某水電站泄洪隧洞閘室通風降噪研究

汪　旭

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶　401120)

?

某水電站泄洪隧洞閘室通風降噪研究

汪旭

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶401120)

摘要：針對某水電站泄洪洞通風洞洞口及工作門啟閉機室噪音較大的問題，筆者研究并提出了有效的解決方案。通過在原通風洞內增設一定高度的阻塞體，減小了通風洞內的風速及風量，從而實現了降低噪音的目的，但是，增設阻塞體對洞頂通氣井的風速及風量影響較小；通過在閘室左側增設通氣平洞，泄洪洞總通風量得到了有效的增加，但是原通風洞的風速變化不明顯，即增加通氣平洞不能降低原通風洞風速及風量；同步增設阻塞體以及通氣平洞，在減小原通風洞風速的同時又通過新建通氣平洞補償了由于原通風洞增加阻塞體而減小的風量。

關鍵詞：通風洞；降噪；風速；通風量

0引言

無壓泄洪洞在水電工程中占有很大的比重，由于泄洪洞洞身處于山體內部，泄洪時水面以上所謂洞頂余幅將充滿空氣并隨著其下水體的流動而行進，當出現供氣不足時，可能引起水面劇烈波動，從而對洞身造成不可預估的危害，這就使得通氣設施的合理設計與修建變得極為重要。同時，不合理的通氣設施體型，可能造成洞內風速過大，從而引發噪音的問題[1,2,3,4]。

某水電站由于右岸泄洪洞工作閘室前段為有壓洞身，并且工作水頭較大，閘室弧門位置處水流流速最大可達到39 m/s，如此大的流速，在進入無壓段后水面上部的攜氣量非常大。右岸泄洪洞原設計在無壓段洞身弧形頂蓋上沿程布設三個內徑D=2.0 m的通氣井，通風井相同位置洞身底板分別設置有三級摻氣坎，摻氣坎通過通氣豎井與水面以上位置相連，同時在閘室右側布設6.0 m×6.0 m(寬×高)的通風洞以保證泄洪洞洞身以及底板摻氣空腔的需氣量。

在實際運行過程中發現，工作門室通風洞風速非常大，進洞口5m處實測最大風速102 m/s，30 m處實測最大風速87 m/s；通風洞洞口及工作門啟閉機室噪音較大，其中通風洞洞口為100分貝，工作門啟閉室內為105分貝，嚴重影響工作人員的工作和生活環境。

筆者針對該水電站右岸泄洪洞通風洞洞口及工作門啟閉機室噪音較大的問題，試驗了多種解決方案，通過對比研究各通氣設施內的風速與攜氣量的變化規律，找到了有效的通風減噪途徑。

1模型試驗

本試驗采用1∶25的正態模型，模型泄水建筑物均采用透明有機玻璃制作，使流態清晰可見，便于觀察。根據設計給定的混凝土襯砌表面糙率是n=0.014，而沿程阻力相似所要求的模型糙率應為0.008 2。根據大量模型試驗，有機玻璃制作的模型糙率約為0.007 9～0.008 1，兩者滿足糙率合集基本相似。在模型制作過程中，平面誤差控制在 2 mm以內，高程誤差控制在 0.5 mm以內，以保證模型和原型的幾何相似。試驗過程中風速測量采用DT-8880型熱敏式風速儀，測量精度為0.1 m/s，模型布置見圖1。

針對原通風洞洞口及工作門啟閉機室噪音較大的問題，筆者設計了幾種試驗方案，分別測量了庫水位765 m(工作水頭72.643 m)下各通氣設施的風速并計算其通風量，詳細方案設計見表1。其中阻塞方案在原通風洞上游段設置不同高度的阻塞體以實現增加風阻、減小風量的目的，阻塞體順風方向長10 m，寬與通風洞等寬(6 m)；通氣平洞方案在閘室左側增設通風平洞，其后與直徑為5m的通風豎井相連，同時在原通風洞設置不同高度的阻塞體。

2試驗結果分析

各方案下泄洪洞沿程3個洞頂通氣井的通風量變化見圖2，可以看到，所有方案下2#通氣井均具有最大的通氣量，1#通氣井次之，3#通氣井最小。這是由于1#通氣井位置處水流流速比2#通氣井位置處水流流速小，而流速越大，其攜氣能力就越強，故而2#通氣井的通氣量要大于1#；3#通氣井位置處的水流流速明顯大于1#及2#通氣井位置處水流流速，依照前述理論，那么，該處通氣井的通風量應該是三者當中最大的，但是，由于3#通氣井位于泄洪洞出口位置附近，外界大氣可通過洞頂余幅向洞內進行逆向補氣，故而3#通氣井位置處雖然具有最大的水流流速，反而其通氣量卻最小。

(a)側視圖

(b)俯視圖圖1　試驗模型布置圖

表1　試驗方案表

另外可以看到，各方案下各個洞頂通氣井的通風量變化均相對較小，這是由于不論是在原通風洞洞內增設阻塞體還是在閘室左側增設補氣平洞，其對于沿程洞頂通氣井的影響都比較小，并且相對于整個洞室的需氣量來講，通氣井的風量占比相對較小。

圖2　洞頂通氣井通風量

在不同方案下，原通風洞及泄洪洞總通氣量變化見圖3，可以看到，阻塞體高度低于3 m(即一半洞高)時，阻塞體幾乎無減小風量的作用；阻塞體高度為4 m時，與無阻塞體相比，總通風量略有減小但不顯著，阻塞體高度為4.5 m時的總通風量為無阻塞體時的70%，通風洞平均風速減小明顯，為無阻塞體時的60%(由22 m/s減弱為13 m/s)，這表明阻塞體方案可有效降低通風洞風速及通氣量。

新增通風井(方案5)后，泄洪洞總通風量增加了17%～30%，但原通風洞的風速及風量變化不明顯，即增加通風井不能顯著降低原通風洞風速及風量，但卻可以有效增加整個泄洪洞的總通氣量。

方案6與方案7的對比進一步驗證了在原通風洞內增設阻塞體以減小其內部風速及風量的合理性；并且通過與方案5的對比可以發現，同步增設補氣平洞以及阻塞體，依然可以發現與前述相似的規律，即通氣平洞的增加對于增設阻塞體后的原通風洞的風速及風量的影響依舊較?。煌瑫r增設補氣平洞以及4.5 m阻塞體(方案7)后原通風洞平均風速為14.5 m/s，與不設通風井時(13.1 m/s)差別不大，但總通風量增大了79%(由701 m3/s增加到1 254 m3/s)。所以，增設阻塞體后的原通風洞實現了風速與風量的大幅減小，但卻很大程度上減小了泄洪洞的總通風量，而閘室左側的新增通氣平洞不僅補償了由于阻塞體的增加減小的風量，并且相對于原方案(方案1)大幅提高了洞內總通氣量，故而將方案7作為該水電站泄洪洞通風洞洞口及工作門啟閉機室噪音較大問題的合理解決方案是可行的。

圖3　原通風洞通風量及泄洪洞總通風量

表2為同時增設補氣平洞及4.5 m高阻塞體時不同庫水位下各通氣設施內風速及風量，從中可以看到，隨著庫區水位的增加，各通氣設施的風速及泄洪洞總通風量均呈增大趨勢，這是由于隨著工作水頭的增加，洞內流速亦隨之增大，從而增強了水體的攜氣能力[5,6,7]；但是，泄洪洞沿程3個洞頂補氣洞的風速及通風量變化依然較小。分析認為，出現該現象的主要原因是通氣井的內徑限制了其過流能力，這就使得通風井兩側需要具有很大的壓力梯度(一側為大氣壓，另一側連接泄洪洞洞頂，故而需要洞頂段具有足夠小的壓強)才能進一步大幅增加其通氣量，但是，由于閘室兩側的原通風洞及新建的補氣平洞的存在，這二者能夠較好地為泄洪洞整個洞室提供良好的通風條件，故而在通風井連接洞頂處沒有形成極小風壓的條件，也就不能大幅增加其通氣量。

表2　方案7不同庫水位下各通氣設施風速(m/s)及通風量(m3/s)

3結論

筆者針對某水電站泄洪洞通風洞進口及工作門啟閉機室噪音較大的問題，提出了多種解決方案，通過試驗對比驗證，優選出合理有效的解決方案，并得出如下結論：

(1)通過在原通風洞洞內上游段增設一定尺寸的阻塞體，能夠實現通風洞洞內風速及風量的顯著減小。較低的阻塞體不能夠減小洞內風速及通風量，當阻塞體高度達到整個通風洞洞高約75%時，通風洞平均風速減小明顯，為無阻塞體時的60%(由22 m/s減弱為13 m/s)。

(2)阻塞體的增加對泄洪洞沿程洞頂的通氣井內風速及通風量影響較弱。

(3) 在閘室左側增加通氣平洞不能降低原通風洞風速及風量。

(4)由于原通風洞增設阻塞體的緣故，雖然實現了洞內風速的大幅減小，但泄洪洞內總通氣量將急劇降低，而閘室左側新建的補氣平洞能夠對該部分損失的風量進行良好的補償，并且泄洪洞內總通氣量大幅超過原來的初始方案。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部. 水利水電工程鋼閘門設計規范[S]. SL74-95, 1995.

[2]高又生. 明流管道通氣量分析[C]. 水利水電科學研究院研究論文集, 第3集(水工), 1963.

[3]陜西省水利科學研究所. 深水閘門后通氣問題的初步分析[J]. 陜西水利,1976,02:64-73.

[4]黃文杰. 泄洪管道高壓閘門后需氣量原型規律的研究[D]. 北京：華北水利水電學院, 1982.

[5]韓立. 閘后泄水管道通氣量計算問題研究綜述[J]. 水資源與水工程學報, 1990,02:1-10.

[6]W Delapp，KR Kennison，RT Knapp etc. Entrainment of Air in Flowing Water: A Symposium: Closed Conduit Flow[J]. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1943, 108(1): 1435-1447.

[7]Campbell F B, Guyton B. Air demand in gated outlet works[C]. Proceedings: Minnesota International Hydraulic Convention. ASCE, 1953: 529-533.

(責任編輯：卓政昌)

汪旭(1988-)，男，漢族，重慶市人，畢業于四川大學水力學及河流動力學專業，助理工程師.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0102-03

文獻標識碼:A

中圖分類號:TV7；TV651.3 ；TU834.3+6

收稿日期:2016-02-16