孔板式消能工消能研究

張志剛

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

我國高山峽谷眾多，大多數(shù)水利樞紐位于峽谷之中，往往壩高超過100m，泄洪洞均采用“龍?zhí)ь^”或“龍落尾”式布置。峽谷建壩受地形條件制約，在泄洪洞外布置泄洪消能建筑物較為困難，而采用挑流式消能，不僅帶來嚴(yán)重的沖刷問題，泄洪霧化問題對高壩邊坡穩(wěn)定造成巨大影響。相比之下，將導(dǎo)流洞變成泄洪消能隧洞，通過內(nèi)消能方式將能量耗散，不僅很好的解決了庫區(qū)霧化問題，與傳統(tǒng)消能方式對比，更是具有結(jié)構(gòu)簡單、流態(tài)穩(wěn)定、水流參數(shù)易于控制等許多優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

1 孔板消能工的分類

孔板是一種新型的內(nèi)消能工，洞內(nèi)高速流動水流在消能工的阻滯作用下，流線發(fā)生突變，并在孔板下游出現(xiàn)明顯漩渦區(qū)，局部水流在此發(fā)生紊動、混摻并形成強(qiáng)烈的內(nèi)部剪切作用。研究表明孔板式內(nèi)消能工能量耗散主要集中于孔板下游漩渦區(qū)水流剪切流動造成的能量耗散[4-6]。并且由于過水?dāng)嗝娉叽缤蝗桓淖?，局部壓力發(fā)生突變，受水流紊動影響，脈動壓力的突然增加消耗大部分能量。

根據(jù)孔板布局形式，大體可將該內(nèi)消能工劃分為單級孔板消能工和多級孔板消能孔板消能工兩大類。多級消能結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程運(yùn)行中具有更好的適用性，例如我國著名的小浪底樞紐工程，利用三級孔板結(jié)構(gòu)，成功將導(dǎo)流洞轉(zhuǎn)變?yōu)樾购槎矗粌H大幅度降低工程投資，更是有效避免了傳統(tǒng)消能工占地大，施工難度高的問題[7-9]。在國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，孔板結(jié)構(gòu)衍生出多種變形，改變孔板下游水流特性。例如附加消渦環(huán)、對孔板邊緣形態(tài)的優(yōu)化。各種不同形狀的孔板如圖1所示。

圖1 各種不同形狀的孔板

2 孔板的研究現(xiàn)狀

孔板消能工通過局部斷面的收縮在短距離內(nèi)形式巨大水損，達(dá)到消能目的。國內(nèi)外學(xué)者對孔板水流流態(tài)、空化特性進(jìn)行大量研究。波達(dá)(Borda) 通過實(shí)驗(yàn)研究提出著名的計算突擴(kuò)水流水頭損失的公式，為今后孔板式內(nèi)消能工推廣奠定了基礎(chǔ)。早在突擴(kuò)(縮)式消能工應(yīng)用于工程實(shí)踐之前, 國外的M.Fossa、Joseph Katz、B.C.Kim、Guohui Gan Keiichi Sato 以及M.Stieglmeier等眾多學(xué)者對水力特性及空化影響做出大量研究，并提出雷諾數(shù)是影響孔板式內(nèi)消能工消能率重要因素之一。

孔板式內(nèi)消能工(見圖2)在實(shí)際工程中成功運(yùn)用，不僅推進(jìn)了國內(nèi)對突擴(kuò)(縮)結(jié)構(gòu)水力特性的研究，更關(guān)注到孔板銳緣結(jié)構(gòu)對局部流態(tài)的影響。

圖2 孔板消能工示意圖

孔板式內(nèi)消能工的收縮比是影響消能效率的重要因素之一，張建民對收縮比0.4-0.7的收縮水流數(shù)值模擬研究中提出突縮比ζ和收縮段相對長度η與消能率的相關(guān)關(guān)系。

倪漢根在其實(shí)驗(yàn)中捕捉到孔板下游的環(huán)狀空化云，并利用解析算法對空化問題進(jìn)行了大量研究，提出孔板式消能工局部脈動壓力及初生空化數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,才君眉、趙慧琴分別對孔板收縮段流速場與壓力場進(jìn)行了研究，分析了孔板流場特性,并深入研究了孔板內(nèi)緣型式對流場影響規(guī)律，論證了脈動壓力振幅概率分布的正態(tài)性和最大振幅取值范圍。向桐、李中義、陳霞、陳美法、許唯臨等諸多學(xué)者或通過水工模型試驗(yàn)和理論分析的方法,或通過數(shù)值模擬的方法, 都對孔板消能工的水力特性進(jìn)行過大量研究[10-12]。

3 孔板消能工在實(shí)際工程中的運(yùn)用

小浪底水利樞紐為世界首次在高水頭泄洪洞中運(yùn)用孔板消能的設(shè)計，同時也是當(dāng)今世界上規(guī)模最大的孔板式洞內(nèi)消能工。工程位于三門峽水利樞紐下游130km、河南省洛陽市以北40km的黃河干流上，最大壩高154m，屬于典型的峽谷河道水庫。由于黃河含沙量巨大，高速下泄水流容易對泄洪建筑物造成沖刷破壞。小浪底工程3條孔板泄洪洞，洞徑14.5m，采用三級孔板消能結(jié)構(gòu)，使洞內(nèi)流速大幅度降低，有效緩解了減緩了高速含沙水流對襯砌的磨蝕, 延長了隧洞的安全運(yùn)用期和檢修周期。整體來看，小浪底水利樞紐工程不僅是導(dǎo)流洞重復(fù)利用的良好范例,而且對推動洞內(nèi)消能工的發(fā)展有積極意義[13-15]。

山西省萬家寨引黃入晉工程北干線輸水流量為22.2m3/s，其壓力洞段總長約290m，總水頭差約154m，工程在壓力洞平直段設(shè)置多級孔板消能工，孔板段整體坡度僅為1/500。與小浪底水利工程相比，大梁水庫放水洞具有高水頭小泄量的特點(diǎn),其放水水頭約155m，最大下泄流量為20m/s。

兩個工程分別代表了，多級孔板在高水頭，大小流量條件下洞內(nèi)消能的運(yùn)用。小浪底導(dǎo)流洞改建為永久孔板泄洪洞為具有高水頭、高流速和高含沙水流的泄洪建筑物的消能方式開創(chuàng)一條新途徑，也驗(yàn)證了在泄洪洞，面對大流量孔板結(jié)構(gòu)消能效果顯著、消能率高、消煞的能量大多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能被水帶走，并因孔板消能大大降低洞內(nèi)斷面的平均流速，可減輕高含沙水流對襯砌邊壁的磨損；放水洞是常年泄水建筑物，并具有高水頭，小泄量的特點(diǎn)，同時高水頭,小泄量問題具有一定的普遍性和典型性。

4 孔板空化特性

根據(jù)實(shí)際工程觀測結(jié)果，孔板式內(nèi)消能工在下游低尾水位條件下運(yùn)行具有一定風(fēng)險，同時需要嚴(yán)格控制上游閘門運(yùn)行水位，否則易在泄洪洞內(nèi)形成不穩(wěn)定氣團(tuán)。多級孔板消能結(jié)構(gòu)下，末級孔板下游或孔塞內(nèi)低壓區(qū)易形成空蝕，對結(jié)構(gòu)造成破壞，這對工程運(yùn)行管理提出更高要求[16-18]。國內(nèi)外學(xué)者針對這一問題對孔板空化特性展開大量研究。

研究成果表明，因過水?dāng)嗝婕眲】s小，孔板消能工造成局部水流發(fā)生分離，其特殊結(jié)構(gòu)迫使局部形成低壓區(qū)，極其容易引起空蝕破壞。整體來看，孔板的主要空化源有兩個，一個為孔板上游角隅處的漩渦空化，到下游后立即潰滅；另一個為孔板下游射流的剪切層。國內(nèi)外學(xué)者對孔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔板阻力系數(shù)增加的同時，下游水流的紊動也愈發(fā)強(qiáng)烈，雖可大幅度提高消能效率，空化發(fā)生幾率也大幅增高。并提出初生空化數(shù)是孔徑比和阻力系數(shù)的函數(shù)，并隨孔徑比的增大而減小。

5 脈動壓力特性

孔板流動是一個近似軸對稱的分離流動，其流場具有顯著的分區(qū)特性。在孔板下游側(cè)邊壁附近,存在狹長的回流區(qū)。由于水流的漩滾造成消能工下游產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動。孔板下游具有不均勻性與高紊動性，迫使主流與回流區(qū)之間形成不穩(wěn)定界面，并隨著向下游推移不停擺動，在局部形成脈動壓力變化。

國內(nèi)外學(xué)者針對孔板附近洞內(nèi)脈動壓力的研究中提出，下游孔板附近為脈動壓力峰值點(diǎn)，隨著遠(yuǎn)離孔板壓力逐漸下降，并最終呈現(xiàn)全斷面均化。多級孔板消能結(jié)構(gòu)由于存在多個孔板結(jié)構(gòu)，會呈現(xiàn)波動性趨勢。受結(jié)構(gòu)影響，孔徑比、孔板體型是影響脈動壓力變化的重要因素，為減小脈動,孔徑比≤0.75。諸多研究表明孔板銳緣的角度弧度越大，水流紊動約弱，脈動壓力也隨之減小。

6 結(jié) 語

小浪底水利樞紐工程孔板消能結(jié)構(gòu)的成功運(yùn)用，為高水頭、高含沙條件下的泄洪建筑物的消能提供新的思路。我國中西部地區(qū)，受地形條件制約，往往無法在布設(shè)大規(guī)模消能建筑物，孔板消能工不僅解決了大單寬流量泄洪建筑物投資過大的問題，尤其內(nèi)消能結(jié)構(gòu)布置簡單，不受條件制約，是中西部地區(qū)峽谷高壩泄洪消能的選擇之一，具有較為廣闊的發(fā)展空間。