某抽水蓄能電站放空洞摻氣減蝕試驗研究

許傳勇

摘要：某抽水蓄能電站放空洞采有壓隧洞接無壓隧洞的型式，無壓隧洞陡坡段的水流流速接近40m/s，存在高速水流空蝕破壞的風險。根據(jù)規(guī)范要求[1]，應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施，以保障放空洞的運行安全。試驗以水工單體模型為依托，對有壓隧洞的出口體型進行了優(yōu)化，改善了洞內(nèi)水流流態(tài)。通過摻氣減蝕試驗研究，確定了摻氣設(shè)施的設(shè)置位置、設(shè)置數(shù)量及體型，為放空洞的設(shè)計選型提供了依據(jù)。

Abstract： The emptying tunnel of a pumping storage power station adopts the type of pressure tunnel connected with a free-flow tunnel， in which the flow velocity of the steep slope section of the free-flow tunnel is nearly 40m/s， and there is a risk of cavitation damage of high-speed water flow. According to the requirements of specifications and regulations， to ensure the operation safety of the emptying tunnel， the aeration facilities should be set up. Based on the 1：30 hydraulic unit model， the author optimizes the outlet shape of the pressure tunnel to improve the flow pattern in the tunnel. Through the experimental study of aeration and corrosion reduction， the author determines the location， number and detailed shape of aeration facilities， which provides the theoretical basis for the shape design of the emptying tunnel.

關(guān)鍵詞： 放空洞;摻氣減蝕;摻氣坎;摻氣空腔;水翅

Key words： the emptying tunnel;aeration-cavitation resistance;aerator;aerated cavity;water wing

中圖分類號：TV732? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0126-03

1? 工程概況

某抽水蓄能電站總裝機容量1400MW，為4臺單機容量350MW的可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組。樞紐建筑物主要有上水庫大壩，下水庫大壩、泄洪排沙建筑物和放空洞，輸水系統(tǒng)，地下廠房和開關(guān)站等。

放空洞位于下水庫河床左岸山體內(nèi)，由引水渠、進水口、有壓隧洞、閘門井、無壓隧洞和挑流鼻坎組成，進水口底板高程578.00m。有壓隧洞為圓形斷面，直徑4m，出口布置弧形工作閘門，閘門孔口尺寸3.0m×2.5m（寬×高）。無壓隧洞為城門洞型，斷面尺寸4.0m×4.5m，出口采用挑流消能，見圖1。

校核洪水位（621.10m），放空洞的最大泄量為191m3/s，有壓洞出口至無壓洞緩坡段的平均流速在23.50～26.00m/s之間，陡坡段至挑流鼻坎間的平均流速在27.00～39.50m/s之間，高速水流問題較為突出。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的防空蝕設(shè)計原則，當流速超過30m/s時應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施[1]，因此，本工程有必要進行摻氣減蝕試驗研究。

試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰蕜t設(shè)計，為正態(tài)模型，模型比尺為1：30。（圖1）

2? 有壓洞出口體型優(yōu)化

原方案有壓洞工作閘門的孔口尺寸為3.0m×2.5m，出口為突擴突跌體型。無壓段邊墻向兩側(cè)各突擴0.5m過渡至正常洞寬4.0m，底板突跌0.5m，見圖2。

正常蓄水位620.00m，放空洞全開運行時（188m3/s），下泄水流在出口跌坎處形成橫軸反向旋滾，水流側(cè)向擴散沖擊洞室邊壁，激起 “水翅”拍打洞頂（見圖3），此流態(tài)會威脅放空洞的運行安全，故有壓洞出口的過渡體型需要優(yōu)化。

由于無壓洞緩坡段的水流流速未超過26.00m/s，底板空化數(shù)在0.32～0.48之間，大于0.3，該段隧洞發(fā)生空蝕破壞的風險不大，可取消出口跌坎。另外，應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，工作閘門的孔口尺寸變更為2.5m×3.0m（寬×高），試驗擬在出口后采用邊墻漸擴的方式過渡至無壓洞標準洞寬。

修改方案分別對比了邊墻擴散角度α=2.862°和α=1.193°兩種體型，成果見表1。正常蓄水位，兩修改方案均未出現(xiàn)“水翅”現(xiàn)象。邊墻擴散角為1.193°時，緩坡段的水面線較擴散角為2.862°的修改方案更為順暢，水面起伏更小，水深在2.0～3.0m之間，最大水面波動不超過0.2m，因此，α=1.193°的邊墻擴散角對改善洞內(nèi)流態(tài)更有利。

3? 摻氣試驗成果

3.1 摻氣坎位置及體型

試驗在樁號0+275.087m、0+359.820m布置兩道挑、跌坎組合摻氣設(shè)施。比較了坎坡i′1=3.7%（摻氣挑坎相對于底板的坡度）、挑坎？駐h1=0.3m;i′2=5%、？駐h2=0.4m和i′3=6.25%、？駐h3=0.5m三種型式，跌坎高度均為1.0m，第二種體型見圖4。正常蓄水位三種不同高度的摻氣坎后均能形成摻氣底空腔，空腔內(nèi)無回水。其中，第一種體型空腔長度為7.6m，平臺后空腔高度不足0.5m，不利空腔內(nèi)氣流運動;第三種體型空腔長度11.5m，空腔高度1.25m，挑射水流局部水面超過洞室斷面直墻0.3m，洞頂余幅不足13%，不滿足規(guī)范要求[2]。第二種體型的空腔長9.6m，空腔高度0.9m，挑射水流未超過洞室直墻，洞頂余幅滿足要求，空腔后水流可見明顯摻氣，因此，①#、②#摻氣坎均采用該體型。

3.2 流態(tài)、水深及壓強

放空洞在工作水頭范圍內(nèi)運行時，有壓洞出流緊貼漸擴段洞壁，未發(fā)生“水翅”，洞內(nèi)水面順暢，流態(tài)良好。校核洪水工況（621.10m）無壓洞內(nèi)的沿程水深在1.65～3.30m之間，最小洞頂余幅為20.7%，滿足規(guī)范要求[2]。

無壓洞底板壓強隨著下泄流量的增加而增大。①#、②#坎的挑射水流落點附近存在明顯的壓強峰值，局部壓力曲線呈單峰分布，落點區(qū)域的最大壓力梯度接近24kPa/m，應(yīng)注意合理留置隧洞結(jié)構(gòu)縫。①#、②#坎后的摻氣空腔內(nèi)存在負壓，最大負壓值為-2.65kPa，滿足規(guī)范負壓不超過-5kPa的要求[1]。底板過流面上的其它測點為正壓，壓強在0.1～68.87kPa之間，最大值出現(xiàn)在校核洪水工況的挑流鼻坎中段，分析為受水流離心力影響所致。

3.3 空腔長度、摻氣濃度與風速

無壓洞陡坡段的底坡i=57.74%，加之該段下泄水流的傅汝德數(shù)Fr在6～14之間，基本上屬于高Fr數(shù)流動，水力條件對形成摻氣空腔較為有利。在不同水位條件下，①#、②#坎均能形成有效的摻氣底空腔，①#坎的空腔長度在6.6～9.6m之間，②#坎的空腔長度在7.5～10.4m之間，其長度與運行水位呈正相關(guān)關(guān)系，見表2。

摻氣設(shè)施的保護長度分別為98m和89m，摻氣濃度成果見表3。由表中試驗成果可知：摻氣坎保護范圍內(nèi)，下泄水流的臨底摻氣濃度呈衰減趨勢，數(shù)值在1.1～19%之間，絕大部分觀測斷面的摻氣濃度在2%以上。以正常蓄水位為例，①#、②#坎之間的摻氣濃度從12%衰減至2.7%，②#坎下游的摻氣濃度由空腔尾部的19%衰減至挑流鼻坎末端的1.1%，洞內(nèi)水體基本呈乳白色，摻氣充分，可以達到摻氣減蝕的目的。

摻氣設(shè)施兩側(cè)邊墻埋有直徑0.6m的通風井，引至摻氣坎下方通氣孔向空腔內(nèi)補氣，井內(nèi)實測風速為5.00～42.76m/s。由于摻氣模型與工程原型存在一定的縮尺效應(yīng)，在目前的技術(shù)條件下，可按式（1）計算模型摻氣坎處的雷諾數(shù)ReL，參考馮家山水庫溢洪洞、巴西福茲杜阿里亞溢洪道的系列摻氣試驗成果與工程原型觀測成果的研究資料進行修正[3]。

4? 結(jié)語

對于放空洞有壓隧洞接無壓隧洞的過渡體型，采用邊墻漸擴方案可以有效減輕或消除因水流側(cè)向擴散沖擊邊壁導致的“水翅”現(xiàn)象，為放空洞的安全運行創(chuàng)造有利條件;若有壓隧洞出口的平均流速超過30m/s，應(yīng)根據(jù)具體情況考慮設(shè)置底部與側(cè)摻氣設(shè)施。無壓隧洞陡坡段布置兩道挑、跌坎組合摻氣設(shè)施，在較高流速條件下即可獲得穩(wěn)定的摻氣空腔，向下泄水體形成持續(xù)通氣，能夠有效地防止或減輕空蝕破壞。試驗成果表明，在放空洞體型布置合理的前提下，試驗所采用的摻氣減蝕方案可行。因模型與工程原型之間存在縮尺效應(yīng)，可對類似已建工程的摻氣坎體型和實際運行經(jīng)驗進行研究總結(jié)，深入了解此類體型的摻氣機理及水力、空化特性。另外，摻氣坎挑射水流落點附近底板的壓力梯度變化較大，應(yīng)避免在此區(qū)域設(shè)置隧洞結(jié)構(gòu)縫。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5166-2002，溢洪道設(shè)計規(guī)范[S].現(xiàn)行版.北京：中國電力出版，2002

[2]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. DL/T 5195-2004，水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].現(xiàn)行版.北京：中國電力出版，2004.

[3]夏毓常，張黎明.水工水力學原型觀測與模型試驗[M].北京：中國電力出版，1998.