通氣系統(tǒng)對(duì)豎井式溢洪道水力特性影響研究

王 麗 娟,張 曉 朋,賀 一 軒,韓 延 成,孫 雙 科

(1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038; 3.保定易縣抽水蓄能有限公司,河北 保定 074200)

0 引 言

豎井式內(nèi)消能工主要是靠泄洪建筑物內(nèi)部的特殊型式,急劇改變水流形態(tài),在水流內(nèi)部形成強(qiáng)烈的紊動(dòng)摻混或渦漩,從而集中消耗大量機(jī)械能,減少壓力,降低水流速度,達(dá)到保護(hù)洞身和下游的目的[1]。高水頭、大流量泄水建筑物過水時(shí),總是伴隨著高速水流的空蝕破壞問題,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。國(guó)外對(duì)豎井內(nèi)消能工的研究較早,20世紀(jì)40年代意大利學(xué)者提出了豎井內(nèi)消能工的理念,50年代,在美國(guó)和西歐國(guó)家盛行,但大多數(shù)水頭低、泄量小,水頭高時(shí),會(huì)出現(xiàn)高速水流,從而引起空蝕和振動(dòng)破壞[3-6]。國(guó)內(nèi)對(duì)豎井內(nèi)消能工的研究起步于20世紀(jì)80年代,隨著西部地區(qū)修建了諸多豎井溢洪道工程,學(xué)者們對(duì)豎井工程的水力特性進(jìn)行了研究[7],并對(duì)消力井的深度和直徑等進(jìn)行了體型優(yōu)化試驗(yàn)[8]。在以往的研究中,大多針對(duì)的是旋流式豎井[9-12],如曹雙利[12]基于旋流豎井體型,將通氣孔布置在水平泄水洞的起始位置,并對(duì)此處通氣孔通風(fēng)量的變化規(guī)律及各水力特性變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)通氣孔通風(fēng)量對(duì)空腔直徑和空腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)都有一定的影響。而學(xué)者們對(duì)跌流式豎井的研究則較少。跌流式豎井溢洪道井身段的垂向落差大,水流急劇加速后形成高速水流,豎井邊壁存在空蝕破壞的潛在風(fēng)險(xiǎn),環(huán)形溢流堰與豎井銜接段采用突擴(kuò)布置形成脫壁流動(dòng)結(jié)構(gòu)是消除上述風(fēng)險(xiǎn)的有效措施,但突擴(kuò)處通氣系統(tǒng)的設(shè)置存在差異。例如在車馬碧水庫(kù)等豎井工程[13-15]中,豎井進(jìn)口處為環(huán)形溢流堰,為保證環(huán)形溢流堰過水凈寬,并未在溢流堰處布置通氣設(shè)施。而在大石門豎井工程[16]中,考慮到大流量時(shí)水流會(huì)逐漸淹沒溢流堰,中心空腔消失,缺少通氣設(shè)施可能會(huì)影響豎井消能效果,在環(huán)形溢流堰與豎井銜接處突擴(kuò)位置設(shè)置了通氣管。

在突擴(kuò)處布置通氣系統(tǒng)對(duì)豎井段的水力特性和消能效果等水力學(xué)指標(biāo)的影響,則需要進(jìn)一步研究。本文依托易縣抽水蓄能電站跌流式豎井溢洪道建立物理模型,在環(huán)形溢流堰與豎井銜接處突擴(kuò)位置設(shè)置了通氣管,通過控制通氣管的開合,重點(diǎn)研究了環(huán)形溢流堰處通氣系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)該豎井溢洪道水力特性的影響,以期為跌流式豎井溢洪道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與量測(cè)

圖1 易縣抽水蓄能電站豎井式溢洪道 (尺寸單位:m)

設(shè)H為具體工程中堰上水頭,但為了使研究具有普遍意義能適用于多個(gè)工程,在此進(jìn)行無量鋼處理,以H/Hd表示堰上水頭的變化,其中Hd為定型設(shè)計(jì)水頭,取0.918 m。為了得到較為普適性的規(guī)律,本文研究了H/Hd在0.1～8.2范圍內(nèi)的水力特性,H/Hd在0.1～2.5范圍內(nèi)變幅約為0.15,在2.5～8.2范圍內(nèi)變幅約為0.7,共設(shè)計(jì)了24組試驗(yàn)工況。主要的測(cè)量?jī)?nèi)容包括水位、流量、流速、以及通氣風(fēng)速等。其中,水位通過安裝在上游的庫(kù)水位測(cè)針讀取,精度為0.001 m;流量采用定制的三角堰測(cè)定,精度為0.001 m3/s;流速測(cè)量采用日本JFE電磁流速儀,精度為0.01 m/s;風(fēng)速測(cè)量采用德國(guó)Testo德圖425熱敏風(fēng)速儀,精度為0.01 m/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)跌流式豎井溢洪道通氣與不通氣條件下的水力特性分別展開試驗(yàn)研究,并按照水位由低到高進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 水流流態(tài)

試驗(yàn)范圍內(nèi)環(huán)形溢流堰共出現(xiàn)3種流態(tài)。① 在不通氣條件下,H/Hd<1.88時(shí),水流自環(huán)形溢流堰自由進(jìn)入豎井,集中呈束狀沿豎井中心下泄,此時(shí)稱為自由堰流,如圖2(a)～(b)所示。② 隨著堰上水頭的繼續(xù)升高,H/Hd=1.88時(shí),環(huán)形溢流堰下泄水流相互碰撞,轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡?如圖2(c)所示,此時(shí)豎井上部仍維持穩(wěn)定的脫壁流,但豎井下部水流隨堰上水頭的升高逐漸破碎分散,無集中落點(diǎn),在消力井內(nèi)形成強(qiáng)摻混、強(qiáng)紊動(dòng)、強(qiáng)摻氣的水流流態(tài)。③ 堰上水頭升高至H/Hd=2.17時(shí)水流完全淹沒豎井口,水流在淹沒水頭的壓力作用下進(jìn)入豎井,稱為壓力孔口出流,此時(shí)中心空腔被水流充滿,通氣管堵塞,通氣完全缺失,豎井內(nèi)完全被水流充滿呈現(xiàn)管流現(xiàn)象,如圖2(d)所示。

圖2 溢流堰和豎井內(nèi)水流流態(tài)(不通氣)

而在通氣條件下,堰上水頭較低(H/Hd<0.88)時(shí),環(huán)形溢流堰處均為自由堰流,豎井上部為脫壁環(huán)狀水流,如圖3(a)所示。H/Hd=0.88,1.67時(shí),環(huán)形溢流堰下泄水流相互碰撞,轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡?如圖3(b)～(c)所示。堰上水頭升高至H/Hd=1.88時(shí),完全發(fā)展為壓力孔口出流,此時(shí)由于環(huán)形溢流堰與豎井銜接段的突擴(kuò)設(shè)置,在通氣管通氣作用下豎井上部仍然能夠保持脫壁流,如圖3(d)所示。上述3種流態(tài)示意圖如圖4所示。

圖3 溢流堰和豎井內(nèi)水流流態(tài)(通氣)

圖4 跌流式豎井脫壁流不同流態(tài)示意

通過圖2～3進(jìn)一步對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)通氣條件下有充足的通氣量能夠使豎井上部始終維持穩(wěn)定的脫壁流,不會(huì)產(chǎn)生滿管流的不利流態(tài),且3種流態(tài)轉(zhuǎn)捩的拐點(diǎn)均超前于不通氣條件,這是由于不通氣時(shí)水流與豎井井壁之間存在負(fù)壓,導(dǎo)致水流更加貼向井壁,更難形成受阻堰流以及壓力孔口出流,故而流態(tài)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)相對(duì)滯后。

2.2 泄流能力

自由堰流時(shí)根據(jù)堰流的水力計(jì)算公式(1)計(jì)算流量系數(shù),而完全發(fā)展為壓力孔口出流后則根據(jù)孔口出流計(jì)算公式(2)計(jì)算流量系數(shù),受阻堰流則介于自由堰流與壓力孔口出流之間,流態(tài)紊亂,流量系數(shù)目前還難以計(jì)算。

(1)

式中:μ為堰的綜合流量系數(shù);B為堰頂過水凈寬;H為堰上總水頭。

(2)

式中:A為豎井孔口面積;H0為孔口總水頭。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制H/Hd～流量關(guān)系曲線和H/Hd～流量系數(shù)關(guān)系曲線(見圖5)?？梢园l(fā)現(xiàn):在不通氣條件下,堰上水頭H/Hd<2.17時(shí)泄流流量隨H/Hd的升高而增大,H/Hd>2.17后趨于穩(wěn)定;流量系數(shù)先增大后穩(wěn)定于0.9左右。而在通氣條件下,H/Hd<1.88時(shí)泄流流量隨H/Hd的升高而增大,H/Hd>1.88后趨于穩(wěn)定,并略低于不通氣條件下泄流流量;流量系數(shù)先增大后穩(wěn)定于1.1左右。分析發(fā)現(xiàn)H/Hd較小時(shí),兩種條件下流量曲線的上升段環(huán)形溢流堰均處于自由堰流和受阻堰流狀態(tài),隨著堰上水頭的升高,豎井進(jìn)口流量逐漸增大,下游退水隧洞泄流流量隨之增大,此時(shí)除通氣管外中心空腔也能夠發(fā)揮通氣作用,所以兩種條件下流量曲線和流量系數(shù)曲線相重合。而當(dāng)H/Hd>2.17后,兩種條件下環(huán)形溢流堰水流流態(tài)均完全發(fā)展為壓力孔口出流,隨著堰上水頭的繼續(xù)升高,豎井進(jìn)口流量不再增大,下游退水隧洞泄流流量趨于穩(wěn)定,此時(shí)不通氣條件下豎井內(nèi)部存在負(fù)壓,受負(fù)壓影響其流量系數(shù)超過1,而通氣條件下通氣管連通了大氣壓,消除了豎井內(nèi)部的負(fù)壓影響,水流下泄力度變?nèi)?導(dǎo)致豎井泄流流量和流量系數(shù)均略低于不通氣條件下。H/Hd處于1.88～2.17范圍時(shí),不通氣條件下環(huán)形溢流堰仍然處于受阻堰流狀態(tài),而通氣條件下已發(fā)展為壓力孔口出流,因此不通氣條件下泄流流量繼續(xù)上升而通氣條件下已趨于穩(wěn)定。

2.3 通氣量

對(duì)試驗(yàn)中通氣管風(fēng)速、下游城門洞出口處風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量,分別獲得通氣管進(jìn)氣量和總進(jìn)氣量(流量增大到一定程度時(shí),下游退水隧洞呈現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象,總進(jìn)氣量無法測(cè)量)。小流量時(shí)豎井中心空腔也可以起到通氣的作用,總進(jìn)氣量和通氣管進(jìn)氣量?jī)烧咧罴礊橐缌餮咧行目涨贿M(jìn)氣量。

在不通氣條件下(即通氣管堵塞時(shí)),堰上水頭較低時(shí),環(huán)形溢流堰中心空腔可以提供通氣量,此時(shí)中心空腔的進(jìn)氣量即為總進(jìn)氣量,隨著H/Hd的上升,中心空腔進(jìn)氣量隨之增大。中心空腔的進(jìn)氣量是由水流的攜帶作用導(dǎo)致的,隨著流量的增大,這種攜帶能力變強(qiáng),進(jìn)氣量增大,如圖6(a)所示。H/Hd>1.88后流態(tài)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡?此時(shí)下游退水隧洞呈現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象,總通氣量即中心空腔通氣量無法測(cè)量,通過流態(tài)觀察到直至H/Hd=2.17時(shí)完全發(fā)展為壓力孔口出流,中心空腔被水流充滿,不再通氣。隨著H/Hd的增大,總進(jìn)氣量的增大幅度小于泄流流量的增大幅度,因此氣水比β(通氣量與泄流流量之比)呈下降趨勢(shì),如圖6(b)所示。

而在通氣條件下,中心空腔通氣量先增大后減小(圖6(a)),H/Hd<0.88時(shí),通氣管與中心空腔通氣量各占總通氣量的50%左右,H/Hd>0.88后,隨著H/Hd的繼續(xù)增大,通氣管通氣量占比上升,中心空腔通氣量占比下降(圖6(c))。這是因?yàn)镠/Hd<0.88時(shí),水流為自由堰流,中心空腔的通氣量是由水流的攜帶作用導(dǎo)致的,隨著流量的增大,這種攜帶能力變強(qiáng),通氣量增大。H/Hd>0.88后,水流流態(tài)開始從自由堰流發(fā)展為受阻堰流,中心空腔的通氣面積逐漸縮小,通氣量減小,占比下降,直至H/Hd上升至1.88時(shí)完全發(fā)展為壓力孔口出流,中心空腔被水流充滿,此時(shí)僅通過通氣管提供通氣量。

通氣條件下,通氣管通氣量隨著H/Hd的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)(圖6(d))。H/Hd<0.88自由堰流時(shí),通氣管的通氣是由水流所形成的攜帶作用導(dǎo)致的,隨著流量的增大,水流攜帶能力變強(qiáng),通氣量增大。H/Hd>0.88后,水流在豎井中開始出現(xiàn)交叉碰撞,變?yōu)槭茏柩吡?中心空腔通氣量減小,直至H/Hd>1.88后,中心空腔完全被水流充滿,通氣主要是由通氣管進(jìn)出口壓強(qiáng)差導(dǎo)致,但隨著流量的增大,豎井內(nèi)氣體空間相對(duì)減少,通氣量減小。氣水比β隨H/Hd的增大呈下降趨勢(shì)(圖6(b)),略高于不通氣條件下β值,能夠更好地滿足豎井內(nèi)環(huán)狀脫壁水流自身挾氣的需要和豎井底部消力井環(huán)狀水躍消能的摻混需要。

2.4 消能率

根據(jù)消能率公式(3)計(jì)算豎井消能率[20]:

(3)

式中:η為消能率;計(jì)算斷面1、斷面2如圖1(a)所示,z1,z2為計(jì)算斷面的平均高程;h1,h2為計(jì)算斷面的水深;v1,v2為計(jì)算斷面的平均流速;α1,α2為動(dòng)能修正系數(shù),取1.0。

本次試驗(yàn)中以下游無壓退水隧洞計(jì)算斷面底板高程為基準(zhǔn)面,z2=0。實(shí)際在泄水時(shí),上游水庫(kù)的流速微乎其微,在計(jì)算中v1≈0。消能率計(jì)算結(jié)果見圖7。

可以看出:在不通氣條件下,水流經(jīng)豎井消能后消能率在69%～95%范圍內(nèi)。H/Hd<2.17時(shí),豎井消能率隨H/Hd的增大而降低,H/Hd>2.17后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)镠/Hd<2.17時(shí)泄流流量隨H/Hd的增大而增大,退水隧洞內(nèi)流速隨之變大,消能率降低;H/Hd>2.17后,豎井溢洪道泄流流量逐漸穩(wěn)定,退水隧洞內(nèi)流速基本保持不變,消能率穩(wěn)定于70%左右。

而在通氣條件下,水流經(jīng)豎井消力井后消能率可達(dá)75%～95%,高于相同H/Hd時(shí)不通氣條件下。H/Hd<1.88時(shí),豎井消能率隨H/Hd的增大而降低,H/Hd>1.88后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)镠/Hd<1.88時(shí)泄流流量隨H/Hd的增大而增大,退水隧洞內(nèi)流速隨之變大,消能率降低;H/Hd>1.88后,豎井溢洪道泄流流量逐漸穩(wěn)定,退水隧洞內(nèi)流速基本保持不變,消能率穩(wěn)定于75%左右。相較于不通氣條件下消能率提高了約5%。

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)中環(huán)形溢流堰流態(tài)主要分為自由堰流、受阻堰流和壓力孔口出流3種,不通氣條件下以H/Hd=1.88和H/Hd=2.17為流態(tài)轉(zhuǎn)捩點(diǎn);通氣條件下以H/Hd=0.88和H/Hd=1.88為流態(tài)轉(zhuǎn)捩點(diǎn),相較于不通氣條件下流態(tài)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前,且不會(huì)出現(xiàn)滿管流等不利流態(tài)。

(2) 在試驗(yàn)過程中,隨著堰上水頭的升高,兩種條件下泄流流量均呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì),H/Hd<1.88時(shí)兩種條件泄流曲線重合,而H/Hd>1.88后,通氣條件下泄流能力略低于不通氣條件。

(3)H/Hd<0.88,流態(tài)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭茏柩吡髦?通氣管的存在對(duì)跌流式豎井各水力特性的影響不大;但H/Hd>0.88后,通氣管的存在逐漸對(duì)提升豎井的消能率起到促進(jìn)作用,并在一定程度上避免了豎井管流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(4) 根據(jù)研究結(jié)果,若工程在低水頭范圍內(nèi)(H/Hd<0.88)可不設(shè)通氣系統(tǒng),設(shè)置通氣系統(tǒng)反而會(huì)影響其泄流能力;若工程范圍超出低水頭范圍(H/Hd>0.88),為保證其消能效果以及泄水建筑物安全,建議在溢流堰與豎井銜接處設(shè)置通氣系統(tǒng)。