小底坡泄洪洞摻氣減蝕設施體型試驗研究

王智陽　王亮　雷艷（1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司陜西西安710065；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司陜西西安710100）

小底坡泄洪洞摻氣減蝕設施體型試驗研究

王智陽王亮雷艷
（1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司陜西西安710065；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司陜西西安710100）

本文以大渡河金川水電站泄洪洞為例，通過閘門不同開度，對泄洪洞摻氣設施體型的試驗研究比較，得出了適合小底坡泄洪洞的摻氣設計體型，其不僅能形成穩定的進氣空腔，較好地解決了空腔的回水問題，而且對水流干擾很小，不影響洞內水流流態。

小底坡泄洪洞；摻氣減蝕；摻氣坎；空腔回水；體型優化

國內外工程運行證明，高水頭、大流量泄洪洞，其反弧段及其下游由于水流流速大，沿程水流空化數較小，易發生空化、空蝕破壞，需采取摻氣減蝕措施。實踐證明，對于大底坡泄洪洞，采用挑坎、跌坎和通氣槽相結合的摻氣設施就可以形成足夠且穩定的空腔，達到較好的摻氣減蝕效果。但對于小底坡泄洪洞而言，在高水頭、大流量條件下，如采用常規摻氣坎，水流經過挑坎或跌坎后，會很快落向隧洞地板，形成的空腔體積會大幅度減小，若回落水流流向上游的動能大于緩坡形成的阻力，甚至會形成空腔回水，影響空腔體積及通氣效果，嚴重時有可能淹沒空腔，使摻氣減蝕設施失效反而成為空化源［1-4］。為了得到較為穩定的空腔，通常采用模型試驗，優化泄洪洞的摻氣設施位置與體型，驗證泄洪洞洞頂余幅，以保證體型的設計合理。

1　工程概況

金川水電站工程為大渡河干流規劃22級方案的第6個梯級電站，樞紐主要由混凝土堆石壩、左岸引水發電系統及右岸泄水建筑物組成，主要任務為發電，總庫容為4.8775億m3，為日調節水庫，總裝機容量為860MW。工程規模為二等大（2）型。

有壓泄洪洞進口高程為2175.0m，軸線走向NE38.27°，經弧形轉彎段變為NE68°，轉彎半徑為80m，角度為60°。出口工作閘門室樁號泄0+510.00m～泄0+540.00m，底板高程為2170.0m。閘室前為有壓圓洞段（D=10m），設計底坡i=0.0104；閘室后為城門洞型無壓洞段（寬×高=8m× 12m），設計底坡i=0.03。

2　試驗研究

2.1模型比尺及模型制作

圖2-1　第一道摻氣設施方案一

圖2-2　第一道摻氣設施方案二

考慮試驗的精度、試驗場地的大小以及有機玻璃圓管內徑尺寸等因素，最后選取模型長度比尺Lr=42.735。模型按重力相似準則設計，庫區利用鋼板水箱制作，在水箱內模擬進口局部地形，以保證進流相似。泄洪洞洞身全部采用有機玻璃加工制作。

2.2試驗方案及結果分析

金川水電站泄洪洞底坡i=0.03，在該坡度較緩的底坡上設置摻氣減蝕設施最大的難題就是空腔回水問題。四川大學許唯臨、張立恒曾經做過相關的試驗［5］，試驗認為：摻氣坎后空腔回水的形成與空腔末端射流沖擊角有密切的關系，此角越大，空腔積水深度越大，回水越明顯［1］。該沖擊角實際上是各種水力、體型要素的綜合反映，其大小與水槽底坡、摻氣坎體型和來流水力條件等直接相關。因此，本文結合金川水電站實際運行情況，對校核水位2255.00m （p=0.01%，雙江口調蓄）、校核水位2256.30m（p=0.01%，天然情況）、2253.00m （P=0.2%設計洪水）三種工況下，泄洪洞摻氣設施位置、體型、摻氣濃度等相關參數進行試驗研究，最終確定合理的泄洪洞設計體型。

2.2.1第一道摻氣設施體型研究

經計算，在泄洪洞工作閘室末端的0+540m斷面處，水流空化數已降至0.23，因此試驗確定第一道摻氣設施設在0+540m斷面，依據底部摻氣、兩側通氣孔進氣的原則來設計其體型，并進行了多種方案的修改和優化。

（1）方案一（跌槽式）

方案一采用常規跌槽式方案：試驗首先將泄槽0+540m斷面后局部底板降低1.0m，形成摻氣槽，槽后底板高程2169.55m，與槽前形成0.45m的高差，使水流局部脫離泄槽底板，形成空腔進行摻氣，方案一體型見圖2-1。

試驗結果表明，在各工況水位下，跌坎水舌落在下游2169.55m高程平臺上，底部形成反向旋滾，導致摻氣槽內嚴重積水，幾乎沒有進氣空腔，沒有達到預期效果。

（2）方案二（挑跌坎式）

相對于跌坎及槽式摻氣設施而言，挑坎更容易形成穩定的空腔，但其具體尺寸的確定與來流的水流特性（流量、流速、水深）和泄水建筑物底板坡度等因素有關，如果坎高過大，則對原水面的擾動過大，將水面抬得過高而減小洞頂余幅。因此方案二在方案一的基礎上，于0+540m斷面處加設了坡度為1:10、坎高0.3m的小挑坎，坎后底板高程2169.17m。此外，為了減小射流沖擊角，防止回水產生，還將0+543.0m～0+559.23m之間的泄槽底板設計成圓弧半徑為62.14m的“反鍋底”型，詳細體型見圖2-2方案二。

圖2-3　第一道摻氣設施方案三

圖2-4　第二道摻氣設施方案一

圖2-5　第二道摻氣設施方案二

試驗發現，本方案挑坎后能夠形成進氣空腔，但空腔較小，另外“反鍋底”并不能完全消除回水，回水積聚在空腔內，不能平順地排向下游，使空腔很不穩定，進氣不暢。與方案一相比較，射流底部反旋強度有所減弱，但是摻氣槽內積水問題仍沒有解決。

（3）方案三（挑跌坎+弧形下彎式底板）

由方案二的結果可知，“反鍋底”體型不能解決回水問題，其上游坡對回水起了阻礙作用，所以為了使回水順利排向下游。因此，試驗參考了Bakun溢洪道摻氣設施［6］的修改經驗，只保留弧形段下半部分，自其最高點向上改為水平，形成挑跌坎+弧形下彎式底板的結構形式。這種結構形式要想消除空腔回水，必須使挑坎水舌沖擊點位于弧形下彎段上，且水舌底緣盡量與底板曲線接近，夾角較小，否則無論是落在上游水平段還是下游斜坡上，回水均無法消除。經過多次對比調試，試驗最終確定挑跌坎下面的平段高程為2169.5m，平段長度為10.0m（0+540.00m～0+550.00m之間），下彎段圓弧半徑100m，見圖2-3中方案三。

試驗結果表明，在各種運行水位下，摻氣坎下游均能形成穩定的空腔，回水基本消失，取得了較好的效果。因此，把方案三（挑跌坎+弧形下彎式底板）作為第一道摻氣設施的推薦方案，并將第一道坎后的泄洪洞底坡調整到0.028。

2.2.2第一道摻氣設施推薦方案試驗結果

（1）壓力分布

經試驗觀測：設置摻氣坎后，摻氣空腔內最大負壓值為0.13×9.8kPa，滿足規范要求；水流沖擊區及與下游底板連接的反弧上壓力較大，設計水位時最大值為12.16×9.8kPa，校核水位時最大值為13.12×9.8kPa，分別出現在0+563.50m斷面和0+565.64m斷面。下彎段以后壓力逐漸減小，至0+583.59m斷面壓力值為6.7×9.8kPa左右，該斷面以后壓力分布與原方案變化不大。

（2）流態

試驗觀測表明，在庫水位2213m以下時，由于洞內流速較低，摻氣設施幾乎完全不起作用；水位在2213m～2245.0m之間時，摻氣坎后雖能形成進氣空腔，但空腔很不穩定，積水較多，摻氣效果較差；當水位超過2245.0m時，摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，摻氣坎后水流表面沒有明顯的沖擊波產生，流態較好。

（3）風速及摻氣濃度

試驗實測第一道坎的風速并按照坎上平均流速和坎上韋伯數引申至原型［7］，結果表明，按照坎上流速引伸至原型的結果稍微小于按韋伯數引伸的結果，引申至原型的最大風速為20.26m/s，只占了規范上限值（60m/s）的1/3，說明通氣孔的尺寸（2m×0.7m）偏大，還可以縮小一點。所以推薦方案中把第一道坎的通氣孔尺寸定為1.5m×0.6m。

此外，試驗還測試了第一道坎泄槽臨底摻氣濃度，結果表明，在樁號0+642.56m處，泄槽臨底摻氣濃度接近于0，據此推斷，摻氣槽的保護長度應在100m左右。實際上，由于模型中流速較小，摻氣坎下游近壁摻氣濃度實測值皆接近于零，水流摻氣狀況已嚴重失真。參考文獻［8］的相關理論及摻氣設施保護長度的計算方法，金川泄洪洞第一道摻氣設施的保護長度至少在150m左右。根據前面試驗結果，在閘室后約260m的長度范圍內水流空化數均低于0.3，因此仍不能排除發生空化空蝕的風險，需要設置第二道摻氣設施。

2.2.3第二道摻氣設施體型研究

按照第一道摻氣設施保護距離為150m計算，試驗在0+690m處設置了第二道摻氣槽，并對其體型進行了研究。

（1）方案一

此方案是把第一道坎的推薦方案復制到0+690m處，體型見圖2-4。試驗發現結果并不理想，沒有形成穩定的空腔，回水較多。這主要是因為該方案小挑坎高度過低，水流挑射太近，落于下彎段起始部位，導致射流底部產生反向旋滾，形成空腔回水。所以，還需對摻氣設施體型進行相應調整，以避免空腔回水的產生。

（2）方案二

試驗對第二道摻氣設施的挑坎高度、水平段長度、下彎段圓弧半徑及連接反弧的半徑進行了多次優化調整，最后確定挑坎高度為0.38m，水平段長度為7m，下彎段圓弧半徑由100m變為80m，連接反弧的半徑由25m變為50m（體型見圖2-5）。

試驗結果表明，在各運行水位下，摻氣坎后均能形成穩定的摻氣空腔，因此將此方案作為第二道摻氣設施推薦方案。

3　結語

（1）試驗測得泄洪洞最大平均流速33.45m/s，最小水流空化數0.23，測值非常接近《溢洪道設計規范》［9］及夏毓常［10］總結的需設置摻氣減蝕設施的限值，如不設摻氣設施，泄洪洞的安全仍存在較大的風險。為確保泄洪洞的運行安全，試驗認為有必要設置摻氣設施。

（2）通過對摻氣設施體型的試驗研究，在泄洪洞0+540.00m及0+690.00m斷面各設一道摻氣設施，其空腔壓力、通氣孔風速及保護長度均可以滿足要求。摻氣設施體型可滿足小底坡運行條件，不僅能形成穩定的進氣空腔，較好地解決了空腔的回水問題，而且對水流干擾很小，不影響洞內水流流態，其各項參數滿足泄洪洞的正常運行條件。陜西水利

［1］張立恒，許唯臨.摻氣減蝕設施空腔回水問題的試驗研究［J］.科學技術與工程，2006，（8）.

［2］孫雙科，楊家衛，劉海濤.緩坡條件下摻氣減蝕設施體型研究［J］.水利水電技術，2004，35 （11）:26-29.

［3］龐俊昌，苑亞珍。大型“龍抬頭”明流泄洪洞小底坡摻氣減蝕設施的選型研究［J］.水利學報，1993，（6）:61-66.

［4］吳偉偉，吳建華，阮仕平.平底泄洪洞摻氣設施體型研究［J］.水動力學研究與進展，2007，22 （4）:397-400.

［5］張立恒.摻氣減蝕設施空腔回水問題試驗研究［D］.2006.

［6］巨江，楊紀元，劉少斌.Bakun溢洪道試驗報告［R］.西安:西北勘測設計研究院工科分院.2005.

（責任編輯：暢妮）

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