龍灘水電站低坎溢洪道摻氣設施試驗研究

王 怡

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 長沙市 410014）

1 工程特點

龍灘水電站位于廣西天峨縣境內，是紅水河上具備多年調節性能的大型龍頭水庫，主要任務是發電，兼有防洪和航運等綜合利用效益。工程按后期正常蓄水位400.00m設計，分兩期建設，前期按正常蓄水位375.00m，大壩前期最大壩高192.00m，后期最大壩高216.50m。

龍灘水電站屬一等工程，泄水放空建筑物按1級建筑物設計。泄洪建筑物的防洪標準按500年一遇洪水設計，10 000年一遇洪水校核。下游消能防沖設計標準為100年一遇洪水。

泄水放空建筑物布置在河床壩段，表孔溢洪道孔口尺寸15m×20m（寬×高），表孔堰面為實用堰，采用高低坎相結合的挑流式消能。1、3、5、7孔為低坎，2、4、6孔為高坎，中墩寬5m，邊墩寬4m。表孔前期最大泄量27 153m3/s，最大單寬流量258.6m3/s·m；后期最大泄量26 200m3/s，最大單寬流量249.5m3/s·m。

2 研究思路

龍灘水電站溢洪道的大單寬流量及高水頭特性決定了摻氣設施設置的復雜性，過高的摻氣坎可能使得挑射水流高程較高，增加導墻的高度，進而增加工程造價；而過低的摻氣設施可能使得摻氣不充分，進而產生負壓，影響摻氣設施的安全性。因此測量不同試驗條件下的溢洪道內的水面高程、壓強、摻氣濃度以及摻氣設施的風速，通過方案比選，確定滿足工程規范的試驗方案，為設計提供依據是本次試驗的研究思路。

3 試驗模擬條件

模型依據重力相似準則進行設計，為滿足摻氣相似要求，摻氣設施處模型流速和韋伯數應足夠大，選定模型長度比尺1∶30。本摻氣模型低坎溢洪道均取半孔，模型溢流面和左側導墻用水泥刮制，右側導墻和通氣管由有機玻璃制作，以觀察摻氣水流內部的情況和底部空腔的流態。

高坎溢洪道低坎溢洪道導墻上設置了12條水尺，以量測摻氣水流的水面線；在溢流面上設置了若干測壓管，以了解溢流面的摻氣壓強分布情況。

用風速儀測量通氣管中心點風速，用摻氣濃度儀測試溢流面中線法線方向的摻氣濃度分布，低坎溢洪道對7個斷面進行量測。

4 摻氣設施優化及其試驗成果

低坎溢洪道設置了2道人工摻氣系統，摻氣設施的形式均采用兩側墻埋管摻氣。共進行了3個方案的試驗，其幾何要素見表1。因方案Ⅲ優于方案Ⅰ和方案Ⅱ，以下著重介紹方案Ⅲ。其上摻氣坎末端位于樁號0+041.212m處，下摻氣坎末端位于樁號0+082.728m。

表1 低坎溢洪道摻氣系統幾何要素表

4.1 流態與水面線

在試驗中觀察到：方案Ⅰ上摻氣設施空腔長度很長，水舌沖擊點在下摻氣坎附近，有沖擊下摻氣坎之嫌，在上游水位375.067m下泄流量17 690m3/s時，下摻氣設施有效空腔長度為8.15m，隨著上游水位的升高，空腔長度逐漸變小，在校核水位附近，空腔回水已陣發性爬至摻氣槽內。方案Ⅱ上摻設施空腔高度很低，水舌下沿摻氣不甚明顯，下摻氣設施空腔穩定。方案Ⅲ在各試驗工況下，上、下摻氣設施空腔穩定，摻氣情況較好，以下重點介紹。

在各試驗工況下，水流經過上摻氣坎時，水面挑高，坎后形成較長空腔，且隨著庫水位的升高，有效空腔稍有增大。在庫水位374.962m，下泄流量17530 m3/s時，有效底空腔長度為30.11m，在庫水位377.362 m，下泄流量21 321m3/s時，有效底空腔長度為31.93 m，在庫水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時，有效底空腔長度為32.78m。

水流經過下摻氣坎后，水面波動加劇，在樁號0+106.044m附近爬高最大，在庫水位377.362m，下泄流量21 321m3/s時，樁號0+106.044m處爬高高程為275.810m，超越邊墻3.755m。目前尚未解決摻氣量的相似率問題，導墻應有足夠超高。

坎后空腔內存在反向漩滾，且不時進退，不過仍存在穩定空腔，有效空腔長度隨著庫水位的升高而減小。在庫水位374.962m、下泄流量17 530m3/s時，有效底空腔長度為12.62m，在庫水位377.362m、下泄流量21 321m3/s時，有效底空腔長度為11.57m，在庫水位381.139m、下泄流量27 903m3/s時，有效底空腔長度為8.62m。

由于坎后水流紊動加劇，表面水流的挾氣能力提高，在上坎坎后水流的上部，可以看到逐漸下擴的白色水流流層，并且在樁號0+063.450m附近與底部的向上發展的強迫摻氣水流相會合。隨后水流逐漸變白，經過下摻氣坎，在樁號0+106.044m以后，水體全程變為乳白色。

4.2 壓 強

在各試驗工況下，除摻氣空腔內出現大小不同的負壓外，各運行工況下溢洪道底板均未出現負壓。

在試驗工況下，上摻氣坎空腔負壓的絕對值隨著上游水位的升高，空腔長度的加大而加大，下摻氣坎空腔負壓的絕對值隨著上游水位的升高，空腔長度的減小而減小。最大空腔負壓為-7.55 kPa，出現在上游水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時的上摻氣坎空腔內。在上游水位377.362m（相當于設計水位），下泄流量21 321m3/s時，上摻氣坎空腔負壓為-6.97 kPa，略超過溢洪道設計規范規定的-5 kPa[1]。因此上通氣孔面積需適當加大。

各典型沖擊壓強隨著上游水位的升高而增大，在各試驗工況下，最大沖擊壓強位于第二道水舌沖擊點，上游水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時，樁號0+101.049m處的沖擊壓強為346.35 kPa。第一道水舌沖擊壓強較小，是由于水舌落點方向與溢洪道在該處的切線方向的夾角較小所致。上游水位377.362m，下泄流量21321m3/s時，樁號0+073.685 m處，第一道水舌的沖擊壓強為35.77 kPa。

此外，第二道摻氣坎附近，壓強值較大。上游水位381.139m，下泄流量27903m3/s時，樁號0+080.232 m處的沖擊壓強為128.42 kPa。因此，應注意對摻氣挑坎尤其是第二道摻氣坎附近的保護。

4.3 通氣管風速

3 個方案的模型風速實測值見表2。

表2 模型風速實測值

方案Ⅲ優于方案Ⅰ、方案Ⅱ。在正常蓄水位附近，方案Ⅲ上通氣孔模型風速為9.47m/s，略大于方案Ⅰ上通氣孔模型風速9.27m/s，明顯大于方案Ⅱ上通氣孔模型風速6.20m/s，方案Ⅲ下通氣孔模型風速10.04m/s，略大于方案Ⅰ下通氣孔模型風速9.64m/s和方案Ⅱ下通氣孔模型風速9.20 m/s。

上通氣孔的模型風速，隨著上游水位的升高，下泄流量的增大而加大，下通氣孔的模型風速隨著上游水位的升高，下泄流量的增大而減小。

重力相似引申和經驗公式[2]引申原型風速值及氣水比見表3。

表3 方案Ⅲ重力相似引申和經驗公式引申原型風速值及氣水比

上通氣孔和下通氣孔用經驗公式引申的原型風速值均大于溢洪道設計規范限定值60m/s。因此，從通氣管風速而言，通氣管面積略顯不足。建議將上、下通氣孔直徑由150 cm加大到170 cm。

此外，氣水比（平均摻氣濃度）隨著上游水位的升高，下泄流量的增大而減小。用經驗公式引申的氣水比最小值為4.25%，出現在上游水位381.139m，下泄流量27 903m3/s時的第一道摻氣設施處。

4.4 摻氣濃度

溢洪道（低坎）沿程共設置了7個摻氣濃度施測斷面。其中下摻氣坎后為4個。方案Ⅲ優于方案Ⅰ和方案Ⅱ。底部摻氣濃度基本上沿程衰減，上層始終保持較大的摻氣濃度值。方案Ⅲ樁號壩0+138.218m以前的溢流面最小底部摻氣濃度為3.9%，溢流面底部具有足夠的減蝕摻氣濃度。方案Ⅲ樁號壩0+148.00附近，底部最小摻氣濃度為1.2%，對溢流面可以起到一定的減蝕作用。

盡管摻氣設施能有效摻氣，發揮較好效果，起到對溢流面減蝕的作用，但為了保證工程安全，仍需對施工中的不平整度進行適度控制。具體可參見溢洪道設計規范。

5 結 語

從試驗結果可知，溢洪道某些部位的近底摻氣濃度值小于3%，尚未滿足規范[1]要求，不過從烏江渡原觀成果來看，其右滑雪道與本溢洪道的最大單寬及最大流速均相似，其水流近壁處摻氣濃度最小時均值亦為1.7%[3]，運行至今未發生空蝕破壞。因此龍灘水電站低坎溢洪道人工摻氣系統的布置是可行的。

截止目前，龍灘水電站工程安全運行，經歷了泄洪考驗。其摻氣設施的設置可以為類似工程提供參考。

[1]DL/T 5166-2002.溢洪道設計規范[S].2002.

[2]夏毓常,王善達,韋有忠.通氣減蝕設施通氣量研究報告[R].水電部天津勘測設計院科研所,水電部中南勘測設計院科研所,1984.

[3]水利電力部中南勘測設計院.烏江渡水電站高速水流原型觀測成果總報告[R].長沙：水利電力部中南勘測設計院,1983.