淺論摻氣設施的消能作用

栗 帥，張建民，陳劍剛，胡小禹

（四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

早在20世紀30年代，人們就已經認識到水流摻氣可以減輕對過流表面的空蝕破壞，但直到1960年，美國的大古力壩（Grand Goulee Dam）在泄水孔錐形管出口下游設置摻氣槽，才把這一認識付諸于工程實踐。自摻氣減蝕被證明是解決空蝕破壞最有效的途徑以來，已有越來越多的工程應用，目前摻氣減蝕槽已在泄洪洞、溢洪道、陡槽等高水頭、大單寬流量泄水建筑物中廣泛運用，對防止高速水流引起的空蝕破壞具有顯著效果[1]。摻氣坎不僅能有效地減緩空蝕和磨蝕的發生，而且具有一定的消能作用，近年來學者的研究多集中在摻氣坎的體形、摻氣的挾氣量、空腔長度、通氣量、保護長度及受力分析等方面[2-11]，在對摻氣坎消能方面的論述較少，聶孟喜[12]、肖興斌[13]曾指出過摻氣坎的消能作用，但未見定量分析結果。本文通過摻氣減蝕試驗，對摻氣坎的消能作用作進一步的探討，為實際工程設計提供重要參考。

1 工程實例及模型試驗

某水電站最大壩高293 m，壩頂高程2 873 m，正常蓄水位2 865 m，校核水位2 870.36 m。溢洪道長940 m、進口高程2 844.00 m、出口高程2 690.00 m，建筑物水頭落差高達175 m，槽內最大流速接近50 m/s，屬于高水頭、大單寬流量泄洪建筑物。

該溢洪道由進口段、無壓隧洞上平段、渥奇曲線段、陡坡段（坡度i=0.323 3）、出口挑流段組成。進口段采用WES堰，出口為窄縫消能工。

試驗模型為正態模型，比尺為1∶40，各水力要素的比尺如下：長度λL=40；流速λV=λL0.5=6.324 6；流量 λQ=λL2.5=10 119； 糙度 λn=λL1/6=1.849。

模型采用有機玻璃制作，糙率約為0.007 9～0.008 3，滿足阻力相似要求。流量采用薄壁堰測量，測量精度0.1 L/s，流速采用電腦旋槳流速儀測量（西科所生產），測量精度1 cm/s。由于水頭高、流量大，水流翻滾和紊動劇烈，用測針對摻氣坎前后水位進行測量不妥，故采用鋼尺測量并依據流量、流速、摻氣濃度等測量資料加以修正。試驗中測試了4種體形在正常蓄水位（2 865 m）和校核水位（2 870.36 m）時的部分水力特性，如水深、摻氣空腔長度、摻氣坎前后流速等。

2 摻氣設施的應用條件及設計準則

一般認為當混凝土過流面上流速在20～30 m/s時，或當水流空化數K＜0.2時，需要設置摻氣減蝕設施。我國的水利專家提出，當水流空化數K＜0.1～0.3時須注意空化問題。摻氣設施的應用條件及設計準則可歸納為：①摻氣設施應設置在容易產生空蝕部位的上游；②摻氣設施在各級運行水頭和流量下均應保持挑坎水舌下有足夠的空腔，以保證有足夠的通氣量和摻氣濃度；③力求泄槽內水流平順，避免摻氣設施對水流流態的不利影響；④附近的水層底面或空腔內不出現較大的負壓，水舌沖擊還應避開伸縮縫和施工縫；⑤摻氣設施的體形力求簡單，且應保持足夠的強度和工作的可靠性，以便于施工，保證設施本身不受破壞。

試驗選擇了光滑溢洪道、兩級摻氣坎、三級摻氣坎、四級摻氣坎4種摻氣設施方案。摻氣坎體形參數根據以上5點要求優化確定（見表1）。本文選取的坎高與時啟燧[14]等提出的臨界坎高計算結果一致，說明摻氣坎的體形參數是合理的。

3 試驗結果及分析

為了計算各級摻氣坎的消能水頭和消能率，計算時選取挑坎起點斷面和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面，由能量方程計算出各斷面的總能量，即可通過式（3）計算出摻氣坎的消能率，即

表1 摻氣坎體形參數

式中，E1、E2為選取挑坎起點斷面總能量和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面總能量；ΔE為選取的兩斷面的能量差值；Δz1為選取的兩斷面的高差；ν1、ν2為斷面的流速；h1、h2為斷面水深；α為傾角；η為摻氣坎的消能效率；g為重力加速度。

通過計算和試驗可知摻氣坎的消能率與坎前斷面流速、坎高、挑角和摻氣濃度等有關，4種體形的消能率計算結果見表2。

由表2可知，同一流量下，摻氣坎越靠近上游消能率越高，即挑坎前流速越小，消能率越高；隨著單寬流量的增大，單級摻氣坎的消能水頭有所減小。在校核工況下，設置兩級摻氣坎后大約能消去4.21 m水頭的能量，設置三級摻氣坎后大約能消去9.14 m水頭的能量，設置四級摻氣坎后大約能消去20.99 m水頭的能量，由于摻氣挑坎的消能作用，溢洪道末端的流速由55 m/s降低至52 m/s。在設計工況下，設置四級摻氣坎后大約能消去32.79 m水頭的能量。

圖1為正常水位和校核水位時消能率和坎前流速的關系，圖2為摻氣設施總消能水頭與摻氣坎級數的關系。

圖1 消能率與坎前流速關系

表2 校核水位和正常水位下各體形摻氣坎的消能率

圖2 總消能水頭與摻氣坎級數的關系

由圖1、2可知，同一體形下摻氣坎消能率沿程逐級增加，但消能水頭的增量未必增加，主要原因是每增加一級摻氣坎，各摻氣坎的位置也相應調整，摻氣坎處的流速等水力學參數不一樣，但是隨著摻氣坎級數的增加，總的消能水頭是增加的。

試驗還表明，設置4道摻氣設施后，出口挑坎前總的消能水頭增加20 m，占總水頭的13%，也使泄槽內的水流流速由54.8 m/s減小到51.1 m/s，降低約7.6%，所以摻氣設施的消能作用不容忽視。

4 結語與建議

設置摻氣減蝕設施，工程形式簡單，從試驗和工程實踐效果來看，不僅提高了溢洪道上的水流的摻氣，有效減輕了空蝕破壞，而且還具有一定的消能效果。消能作用增加主要表現為一方面降低了挑流出口的流速系數，挑距縮短，增加了泄流的沿程能量損失；另一方面水流摻氣增加了與空氣的接觸面積，加速了水氣的混合摻雜，加強空中擴散消能作用；最后，摻氣槽本身也是一種人工加糙體，使流經的水流改變流向，在槽后形成旋渦流，增加了紊動強度和能量的轉換與耗散。

因此，建議在有條件的情況下多設置幾道摻氣設施，盡量縮短保護長度。可降低泄槽末端流速，且只要摻氣設施體形設計得當，并不會增加工程量，還可以起到輔助消能的作用。

［1］王海云，戴光清，張建民，等.高水頭泄水建筑物摻氣設施研究綜述［J］.水利水電科技進展，2004，24（4）:46-56.

［2］楊永森，陳長植，于琪洋.摻氣槽上射流挾氣量的數學模型［J］.水利學報，1996（3）:13-21.

［3］楊永森，楊永全.摻氣減蝕設施體型優化研究［J］.水科學進展，2000，11（2）:144-147.

［4］潘水波，邵瑛瑛，時啟燧，等.通氣挑坎射流的挾氣能力［J］.水利學報，1980（5）:13-22.

［5］邵瑛瑛，潘水波.泄水建筑物通氣減蝕設施的設計與應用［J］.水力發電，1987（10）:13-16.

［6］Chanson H.Study of air entrainment and aeration devices［J］.J.Hydraul.Res.1989,27（3）:301-309.

［7］Pfister M,Hager W H.Chute Aerators.Ⅰ:Air Transport Characteristics［J］.Journal of Hydraulic Engineering,2010（7）:352-359.

［8］Pfister M,Hager W H.Chute Aerators.Ⅱ:Hydraulic Design［J］.Journal of Hydraulic Engineering,2010（7）:360-367.

［9］Kramer K,Hager W H.Air transport in chute flows［J］.Int.J.Multiphase Flow,2005,31（10-11）:1181-1197.

［10］吳建華，阮仕平.泄水建筑物過流面摻氣設施的空腔長度［J］.中國科學 E 輯，2008，38（11）:1976-1983.

［11］Hager W H.Deflector-generated jets［J］.Journal of Hydraulic Research,2009,47（4）:466-475.

［12］曹孟喜.摻氣減蝕槽的消能效果［J］.清華大學學報，1993，33（5）:82-86.

［13］肖興斌，王才歡.岸邊溢洪道摻氣減蝕設施設計研究與實踐綜述［J］.水電工程研究，2000，6（2）:28-39.

［14］時啟燧，潘水波，邵媖媖，等.通氣減蝕挑坎水力學問題的試驗研究［J］.水利學報，1983（3）:1-13.