泄洪洞泄流流態(tài)。各水位條件下?lián)綒饪矃^(qū)域流態(tài)如圖7所示。

試驗(yàn)資料表明，體型Ⅱ各級(jí)水位下跌坎后的射流水舌下均能形成穩(wěn)定的空腔，并且空腔尺度較大；坎后底部水流摻氣情況良好，可觀察到覆蓋洞底板的霧狀摻氣水流帶延伸至坎下射流落點(diǎn)后約100m范圍以上。

圖6 體型Ⅱ摻氣坎及通氣孔布置型式(單位：m)

圖7 體型Ⅱ摻氣坎區(qū)域流態(tài)示意(單位：m)

4 平整度控制

控制高速水流泄洪洞過(guò)流面平整度是減少空蝕破壞的有效途徑之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)流面平整度控制尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多是根據(jù)不同的流速提出相應(yīng)的凸起高度和坡度控制標(biāo)準(zhǔn)。本工程通過(guò)工程運(yùn)用調(diào)研，提出了如下控制標(biāo)準(zhǔn)：不平整部位高差控制在3mm以內(nèi)，凸起進(jìn)行打磨，縱向坡度控制在1∶40，橫向坡度控制在1∶30。

5 結(jié)論

(1)不設(shè)摻氣坎時(shí)，2#泄洪洞在設(shè)計(jì)洪水位及以下水位運(yùn)行時(shí)，泄洪洞檢修門槽區(qū)以及表孔堰面和洞身漸變段出口區(qū)域均未有蒸汽型空化發(fā)生；校核洪水位下運(yùn)行時(shí)，堰頂前部及洞身漸變段終點(diǎn)(緩坡段起點(diǎn))該區(qū)域發(fā)生初生階段空化，但不會(huì)出現(xiàn)空蝕破壞。

(2)2#泄洪洞在校核洪水位下運(yùn)行時(shí)，漸變段末端流速超過(guò)35m/s，其后緩坡段有小于0.3的水流空化數(shù)出現(xiàn)，該處需設(shè)置摻氣坎，并注意在施工中控制洞身的不平整度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化，在漸變段末端設(shè)置體型Ⅱ摻氣跌坎，各級(jí)水位下跌坎后的射流水舌下均能形成穩(wěn)定的空腔，坎后底部水流摻氣情況良好。

(3)通過(guò)研究，涔天河水庫(kù)工程2#泄洪洞減少了摻氣坎數(shù)量，優(yōu)化了摻氣坎布置，選擇了與“龍?zhí)ь^”布置相適應(yīng)的摻氣坎體型，簡(jiǎn)化了襯砌施工工藝，加快了施工進(jìn)度，保證了工程質(zhì)量。