蒙富強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

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長河壩水電站泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施設(shè)計(jì)

蒙富強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

長河壩水電站3條泄洪洞水頭高、流量大、流速高，泄洪洞空化空蝕問題突出，需設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。結(jié)合水工模型試驗(yàn)，分析了泄洪洞空化特性，優(yōu)化了摻氣減蝕設(shè)施型式選擇。流態(tài)及摻氣效果分析表明，最終確定的方案能有效地防止或減少氣蝕的破壞，摻氣效果良好。

泄洪洞；高速水流；摻氣減蝕設(shè)施；空化空蝕；長河壩水電站

1 工程概況

長河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級(jí)”的第10級(jí)電站，上接猴子巖水電站，下接黃金坪水電站。長河壩水電站正常蓄水位為1 690.00 m，正常蓄水位以下庫容為10.15億m3，電站裝機(jī)容量為2 600 MW。電站的開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，樞紐由礫石土心墻堆石壩、左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)和右岸泄水建筑物組成。

泄水建筑物布置在河道右岸，由泄洪洞、放空洞組成，泄洪洞從左至右依次由1條深孔泄洪洞(1號(hào)泄洪洞)和2條溢洪洞(2號(hào)、3號(hào)泄洪洞)組成，其主要任務(wù)是下泄大、中、小洪水。1號(hào)泄洪洞由岸塔式短有壓進(jìn)口、無壓隧洞和出口挑流鼻坎組成。進(jìn)口塔體尺寸為49.0 m×27.0 m×52.0 m(長×寬×高)，進(jìn)口底板高程為1 650.00 m，工作閘門孔口尺寸為14.0 m×11.5 m(寬×高)。無壓隧洞采用一坡到底的形式，洞身總長1 372 m，縱向坡度為0.102 79；洞身斷面形式為圓拱直墻型，斷面尺寸為14.0 m×(16.0～19.0)m(寬×高)。出口挑坎采用斜切扭曲挑坎，挑角15.14°～30.58°，尾坎高程為1 511.18～1 519.98 m。泄洪洞最大泄量3 692 m3/s，最大流速約44.86 m/s。2號(hào)、3號(hào)泄洪洞由開敞塔式進(jìn)口、無壓隧洞和出口挑流鼻坎組成。進(jìn)口塔體尺寸為43 m×28.0 m×38.5 m(長×寬×高)，采用實(shí)用堰形式，堰頂高程為1 673.50 m，工作閘門孔口尺寸為17.0m×16.5m(寬×高)。無壓隧洞采用一坡到底的形式，洞身總長分別為1 508、1 540 m，縱向坡度分別為0.108 48、0.105 52；洞身斷面型式為圓拱直墻型，斷面尺寸為(14.0～17.0) m×(18.0～15.0) m(寬×高)。2號(hào)泄洪洞出口挑坎采用窄縫挑坎，挑角6.73°，尾坎高程為1 500.23 m；3號(hào)泄洪洞出口挑坎采用擴(kuò)散斜切挑坎，挑角8.51°～15.48°，尾坎高程為1 501.72～1 506.77 m；單洞最大泄量3 138 m3/s，最大流速分別為45.06、47.11 m/s。

長河壩泄洪洞泄洪流量大、流速高，其空化空蝕問題非常突出。本文簡要介紹了長河壩泄洪洞摻氣設(shè)施的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程，結(jié)合泄洪洞水工模型試驗(yàn)，對(duì)該泄洪洞摻氣減蝕設(shè)施的體型和水力特性作了分析和論述。

2 泄洪洞空化特性分析

若長河壩泄洪洞洞身不設(shè)摻氣減蝕設(shè)施，通過水工模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在最高水位1 694.60 m工況下，1號(hào)泄洪洞0+330.00之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化數(shù)小于0.35；2號(hào)泄洪洞0+350.00之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化數(shù)小于0.32；3號(hào)泄洪洞0+320.00 m之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化數(shù)小于0.31。試驗(yàn)成果表明，隨著流速增大，水流空化數(shù)減小，洞身段極易發(fā)生空化空蝕破壞。因此，根據(jù)規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，長河壩泄洪洞應(yīng)設(shè)摻氣減蝕設(shè)施。

3 摻氣減蝕設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1 摻氣減蝕設(shè)施位置確定

摻氣減蝕技術(shù)是一種防止空蝕的有效工程措施，摻氣一般采用底部進(jìn)氣。當(dāng)混凝土過流面上水流流速在30 m/s左右時(shí)，或者水流空化數(shù)為0.3時(shí)，可根據(jù)具體情況確定是否設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施，當(dāng)流速大于35 m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。根據(jù)長河壩泄洪洞流速及水流空化數(shù)分布情況，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，將第1道摻氣設(shè)施布置在0+350.00位置。摻氣設(shè)施保護(hù)長度一般約為200 m，考慮到第1道摻氣設(shè)施流速較小，摻氣效果可能較差，因此適當(dāng)縮短其保護(hù)長度，將第2道摻氣設(shè)施布置在0+500.00位置。其余摻氣設(shè)施保護(hù)長度取200 m，因此泄洪洞第3～6道摻氣設(shè)施位置分別為0+700.00、0+900.00、1+100.00、1+300.00。

3.2 摻氣減蝕設(shè)施型式選擇

目前，摻氣設(shè)施的樣式比較繁多，摻氣設(shè)施的一般的工程形式包括挑坎式、跌坎式、槽式以及組合式等。摻氣設(shè)施空腔負(fù)壓決定摻氣量的多少，空腔負(fù)壓較小時(shí)，摻氣不充分，摻氣效果不好。但并非空腔負(fù)壓越大越好，當(dāng)空腔負(fù)壓較大時(shí)，會(huì)使摻氣量大量溢出，同時(shí)造成邊墻水翅過大；再者，空腔負(fù)壓過大，空腔被壓縮，水舌不穩(wěn)，摻氣量也會(huì)減少。因此，一個(gè)高效的摻氣設(shè)施必須具有一定的空腔長度，適宜的空腔負(fù)壓和充分的通氣量。

根據(jù)泄洪洞底坡并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，摻氣設(shè)施采用坎跌組合形式。①第1、2道摻氣設(shè)施。由于Fr<0.4，水流重力占據(jù)主要作用，采用常規(guī)連續(xù)摻氣設(shè)施，出現(xiàn)強(qiáng)回溯水流，無法形成有效的摻氣空腔，摻氣效果較差；為解決低Fr數(shù)、大單寬流量的泄洪洞摻氣設(shè)施空腔回水問題，試驗(yàn)中多次對(duì)挑坎高度、角度以及下游底板水舌沖擊角等進(jìn)行調(diào)整，最終確定的摻氣設(shè)施體型為：第1、2道摻氣坎下游斜坡為半徑87 m，弦長約27.9 m的圓弧形底板，再以半徑約0.9 m圓弧銜接原底板，如圖1a、1b所示。②第3～6道摻氣設(shè)施挑坎高度為0.5 m，挑坎下游平坡接陡坡，在摻氣坎兩側(cè)布置通氣孔，面積為1 m×1.5 m(高×寬)，如圖1c所示。第1～6道摻氣設(shè)施在各工況下?lián)綒庑Ч^好。

圖1 第1～6道摻氣坎體形示意

3.3 補(bǔ)氣洞布置優(yōu)化

初期設(shè)計(jì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泄洪洞均布置2條補(bǔ)氣豎井，2條補(bǔ)氣豎井各連接1條補(bǔ)氣平硐通向山外，補(bǔ)氣平硐之間斷開不連接，在設(shè)計(jì)及校核工況下，補(bǔ)氣洞通氣量為5.99～23.98 m3/s，進(jìn)氣量較小。補(bǔ)氣平硐連接后，且對(duì)補(bǔ)氣豎井進(jìn)行了微調(diào)，補(bǔ)氣豎井進(jìn)氣量增大到200 m3/s，補(bǔ)氣效果提高非常明顯。故最終采用連接補(bǔ)氣平硐的方案。

4 流態(tài)及摻氣效果分析

由最終試驗(yàn)成果看出，洞內(nèi)水流比較平順，摻氣充分，水體變成乳白色，沒有出現(xiàn)翻滾、爬高、竄頂?shù)葠毫恿鲬B(tài)。在校核洪水位下閘門全開泄流時(shí)，1號(hào)泄洪洞洞內(nèi)水深11.25～6.42 m，低于邊墻高度，最小洞頂余幅17.18%；2號(hào)、3號(hào)泄洪洞洞內(nèi)水深11.00～5.60 m，低于邊墻高度，最小洞頂余幅15.43%，洞頂余幅均滿足要求。在各工況下，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泄洪洞各級(jí)摻氣設(shè)施下游均能形成穩(wěn)定的空腔，空腔長度8～28 m；空腔內(nèi)并有一定的空腔負(fù)壓值，約為-0.3～-1.5 m，均在允許范圍內(nèi)，落水點(diǎn)后均無水翅。各摻氣設(shè)施水力參數(shù)詳見表1、2。從試驗(yàn)實(shí)測(cè)的底板摻氣濃度看，在設(shè)計(jì)水位及校核水位工況下，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泄洪洞底板摻氣濃度均大于3%，摻氣效果良好，說明摻氣設(shè)施對(duì)泄洪洞起到了保護(hù)作用。

表1 1號(hào)泄洪洞摻氣設(shè)施水力特性(設(shè)計(jì)工況)

摻氣坎編號(hào)坎上水深/m坎上平均流速/m·s-1空腔長度/m空腔負(fù)壓值/981kPa回溯水流(強(qiáng)度、水深)挑流水舌最高點(diǎn)水深/m挑流水舌最高點(diǎn)位置1號(hào)82528142750-03弱10跌坎下游115m2號(hào)72848800-05弱75跌坎下游75m3號(hào)73354914～275-04無81跌坎下游14m4號(hào)71236314～30-15無86跌坎下游155m5號(hào)60540915～285-135無835跌坎下游12m6號(hào)6274007145～28-15無75跌坎下游12m

表2 2號(hào)、3號(hào)泄洪洞摻氣設(shè)施水力特性(設(shè)計(jì)工況)

摻氣坎編號(hào)坎上水深/m坎上平均流速/m·s-1空腔長度/m空腔負(fù)壓值/981kPa回溯水流(強(qiáng)度、水深)挑流水舌最高點(diǎn)水深/m挑流水舌最高點(diǎn)位置1號(hào)575233810～15-07弱625跌坎下游6m2號(hào)4752756115～145-13無55跌坎下游75m3號(hào)4633667155～21-175無7跌坎下游105m4號(hào)455394185～21-1無65跌坎下游8m5號(hào)488405416～21-1無575跌坎下游11m6號(hào)4634174155～21-05無525跌坎下游9m

5 結(jié) 語

類比國內(nèi)外同類已建工程，摻氣減蝕是一種經(jīng)濟(jì)有效的抗沖技術(shù)措施。通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，長河壩水電站1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泄洪洞設(shè)置摻氣設(shè)施后，能使摻氣坎后在各工況下形成穩(wěn)定的摻氣空腔，保證向下游供氣，高速水流達(dá)到一定的摻氣濃度后，就能有效的防止或減少氣蝕的破壞，摻氣效果良好。

[1]R. T. 柯乃普， J. W. 戴利， F. G. 哈密脫. 空化與空蝕[M]//水利水電科學(xué)研究院譯. 北京： 水利出版社， 1981. 9．

[2]RAHMEYER W. Energy dissipation and limiting discharge with orifices[J]. Journal of Transportation Engineering， 1988， 114(3)： 232- 238．

[3]白立新. 摻氣對(duì)空化空蝕影響的機(jī)理研究[D]. 成都： 四川大學(xué)， 2009．

[4]王均星. 長河壩水電站整體水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R]. 武漢： 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 2012．

(責(zé)任編輯 王 琪)

Design of Spillway Tunnel Aeration and Cavitation Mitigating Facilities in Changheba Hydropower Station

MENG Fuqiang

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

As the high water head, large discharge and high flow velocity of three spillway tunnels in Changheba Hydropower Station, the cavitation erosion of spillway tunnels will be prominent, so the aeration and cavitation mitigating facilities need to be set. Combined with hydraulic model tests, the cavitation characteristics of spillway tunnels are analyzed and the type selection of aeration and cavitation mitigating facilities is optimized. The flow pattern and aeration effect analyses show that the final solution of aeration and cavitation mitigating facilities can effectively prevent or reduce cavitation erosion and the aeration effect is good．

spillway tunnel; high-speed flow; aeration and cavitation mitigating facility; cavitation; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

蒙富強(qiáng)(1980—)，男，廣西百色人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)．

TV651.3(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0036- 03