設(shè)有摻氣分流墩的溢流表孔優(yōu)化試驗(yàn)

陳文輝，南軍虎，陳 晴

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050；3. 北京國電水利水電工程有限公司，北京 100024)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大規(guī)模水電開發(fā)已經(jīng)成為我國解決能源問題的一個(gè)重要途徑，然而，高山峽谷處河道相對狹窄，在這種地形條件下建壩，建筑物的布置上通常存在困難，如何避免各表孔水流直接傾砸岸坡和在空中的對撞，并在狹窄的空間內(nèi)歸槽成為首要問題，同時(shí)，空蝕、霧化、下游河床及岸坡沖刷等高速水流問題也值得廣泛關(guān)注。

郭紅民等[1]采用數(shù)值模擬的方式對比了溢流表孔多種優(yōu)化消能方案，通過增大挑流反弧半徑、優(yōu)化鼻坎挑角改善出口水流流態(tài)；秦根泉等[2]通過模型試驗(yàn)從泄流能力和堰面動(dòng)水壓力等方面驗(yàn)證了表孔溢流堰體型改進(jìn)設(shè)計(jì)的合理性；張春滿等[3]研究了表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪消能方式，表、深孔不發(fā)生空中碰撞，較好地解決了工程中大流量、窄河谷的泄洪消能防沖難題。研究表明[4-6]，強(qiáng)迫摻氣有助于減少和防止高速水流泄水建筑物過流壁面上發(fā)生空蝕破壞，廣泛應(yīng)用在各類高水頭建筑物上。基于此，結(jié)合具有河道狹窄、單寬流量大、下游岸坡地質(zhì)條件差等特點(diǎn)的亞碧羅水電站，采用試驗(yàn)研究的方法，通過優(yōu)化其整體布局和表孔的挑流型式，并進(jìn)一步驗(yàn)證通氣孔的通風(fēng)特性、壓強(qiáng)特性等水力參數(shù)，具有重要的工程意義，成果可為同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程簡介和試驗(yàn)工況

亞碧羅水電站主要建筑物由重力壩、4個(gè)溢流表孔、2個(gè)泄洪排沙底孔及地下廠房等組成。其正常蓄水位為1 079 m，壩高為165.00 m。原方案中4個(gè)溢流表孔(圖1)整體上分高、低兩層次布置，1號(hào)和3號(hào)表孔為高位表孔，2號(hào)和4號(hào)表孔為低位表孔，寬度均為14 m，由開敞式溢流堰、直線段、反弧段及挑流設(shè)施組成，其中堰頂高程1 058.00 m，單孔最大設(shè)計(jì)泄流量為3 001 m3/s。該工程具有作用水頭高、河道狹窄、單寬流量大、下游岸坡地質(zhì)條件差等特點(diǎn)，且表孔反弧段后水流流速大，空化空蝕問題值得關(guān)注。

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用有機(jī)玻璃制作，比尺分別為1∶50(單體)和1∶100(整體)，試驗(yàn)工況見表1。試驗(yàn)中流速采用畢托管量測，時(shí)均壓強(qiáng)采用測壓管量測，脈動(dòng)壓強(qiáng)采用壓力傳感器和DJ800多功能水工數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)量測，水面線采用水準(zhǔn)儀標(biāo)定，通氣孔風(fēng)速采用熱球式風(fēng)速量測。

圖1 表孔總體布置(單位：m)Fig.1 General arrangement of spillway surface orifice

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experimental condition

2 整體布置優(yōu)化

原方案中4個(gè)表孔出口挑流型式均為曲面貼角窄縫式鼻坎，并在末端設(shè)跌坎式摻氣設(shè)施。結(jié)果表明，由于挑流鼻坎尺寸相同，盡管表孔整體上分高低兩層次布置，但水流縱向拉伸不夠充分，挑射水流的落點(diǎn)集中在下游河道160 m長度范圍內(nèi)且挑射水流上部水冠較為離散，水流傾砸岸坡，不僅影響下游錯(cuò)落體的穩(wěn)定，也引起較為嚴(yán)重的霧化(圖2)。因此，需從整體布局上解決挑射水流落點(diǎn)集中的問題，并需從細(xì)部上優(yōu)化出口段水流流態(tài)；同時(shí)水舌下沿的落點(diǎn)位于曲面貼角下部的跌坎內(nèi)，無法形成有效的摻氣空腔，使得通氣孔通氣不暢；此外，低位表孔反弧段的作用水頭在各工況下介于65.41～83.47 m間，在正常蓄水位工況下水流流速達(dá)40 m/s以上，故反弧段的摻氣減蝕技術(shù)值得進(jìn)一步研究。針對上述問題，結(jié)合1∶100和1∶50模型試驗(yàn)研究，對整體的布置進(jìn)行了如下優(yōu)化：

圖2 原方案流態(tài)Fig.2 Flow pattern of original scheme

(1)將高、低位表孔出口段的曲面貼角窄縫式鼻坎分別優(yōu)化為窄縫式挑坎和摻氣分流墩，使高位表孔出口水流縱向拉伸，低位表孔出口水流橫向擴(kuò)散。試驗(yàn)表明，這種布置不僅分散了挑射水流落點(diǎn)，而且節(jié)省了消能空間，有效解決了河道狹窄對總體布置帶來的困難(圖3，工況6)。

圖3 優(yōu)化后的整體流態(tài)圖Fig.3 Optimized overall flow pattern

(2)根據(jù)已有的研究成果[7,8]，從經(jīng)濟(jì)及安全角度出發(fā)，經(jīng)過系列試驗(yàn)研究后確定在陡坡直線段樁號(hào)下0+055.950 m處設(shè)置一道摻氣設(shè)施，其中挑坎高度0.85 m，跌坎高度0.8 m。

3 低位表孔分流墩優(yōu)化

低位表孔出口段挑流型式共進(jìn)行了三種分流墩的試驗(yàn)研究：四面體分流墩、萁舌形分流墩、四面體優(yōu)化墩(圖4)。上游水位1 079.00 m時(shí)三種型式分流墩的相關(guān)水力參數(shù)如表2所示，橫向擴(kuò)散流態(tài)如圖5所示。由圖5(a)可知，在低水位工況下，由于泄槽內(nèi)水層較薄且橫向擴(kuò)散，挑射水流在尚未到達(dá)四面體分流墩頂部時(shí)已被對稱分開，挑射水流不連續(xù)，存在產(chǎn)生霧化的可能；由圖5(b)可知，萁舌形分流墩的流線型設(shè)計(jì)保證了挑射水流的連續(xù)性，但其體型較為復(fù)雜，且其末端出現(xiàn)較小負(fù)壓，存在一定的安全隱患；四面體優(yōu)化墩結(jié)構(gòu)簡單，保證了挑射水流的連續(xù)性且橫向擴(kuò)散充分[圖5(c)]，壁面壓力較大，水流歸槽情況良好，無傾砸岸坡現(xiàn)象，高位表孔出口段導(dǎo)墻不會(huì)阻礙其橫向出流，很好地解決了低位表孔的挑流問題[8]。

圖4 分流墩體型圖(單位：m)Fig.4 The body figure of diversion pier

分流墩體型最大挑距/m擴(kuò)散寬度/m挑射水舌最高點(diǎn)/m最小壓力/m四面體133.046.0995.661.34萁舌形150.045.01 002.97-0.54四面體優(yōu)化墩125.037.5998.054.86

圖5 水流流態(tài)比較圖Fig.5 Comparison of flow pattern

4 其他水力參數(shù)

4.1 空腔長度及通風(fēng)量

閘門開啟后，上游水庫及進(jìn)口段水位平穩(wěn)，水流繞過收縮圓弧后，靠近側(cè)墻邊壁水流呈“V”型溝狀，堰頂水面較上游水庫水位低。門槽處存在未貫穿的立柱漩渦，高度約為門槽處水深的一半。陡坡直線段水流平穩(wěn)，在表孔直線段末端設(shè)置摻氣挑坎及跌坎后，水流強(qiáng)迫摻氣，空腔形態(tài)、空腔長度及通風(fēng)量分別如圖6和表3所示?？涨婚L度隨上游水位的增大而減小，在試驗(yàn)工況下其值介于15～19.5 m之間。由于空腔長度較大，摻氣坎挑射水流落點(diǎn)位于反弧段內(nèi)，從而不可避免地在挑射水流落點(diǎn)處的空腔內(nèi)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，回水長度介于8.0～12.0 m之間，但各工況通氣孔通風(fēng)，單個(gè)通氣孔的最小通風(fēng)量22.48 m3/s，總通風(fēng)量介于46.21 ～57.46 m3/s之間。

圖6 空腔形態(tài)Fig.6 Cavity morphology

上游水位/m空腔長度/m回水長度/m左岸通風(fēng)量/(m3·s-1)右岸通風(fēng)量/(m3·s-1)總通風(fēng)量/(m3·s-1)1 070.00 19.5 8.0 24.9822.4847.461 072.49 18.0 8.5 28.7328.7357.461 076.49 17.0 10.0 26.2323.7349.961 079.0016.0 11.0 24.3523.7348.081 080.06 15.0 12.0 23.7322.4846.21

4.2 壓強(qiáng)特性

各工況閘門全開時(shí)，進(jìn)口段堰頂以前部分曲線段未產(chǎn)生負(fù)壓，由于流速逐漸增大，堰面壓強(qiáng)沿程呈降低趨勢，溢流壩段壁面壓強(qiáng)無突變。規(guī)范規(guī)定[9]：對于常遇洪水位閘門全開情況，堰頂附近負(fù)壓值不得大于0.03 MPa，對于校核洪水位閘門全開情況，堰頂附近負(fù)壓不得大于0.06 MPa。研究表明，僅在上游水位為1 080.06 m時(shí)(校核水位)堰頂附近出現(xiàn)負(fù)壓，其值約為-1.27 kPa，滿足規(guī)范規(guī)定，因此堰面曲線選用合理。

表孔直線段各測點(diǎn)壓強(qiáng)均為正壓，通氣孔下游空腔中最大負(fù)壓值為-13.52 kPa，規(guī)范規(guī)定[9]：空腔壓強(qiáng)以保證空腔順利進(jìn)氣為原則，可在-2～-14 kPa之間選取，因此滿足設(shè)計(jì)要求。表孔反弧段壓強(qiáng)變化符合自由表面凹曲面上水流的壓強(qiáng)分布規(guī)律，即反弧段中部壁面壓強(qiáng)大于上下切點(diǎn)處的壁面壓強(qiáng)，且隨著上游水位的升高、單寬流量的增大，反弧段壓強(qiáng)逐漸從多峰型向單峰型轉(zhuǎn)變；此段壁面壓強(qiáng)未出現(xiàn)負(fù)壓，壓強(qiáng)最小值為6.52 kPa。出口段由于分流墩的阻水作用，壁面壓強(qiáng)在分流墩前端最大，隨后呈減小趨勢，在分流墩末端最小且均為正值。

脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程變化曲線如圖7所示，特征點(diǎn)上的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)(脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)=脈動(dòng)壓強(qiáng)/時(shí)均壓強(qiáng))和優(yōu)勢頻率如表4所示，其特性可概括如下：

圖7 脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程變化曲線Fig.7 Root mean square variations of of fluctuating pressure

(1)水頭高、泄量大、水流紊動(dòng)劇烈，脈動(dòng)壓強(qiáng)亦大。堰面曲線段水流穩(wěn)定，脈動(dòng)壓強(qiáng)相對較小，水流脈動(dòng)壓強(qiáng)在摻氣坎下部水舌落點(diǎn)處最大，隨后沿程逐漸減小。

(2)除個(gè)別點(diǎn)之外，多數(shù)測點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)的優(yōu)勢頻率在0.033～0.201 Hz范圍內(nèi)變化，屬低頻，遠(yuǎn)小于建筑物的固有頻率。

(3)計(jì)算后可知脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)變化范圍為0.07～0.16。

表4 優(yōu)勢頻率Tab.4 Dominant frequency

(4)分析樣本的統(tǒng)計(jì)特征值，各測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力都近似正態(tài)分布。

4.3 水流空化數(shù)

水力學(xué)中常用水流空化數(shù)σ來衡量泄水建筑物各部位水流的空化特性，亞碧羅水電站中溢流表孔的水流空化數(shù)σ沿程變化曲線如圖8所示?？梢钥闯鏊骺栈瘮?shù)沿程呈現(xiàn)先減小然后增大隨后又減小的趨勢，其中在堰頂處和反弧中部最大，在摻氣坎下游空腔內(nèi)和挑坎段相對較小。流態(tài)研究表明，摻氣坎保護(hù)范圍一直到出口末端，摻氣坎下游到表孔挑坎末端泄槽近壁面水流為乳白色的水氣混合物。但由于局部部位水流空化數(shù)較小，最小值為0.15左右、且挑坎末端最大流速接近于39 m/s，結(jié)合溢流堰面和反弧段空化空蝕的研究成果[10]，在施工時(shí)須控制上述部位施工的不平整度、采用抗沖耐磨材料，并改善運(yùn)行工況，控制閘門小開度局開運(yùn)行。

圖8 水流空化數(shù)沿程變化曲線Fig.8 Variations of flow cavitation number

5 結(jié) 語

采用試驗(yàn)研究的方法優(yōu)化了亞碧羅水電站溢流表孔的總體布置，研究了設(shè)有摻氣分流墩的低位表孔的水力特性，主要結(jié)論如下。

(1)高位表孔出口水流縱向拉伸，低位表孔出口水流橫向擴(kuò)散，使得挑射水流的落點(diǎn)分散，從整體布局上解決挑射水流落點(diǎn)集中的問題。

(2)溢流表孔出口段采用的四面體優(yōu)化分流墩結(jié)構(gòu)簡單，壁面壓力大，不僅保證了挑射水流的連續(xù)性和整體性，而且橫向擴(kuò)散充分，水流歸槽情況良好。

(3)溢流表孔直線段末端(下0+055.950 m)設(shè)置摻氣設(shè)施時(shí)，通氣孔總通風(fēng)量介于46.21～57.46 m3/s之間，摻氣保護(hù)范圍包括反弧段及出口段。

(4)反弧段壓強(qiáng)變化符合自由表面凹曲面上水流的壓強(qiáng)分布規(guī)律，脈動(dòng)壓強(qiáng)的優(yōu)勢頻率在0.033～0.201 Hz之間變化；脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)變化范圍為0.07～0.16，且各測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力都近似正態(tài)分布。

(5)由于局部部位水流空化數(shù)較小，且流速較大，必須嚴(yán)格控制該部位施工的不平整度、采用抗沖耐磨材料，并改善運(yùn)行工況。