巴拉水電站泄洪放空洞摻氣方案優(yōu)化研究

楊 洋, 邵 偉, 鄧 欽 宣, 張 韶 鵬

(1.四川足木足河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610041;2. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610200)

0 引 言

從已建工程實(shí)際案例分析得知,不少水利工程的深孔放空洞閘室段和洞身都要受到不同程度的空化空蝕破壞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),高海拔地區(qū)泄洪建筑物水流超過22 m/s的速度,就可能引發(fā)過流面空蝕破壞,需進(jìn)行空化數(shù)據(jù)和脈動(dòng)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析,考慮采取摻氣減蝕措施,以確保泄洪設(shè)施及整個(gè)樞紐建筑物的安全。

空化空蝕對(duì)建筑物的危害是瞬時(shí)瞬間破壞[1],通過模型試驗(yàn)可充分捕捉其瞬時(shí)壓力脈動(dòng)的情況,對(duì)關(guān)鍵部位的脈動(dòng)特性結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行詳盡的觀測(cè)分析,并采取必要的摻氣減蝕措施。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),已建工程中一旦出現(xiàn)較為嚴(yán)重的空化破壞后,在進(jìn)行修復(fù)和將來的維護(hù)管理都比較麻煩。

巴拉水電站屬二等大(Ⅱ)型工程,位于阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣境內(nèi),地處高海拔地區(qū),大氣壓強(qiáng)相對(duì)較低。針對(duì)本工程實(shí)際情況,結(jié)合相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)技術(shù),分析該電站泄洪放空洞的關(guān)鍵問題,提出空化空蝕的優(yōu)化措施并試驗(yàn)驗(yàn)證,以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的效果。

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1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過泄洪放空洞單體模型[2-3]對(duì)其泄流能力進(jìn)行驗(yàn)證;對(duì)進(jìn)口體型、摻氣減蝕設(shè)施和出口挑坎體型等進(jìn)行優(yōu)化研究,確定合理的泄水建筑物體型,避免不良水流空蝕條件;完成最終優(yōu)化方案的各項(xiàng)試驗(yàn)。

1.2 模型制作

泄洪放空洞模型的幾何比尺為1∶30,主要建筑物由岸塔式進(jìn)口、有壓隧洞、工作閘門井、無壓隧洞、出口挑流段和下游河道等組成,根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸按比例均采用高質(zhì)量的有機(jī)玻璃制作,糙率n=0.008,而原型水泥抹面糙率np在0.013和0.017之間,按照相似糙率比尺λn=1.763,計(jì)算出模型糙率nm應(yīng)在0.007 4和0.009 6之間,平均值為0.008 5,因此,采用有機(jī)玻璃模擬基本滿足糙率相似要求。模型試驗(yàn)各水力參數(shù)相似比尺見表1。

表1 各水力參數(shù)相似比尺

2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果

原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)針對(duì)閘門局開2.5 m、閘門局開4.0 m、閘門全開時(shí)不同庫(kù)水位工況,觀察泄洪放空洞沿程的閘門段、長(zhǎng)陡坡段、摻氣槽、挑坎和下游河道的水流狀態(tài),并測(cè)試相關(guān)參數(shù)。

2.1 流態(tài)及摻氣槽

2.1.1 閘門局開2.5 m

閘門局開2.5 m時(shí),不同庫(kù)水位工況下泄洪放空洞的進(jìn)口段和有壓段流態(tài)平穩(wěn),閘門前水流平順,經(jīng)過突擴(kuò)跌坎后,發(fā)生水翅現(xiàn)象,隨后水面產(chǎn)生波動(dòng),進(jìn)入陡坡段后逐漸平穩(wěn),挑坎挑出的水流靠左岸,下游河道的沖坑也靠左岸。

庫(kù)水位為2 865.00 m、2 875.00 m和2 885.00 m時(shí),閘后突擴(kuò)跌坎處有積水,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處沒有積水;庫(kù)水位為2 895.00 m時(shí),閘后突擴(kuò)跌坎、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處基本沒有積水。各工況突擴(kuò)跌坎處均產(chǎn)生水翅現(xiàn)象,與陡坡段銜接的水面波動(dòng)不平穩(wěn)。

2.1.2 閘門局開4.0 m

閘門局開4.0 m時(shí),不同庫(kù)水位工況下泄洪放空洞的進(jìn)口段和有壓段流態(tài)平穩(wěn),閘門前水流平順,經(jīng)過突擴(kuò)跌坎后,發(fā)生水翅現(xiàn)象,隨后水面產(chǎn)生波動(dòng),進(jìn)入陡坡段后逐漸平穩(wěn),挑坎挑出的水流隨庫(kù)水位的升高從左岸擴(kuò)散到整個(gè)河床,下游河道的沖坑也從左岸擴(kuò)大到整個(gè)河床。

庫(kù)水位為2 865.00 m和2 875.00 m時(shí),閘后突擴(kuò)跌坎偶見空腔積水嚴(yán)重,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處有摻氣,但是偶見積水;庫(kù)水位在2 885.00 m、2 895.00 m工況下,閘后突擴(kuò)跌坎有積水,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處空腔干凈,沒有積水;庫(kù)水位在2 905.00 m工況下,閘后突擴(kuò)跌坎和各摻氣槽處空腔干凈沒有積水。各工況突擴(kuò)跌坎處均產(chǎn)生水翅現(xiàn)象,與陡坡段銜接的水面波動(dòng)不平穩(wěn)。

2.1.3 閘門全開

閘門全開庫(kù)水位2 905.00 m和2 920.00 m工況下,泄洪放空洞的進(jìn)口段和有壓段流態(tài)平穩(wěn);受上游有壓轉(zhuǎn)彎段影響,閘后出流明顯不對(duì)稱,左側(cè)流速比右側(cè)大;經(jīng)過突擴(kuò)跌坎后,發(fā)生劇烈的水翅現(xiàn)象,折沖水流比較嚴(yán)重,水面波動(dòng)較大,水位超過邊墻甚至超過洞頂高度;挑坎挑出的水流擴(kuò)散到整個(gè)下游河床,跌落水面過大,造成沖坑擴(kuò)大到整個(gè)河床,沖坑下游的堆積體增高。

兩種工況閘室突擴(kuò)跌坎空腔嚴(yán)重積水,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處空腔部分積水。

2.2 水翅

高速水流從有壓段出口流出后,受到側(cè)向突擴(kuò)的影響,發(fā)生橫向擴(kuò)散,沖擊側(cè)墻,形成弧狀的側(cè)墻沖擊帶,在沖擊帶頂部,水流沿側(cè)墻向上濺起,形成水翅[5]。閘門段后形成的水翅及參數(shù)見圖1。

圖1 水翅及參數(shù)示意圖

閘門局開時(shí)不同庫(kù)水位工況下,側(cè)向擴(kuò)散的水流在接觸側(cè)邊墻后均形成明顯的水翅,在之后的水面上形成基本對(duì)稱的菱形沖擊波,惡化泄洪放空洞及下游水流流態(tài)。下游水面由于水翅脫離邊墻卷入主流,使水面在很長(zhǎng)一段距離內(nèi)波動(dòng)較為劇烈。

通過實(shí)驗(yàn)可知,隨著閘門開度增大和庫(kù)水位的升高,水翅的高度和水翅最高點(diǎn)的距離也不斷增加,當(dāng)閘門全開庫(kù)水位2 905.00 m時(shí),水翅高度達(dá)到直墻頂,庫(kù)水位2 920.00 m時(shí),水翅高度已超過直墻。

2.3 水面線

泄洪放空洞原設(shè)計(jì)方案無壓段的水面線測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 泄洪放空洞原設(shè)計(jì)方案無壓段的水面線測(cè)點(diǎn)布置示意圖

試驗(yàn)測(cè)量了庫(kù)水位2 920.00 m,下游控制斷面水位2 801.60 m(對(duì)應(yīng)頻率1%消能防沖工況)的無壓段沿程各測(cè)點(diǎn)的水面線見表2。試驗(yàn)中摻氣效果不佳,水深數(shù)據(jù)基本上為實(shí)測(cè)清水水深,未考慮摻氣以后的水深。

表2 無壓段沿程各測(cè)點(diǎn)的水面線

從表2中可以看出,無壓段各測(cè)點(diǎn)水面銜接光滑,沿程變化有波動(dòng),閘室段(測(cè)點(diǎn)3)的最大水深約為6.6 m,進(jìn)入陡坡段后,隨著水流速度逐漸加大,沿程測(cè)點(diǎn)的水深逐漸減小,泄洪放空洞末端(測(cè)點(diǎn)10)的水深約為5.49 m。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)成果

3.1 優(yōu)化方案

泄洪放空洞優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)原設(shè)計(jì)方案在模型試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行,具體優(yōu)化部位有兩點(diǎn):

(1)泄洪放空洞的軸線右側(cè)偏移,出口高程降低;

在傳統(tǒng)的英語(yǔ)教學(xué)中，許多課程的開課計(jì)劃為一周一次，這就意味著學(xué)生每周只能與任課教師見面一次，而且時(shí)間非常有限。相比之下，微信能讓師生的見面以及英語(yǔ)學(xué)習(xí)時(shí)間變得更富彈性。任課教師可以通過微信群跟同學(xué)們進(jìn)行線上交流，布置作業(yè)，及時(shí)批改并給出建議。因此，微信不僅可以打破師生限于某一時(shí)間和某一地點(diǎn)見面交流的束縛，還可以將課程學(xué)習(xí)延伸到課外，做到課上有學(xué)習(xí)，課下有互動(dòng)，讓課程教學(xué)更具生動(dòng)性。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，筆者將每班分為三個(gè)小組（按學(xué)號(hào)先后），分批次上交作業(yè)，從而培養(yǎng)小組間的團(tuán)結(jié)合作，形成競(jìng)爭(zhēng)氛圍，最終實(shí)現(xiàn)各小組相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步，共同評(píng)價(jià)。

(2)對(duì)摻氣槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以充分摻氣,對(duì)突擴(kuò)跌坎后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小水翅現(xiàn)象。

3.1.1 泄洪放空洞軸線及出口高程的調(diào)整優(yōu)化

泄洪洞出口挑流對(duì)左右兩岸山體產(chǎn)生威脅,優(yōu)化方案將泄洪放空洞軸線偏移,平面圓弧段的夾角增加為52°32′,下游明渠段軸線向右偏移,挑坎的位置向右偏移一定距離,挑流主流向河床中心偏移,挑流的水舌向四周擴(kuò)散。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)起挑位置(樁號(hào)0+814.00 m)向右岸偏移了6.82 m;該點(diǎn)(樁號(hào)0+814.00 m)高程優(yōu)化為2 802.00 m。泄洪放空洞軸線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案見圖3。

圖3 泄洪放空洞軸線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案示意圖

3.1.2 突擴(kuò)跌坎后的平臺(tái)優(yōu)化方案

突擴(kuò)跌坎原設(shè)計(jì)方案(樁號(hào)(放)0+321.00 m)的剖面布置見圖4。

圖4 突擴(kuò)跌坎處原設(shè)計(jì)方案的剖面布置(單位:cm)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化后突擴(kuò)跌坎的平面布置和原方案基本一致,剖面進(jìn)行如下優(yōu)化:跌坎水平段長(zhǎng)度縮短為12.0 m,接半徑45.0 m、夾角10°17″的圓弧段,后接坡度i=0.181 5的陡坡段,到高程2 834.44 m與下游坡段銜接。突擴(kuò)跌坎處優(yōu)化方案的詳細(xì)尺寸見圖5。

圖5 突擴(kuò)跌坎處的優(yōu)化方案的詳細(xì)尺寸(單位:cm)

優(yōu)化方案在庫(kù)水位2 905.00 m、2 920.00 m閘門全開工況下,跌坎后形成摻氣空腔,水翅現(xiàn)象基本得到消除,水面波動(dòng)明顯減弱,和下游水流銜接良好[6]。

3.1.3 摻氣槽優(yōu)化方案

閘室后突擴(kuò)跌坎的位置不變,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽的位置與原方案相比,整體位置后移。原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)的摻氣槽樁號(hào)見表3,原方案和優(yōu)化方案摻氣槽樁號(hào)及高程見圖6。

圖6 原方案和優(yōu)化方案摻氣槽樁號(hào)及高程示意圖(單位:cm)

表3 原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)的摻氣槽樁號(hào)表

摻氣槽優(yōu)化布置以1號(hào)摻氣槽為例,摻氣槽前設(shè)計(jì)8.0 m的斜坡段,底面和兩側(cè)均為斜坡變化;摻氣槽半徑0.4 m,跌坎后高程2 825.95 m,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度5.63 m的水平段,再接陡坡段。1號(hào)摻氣槽優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖7。

圖7 1號(hào)摻氣槽優(yōu)化方案設(shè)計(jì)方案示意圖(單位:cm)

3.1.4 優(yōu)化方案試驗(yàn)工況

優(yōu)化方案的試驗(yàn)工況擬定,即泄洪放空洞正常工況的可能運(yùn)行方式和蓄水、放空時(shí)的可能運(yùn)行方式,考慮工程所在地海拔高程2 800.00～2 900.00 m,大氣壓強(qiáng)約7.2 cm水銀柱高,結(jié)合以往類似工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),流速達(dá)到25 m/s情況下,泄洪建筑物邊壁發(fā)生空化空蝕的可能性非常大。

綜合以上分析,泄洪放空洞優(yōu)化方案的試驗(yàn)工況見表4。工況1水庫(kù)水位2 920.00 m時(shí)放空洞泄流量為1 108.05 m3/s;其余工況放空洞單獨(dú)泄洪。

表4 泄洪放空洞優(yōu)化方案的試驗(yàn)工況表

3.2 流態(tài)及摻氣槽

閘門全開且在不同庫(kù)水位時(shí),從主要部位的流態(tài)觀測(cè)得知:各庫(kù)水位及各個(gè)運(yùn)行方式工況下,泄洪放空洞的進(jìn)口段和有壓段流態(tài)平穩(wěn),閘門前水流平順,經(jīng)過突擴(kuò)跌坎后,水翅現(xiàn)象在低水位局開工況略為明顯,隨著水位升高以及全開工況水翅基本消失,水面銜接平穩(wěn),各級(jí)摻氣挑坎水面起伏稍大,差動(dòng)式挑坎出口流態(tài)在各個(gè)水位和流量工況平面和立面上比較均勻,水舌主流分為上下兩層分散落在整個(gè)河床,說明挑坎體型對(duì)不同水位和流量的適應(yīng)性良好。

庫(kù)水位2 890.00 m局開1/2開度運(yùn)行工況,閘門后突擴(kuò)跌坎處形成完全摻氣空腔,無積水;1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處形成空腔無積水。

庫(kù)水位2 892.00 m閘門全開工況,閘門后突擴(kuò)跌坎處形成摻氣空腔,里面約有一半的積水;1號(hào)摻氣槽處形成空腔沒有積水;2號(hào)摻氣槽處部分積水。

庫(kù)水位2 920.00 m閘門全開工況,閘門后突擴(kuò)跌坎處形成完全摻氣空腔,無積水;1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處形成空腔無積水。

3.3 泄流能力

泄洪放空洞的泄流能力試驗(yàn)包括三種工況:(1)閘門全開;(2)閘門局開1/2;(3)閘門局開1/3。在不同的庫(kù)水位下測(cè)量泄洪放空洞的泄流量,計(jì)算相應(yīng)的流量系數(shù)。

分別泄洪放空洞閘門全開、局開1/2和局開1/3工況時(shí),均對(duì)對(duì)庫(kù)水位在2 920.00～2 860.00 m之間的泄流量進(jìn)行了測(cè)量,根據(jù)庫(kù)水位和流量計(jì)算出流量系數(shù),由流態(tài)觀測(cè)得知,三種工況下進(jìn)口水流平靜均未見旋渦,流量系數(shù)總的趨勢(shì)是隨庫(kù)水位降低而減小,泄洪放空洞的泄流能力隨庫(kù)水位升高而增加,隨著庫(kù)水位降低,閘門收縮作用影響越大,庫(kù)水位分別到2 901.55 m、2 894.71 m、2 906.56 m以下時(shí),流量系數(shù)隨庫(kù)水位降低而逐漸減小。

閘門全開庫(kù)水位2 920.00 m工況,泄洪放空洞的泄流量為1 108.05 m3/s(原設(shè)計(jì)泄流量為1 066 m3/s),試驗(yàn)值比原設(shè)計(jì)值大42 m3/s,泄洪放空洞的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 水面線

在泄洪放空洞閘門后無壓段布置多個(gè)水面線測(cè)點(diǎn),根據(jù)水庫(kù)特征水位下泄洪放空洞沿程各測(cè)點(diǎn)的水深測(cè)量值(試驗(yàn)中水深數(shù)據(jù)為模型實(shí)測(cè)水深值,未考慮摻氣以后的水深)可分析得出,各水庫(kù)水位工況下,泄洪放空洞無壓段沿程水深總趨勢(shì)下降,沿程水面銜接光滑,在摻氣槽附近略有波動(dòng)變化。閘門全開工況突擴(kuò)跌坎后的水位沒有大的起伏,閘門局開工況突擴(kuò)跌坎后的水位較低;閘門局開庫(kù)水位2 890.00 m和閘門全開庫(kù)水位2 892.00 m工況,水面線在1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)摻氣槽前后略有起伏;最大水深在閘門全開庫(kù)水位2 920.00 m工況M2測(cè)點(diǎn)位置,水深7.35 m,未到達(dá)直墻高度。

3.5 壓力及脈動(dòng)

為了研究水流對(duì)放空洞底板及挑坎底板產(chǎn)生的壓力及脈動(dòng)情況,在泄洪放空洞及挑坎沿程布置了測(cè)壓點(diǎn),在不同庫(kù)水位工況下對(duì)時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力進(jìn)行了測(cè)量[7]。

泄洪放空洞至挑坎沿程一共布置112個(gè)測(cè)點(diǎn),根據(jù)各工況下沿程各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)壓力值及脈動(dòng)壓力均方根值分析得出:泄洪放空洞進(jìn)水口后的有壓段壓力沿程降低;轉(zhuǎn)彎段外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)壓力,正常蓄水位工況內(nèi)外側(cè)壓差相對(duì)較大,最大壓差達(dá)8.46 m;閘門后陡坡段沿程測(cè)點(diǎn)均為正壓;突擴(kuò)跌坎和1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽附近測(cè)點(diǎn)的壓力較低。出口挑坎所布置的所有壓力測(cè)點(diǎn)均為正壓,且在3號(hào)摻氣坎的摻氣保護(hù)范圍內(nèi),安全能夠得到保障。

各工況下泄洪放空洞進(jìn)水口后的有壓段和陡坡段各測(cè)點(diǎn)的頻譜分析結(jié)果表明,測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分布基本滿足正態(tài)分布;大部分測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根小于0.1;摻氣槽下游附近測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根值略大于陡坡段其他測(cè)點(diǎn),但基本也小于1.0;僅正常蓄水位工況3號(hào)摻氣槽后靠挑坎附近的D39、D40兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根出現(xiàn)大值,分別為3.173和3.030;挑坎部分正常蓄水位工況各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根基本大于0.1,最大值0.514,其余兩種工況各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根比較小。

3.6 流速及空化特性

抗空化能力一般采用水流空化數(shù)(σ)來衡量,對(duì)某一特定的建筑物而言,空化數(shù)越大,抗空化能力越強(qiáng)。水流空化數(shù)按式(1)定義。

(1)

式中h0為實(shí)測(cè)點(diǎn)的時(shí)均壓力水頭,m;hd為工程所在地的大氣壓力水柱(m),按下式計(jì)算:

hd=10.33-?900

(2)

式中 ?為工程或測(cè)點(diǎn)所處海撥高程值;hv為蒸汽壓,與溫度有關(guān),水溫20 ℃計(jì)算取值為0.24 m;v0為數(shù)值模擬計(jì)算測(cè)點(diǎn)的斷面平均流速(m/s)。

根據(jù)式(1),不同工況下泄洪放空洞陡坡段典型斷面的計(jì)算空化數(shù)見表5。由計(jì)算結(jié)果可以看出,閘門局開庫(kù)水位2 890.00 m工況,陡坡段各特征點(diǎn)的水流流速基本在25.81～26.62 m/s之間,其余各點(diǎn)空化數(shù)均接近0.3;閘門全開庫(kù)水位2 892.00 m工況,陡坡段各特征點(diǎn)的水流流速在23.10～25.69 m/s之間,各點(diǎn)空化數(shù)均大于0.3;閘門全開庫(kù)水位2920.00 m工況,J6點(diǎn)空化數(shù)0.19,陡坡段各特征點(diǎn)的水流流速繼續(xù)增大,在30.37～30.97 m/s之間,空化數(shù)在0.17～0.34之間,大多接近0.3。

表5 不同工況下泄洪放空洞陡坡段典型斷面的計(jì)算空化數(shù)

根據(jù)陡坡段的計(jì)算空化數(shù),閘門全開庫(kù)水位2 892.00 m工況,陡坡段各特征點(diǎn)的空化數(shù)均大于0.3;閘門局開庫(kù)水位2 890.00 m和閘門全開庫(kù)水位2 920.00 m工況,特征點(diǎn)的流速增大,空化數(shù)小于0.3;閘門全開庫(kù)水位2 920.00 m工況閘門前有壓漸變段測(cè)點(diǎn)(J5、J6測(cè)點(diǎn))的空化數(shù)小于0.3,最小值0.19,也需引起足夠的重視 。

各試驗(yàn)工況下觀測(cè)突擴(kuò)跌坎和各摻氣槽,都能形成穩(wěn)定足夠的空腔對(duì)邊壁進(jìn)行保護(hù)作用,能保障建筑物安全運(yùn)行要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過巴拉電站的泄洪放空洞單體模型試驗(yàn),研究了泄洪放空洞軸線和摻氣減蝕設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì),通過對(duì)原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的相關(guān)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出以下結(jié)論:

(1)原設(shè)計(jì)方案在局開工況下,各個(gè)摻氣坎基本上能滿足摻氣要求,但在全開工況下閘室后摻氣坎不能形成穩(wěn)定的摻氣空腔。閘室后突擴(kuò)和跌坎設(shè)計(jì)不當(dāng),使得各個(gè)工況下水翅均非常嚴(yán)重,甚至超過洞頂12 m的高度,會(huì)造成出閘室水流不間斷沖擊洞頂,嚴(yán)重威脅泄洪洞安全。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案閘門全開各庫(kù)水位工況,閘門后的突擴(kuò)跌坎處的水翅現(xiàn)象基本消除,和下游陡坡段的水流銜接良好,水面無大的波動(dòng)。突擴(kuò)跌坎、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)摻氣槽處均可形成空腔,在試驗(yàn)及觀測(cè)主要工況下均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔,閘室后跌坎側(cè)空腔也能保持足夠摻氣長(zhǎng)度,摻氣作用良好,能滿足安全運(yùn)行抗空化空蝕要求。同時(shí),優(yōu)化方案根據(jù)實(shí)測(cè)水深和計(jì)算的斷面流速,計(jì)算陡坡段測(cè)點(diǎn)的空化數(shù),閘門全開庫(kù)水位2 892.00 m工況,陡坡段各特征點(diǎn)的空化數(shù)均大于0.3。閘門局開庫(kù)水位2 890.00 m和閘門全開庫(kù)水位2 920.00 m工況,特征點(diǎn)的流速增大,空化數(shù)小于0.3,但大多接近0.3。閘門全開庫(kù)水位2 920.00 m工況閘門前有壓漸變段的空化數(shù)小于0.3。各試驗(yàn)工況下觀測(cè)突擴(kuò)跌坎和各摻氣槽,都能形成穩(wěn)定足夠的空腔對(duì)邊壁進(jìn)行保護(hù)作用,能保障建筑物安全運(yùn)行要求。

(3)試驗(yàn)測(cè)量了優(yōu)化方案不同閘門開度和庫(kù)水位工況泄洪放空洞沿程測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根值,大部分測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根小于0.1,庫(kù)水位2 920.00 m靠挑坎附近的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均方根出現(xiàn)大于1.0的值。泄洪放空洞沿程流態(tài)平順,可滿足工程安全要求。