新疆JK水庫工程豎井水平渦旋流溢洪洞水流空化特性試驗研究

陳振軍

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

JK水庫表孔溢洪洞采用豎井水平旋流的消能形式，最大泄流量達623 m3/s，上下游落差最大達120 m以上，其中豎井高度接近100m，其結構體型及過流邊界較為復雜，水流空化問題突出，需要通過減壓模型試驗，對表孔溢流洞的各個關鍵部位的空化特性進行深入研究。論證水平旋流洞的抗空化特性，發現問題時采用適當的工程措施，以減免表孔溢流洞在高水頭、大流量泄流條件下發生空化空蝕的可能性，為表孔溢流洞的安全運行提供依據。

JK水庫由攔河壩、表孔泄洪洞（導流洞改建，豎井水平渦旋流消能形式）、底孔泄洪-沖沙-放空洞、發電引水洞、地面廠房及電站尾水渠等組成。總庫容1.21億m3，調節庫容0.71億m3，電站裝機30 MW，年發電量2.14億kW·h，為Ⅱ等工程。工程建成后，可控制灌溉面積70.73萬畝，將下游防洪堤防洪標準由5年一遇提高到30年一遇[1-2]。

1 試驗內容

1.1 試驗內容

JK水庫表孔溢洪洞（見圖1）減壓模型試驗以常壓試驗的推薦體型為基礎，對豎井進流水平旋流洞關鍵部位的空化特性進行研究，對比觀測常壓狀態和減壓狀態洞內的水流流態和壓力分布，監測不同運行條件下溢流進口段、豎井、起旋室等關鍵部位的水流空化噪聲，分析其水流空化特性[3-4]，根據試驗結果提出結論或修改建議。其主要試驗內容如下：

（1）減壓狀態下，觀測不同泄流條件下溢流進口段、豎井段的水流流態，觀察摻氣設施水流形態和穩定性，并與常壓狀態下的水流流態進行對比分析。

（2）根據實測壓力資料，計算表孔溢洪洞不同泄流部位的水流空化數，初步分析水流的空化特性。

（3）測試不同特征水位下溢流進口、豎井、起旋器各個關鍵部位的水流空化噪聲，通過對空化噪聲的頻譜分析，結合目測及洞內壓力分布，分析水流的空化特性。

圖1 表孔泄洪洞布置圖

1.2 模型設計

表孔泄洪洞常壓水工模型按照重力相似準則設計，模型幾何比尺為1∶30，原型與模型的比尺關系如為長度比尺：λL=30，速度比尺：λV=λL0.5=5.477，時間比尺：λt=λL0.5=5.477，壓強比尺：λp=λL=30，流量比尺：λQ=λL2.5=4929.503，糙率比尺：λn=λL1/6=1.763。

為便于觀察流態，模型的引渠段、進口溢流控制段、豎井段全部采用透明有機玻璃精細加工制作。有機玻璃糙率系數nM為0.008，根據曼寧公式按照模型比尺換算得到原型糙率np為0.0141，與混凝土表面糙率0.014接近，基本滿足糙率相似條件。

2 水流空化特性

2.1 水流空化數

水流空化數是反映水流空化特性的重要指標，在不考慮脈動壓力影響的條件下，水流空化數用式（1）表示：

式中：Pa為工程所在地的大氣壓力（kPa）；P為泄洪建筑物表面的時均壓力（kPa）；Pv為汽化壓力（kPa）；這里按照水溫 20℃時的汽化壓力計，即：Pv=2.29 kPa；V為過流斷面的平均流速。

閘門全開，在設計水位和校核水位泄流工況下，進口溢流堰面最小水流空化數分別為1.40和1.09。設計工況下溢流堰段平均流速8.5 m/s～10.0 m/s，堰面沒有出現較大的負壓，計算得到的水流空化數均大于1.0。

2.2 水流空化噪聲分析

2.2.1 水流空化噪聲分析方法

水流噪聲能量比值E/E0。水流噪聲能量也是衡量水流是否發生空化的重要物理參數。試驗中同樣取真空度為η=0.85ηm時的水流噪聲能量作為背景噪聲能量，然后逐級增加減壓箱內真空度，每增加一級待水流穩定后均測試一組水流噪聲能量，直到真空度超過相似真空度為止。水流空化噪聲能量E按下式計算：

式中：fi為頻帶的中心頻率（Hz）；（BL）i為頻帶的聲壓級（dB），噪聲能量的分析頻率范圍取10 kHz～200 kHz的高頻段。一般來說，水流自身流動的噪聲在高頻段的能量隨真空度的變化緩慢，而水流空化噪聲隨真空度的升高而迅速增大。噪聲相對能量表示實測噪聲能量與背景噪聲能量的比值E/E0，試驗中以噪聲相對能量隨真空度的變化過程和增長幅度來判斷水流是否發生空化。

2.2.2 水流初生空化的判別標準

當E/E0～η的關系曲線的曲率發生突變，且相似真空度時水流噪聲能量（Em）與背景噪聲能量（E0）的相對比值（Em/E0）比值達到2.0左右時，一般認為滿足以上兩個條件即可以判斷水流發生了初生空化，再對可能發生空化水流部位附近的水流內部進行目測觀察，分析判斷水流的空化狀況。

對于設置了摻氣設施的泄洪建筑物，由于水流摻氣影響空化現象的目測和觀察，主要根據監測水流噪聲來分析和判斷水流是否發生空化，結合水流的摻氣效果和水力特性綜合評價其空化的危害程度。

2.3 水流空化噪聲測試結果

根據表孔溢洪洞的體型布置和運行特點，減壓模型在進口溢流堰面段、豎井與溢流進口連接及環形摻氣坎段、豎井段、起旋室附近分別布置了水聽器（測點編號N-01～N-04），利用水聽器監測關鍵部位的水流噪聲，判斷水流是否發生空化。

閘門全開，減壓試驗監測了表孔溢洪洞進口至水墊塘段各個關鍵部位的水流噪聲，圖2～圖4給出了相似真空狀態下各測點的水流噪聲頻譜曲線及相應的背景噪聲頻譜曲線，各測點相似真空度狀態下的水流噪聲與背景噪聲在30 kHz～200 kHz高頻段內的聲壓級差（△SPL）統計結果見表1。

表1 不同特征水位下水流空化噪聲聲壓級差(△SPL)（dB）

2.3.1 溢流進口（N-01測點）附近水流空化特性

N-01測點布置在溢流堰面及末端摻氣跌坎上游邊墻附近，閘門全開，不同泄流工況下實測水流噪聲頻譜特征結果如下：

1）在設計水位和校核水位的運行條件下，N-01測點在相似真空度狀態下的水流噪聲與背景噪聲比較，在大于30 kHz高頻段的最大聲壓級增量分別為4.3 dB和4.6 dB，水流噪聲聲壓級增量隨庫水位升高、泄流量增大而略有增大，但均小于非摻氣水流空化初生臨界判別下限值5.0 dB；

2）在校核工況下，N-01測點水流噪聲能量隨真空度的增加而增長緩慢，在相似真空度時（ηm）實測水流噪聲能量（Em）為背景噪聲能量（E0）的1.75倍，相對噪聲能量比（Em/E0）也低于通常認為會發生空化初生的判別值2.0。

2.3.2 豎井與進口連接段及環形摻氣坎附近（N-02測點）水流空化特性

1） 不同泄流工況下，豎井與進口連接段外側邊墻N-02測點在高頻段的最大聲壓級增量處于4.1 dB～4.7 dB之間，均略小于非摻氣水流空化初生判別標準的臨界下限值5.0 dB；校核工況下，N-02測點在相似真空度時的水流噪聲能量與背景噪聲能量的相對比值（Em/E0）為1.92，也低于空化初生的臨界值2.0；

2）不同泄流工況下，豎井與進口連接段內側處于溢流跌坎后的摻氣空腔范圍；溢流水舌與豎井交匯的角度較小，未對豎井外側井壁形成較強的沖擊現象，表面旋滾穩定，并具有一定卷吸氣體的摻混作用，且環形摻氣挑坎收縮來流，對井壁也起到一定的增壓作用，肉眼觀測連接段井壁沒有出現水流分離及空化云現象，結合水流噪聲結果可以判斷，豎井與進口連接段及環形摻氣坎附近也沒有發生空化水流。

2.3.3 豎井段（N-03測點）附近水流空化特性

1）不同泄流工況下，豎井段N-03測點在高頻段的最大聲壓級增量處于4.0 dB～4.6 dB，均小于非摻氣水流空化初生判別標準的臨界值；校核工況下，N-03測點在相似真空度時的水流噪聲能量與背景噪聲能量的相對比值（Em/E0）為1.72，也低于空化初生的臨界判別值；

2）不同泄流工況下，豎井環形摻氣坎后四周空腔均較長，內側摻氣空腔與溢流堰跌坎后空腔貫通一體，通氣順暢，目測豎井內為摻氣充分的下泄水體，豎井下部及收縮段洞壁均為較大的正壓；不同泄流工況下實測水流噪聲均處于水流空化初生判別標準范圍內，綜合水流流態、壓力及噪聲結果可以判斷，豎井段水流不至發生空化。

2.3.4 起旋室（N-04測點）附近水流空化特性

1）在泄量分別為設計和校核水位的運行條件下，起旋室N-04測點在高頻段的最大聲壓級增量分別為4.1 dB和4.3 dB，均小于臨界值5.0 dB；

2）校核工況下，隨著真空度的增大，起旋室N-04測點實測水流噪聲能量的增長緩慢，噪聲能量沒有出現明顯的突變，在相似真空度時實測水流噪聲能量僅為背景噪聲能量的1.37倍（Em/E0=1.37），遠低于空化初生的臨界判別值2.0；

3）不同泄流工況下，豎井下泄水流經起旋室均形成穩定的空腔旋轉流，起旋室上游洞壁設置通氣孔和旋流空腔正常連通，通氣順暢；在高速旋轉水流離心力作用下，起旋室洞壁壓力大幅度升高；另一方面，導流坎與旋流洞連接部位采用削坡處理，同時起旋室與旋流洞采用收縮連接方式，避免了體型連接段出現負壓；且豎井來流摻氣充分，對起旋室過流邊界能起到較好摻氣保護作用，目測起旋室各關鍵體型部位沒有發現水流分離及空化云現象，實測水流噪聲均處于水流空化初生判別標準范圍內，表明起旋室段也不至發生空化水流。

圖2 常遇洪水流量：303 m3/s

圖3 設計水位：H=2509.13 m

圖4 校核水位：H=2510.77 m

3 結論

（1）不同特征泄流工況下，進口與豎井連接段及豎井段水流噪聲的聲壓級增量及相對噪聲能量均低于初生空化的臨界判別值，進口溢流水舌與豎井銜接良好，環形摻氣設施運行正常，豎井段水流摻氣充分，豎井連接段、環形摻氣坎及豎井段均不至發生水流空化。

（2）不同特征泄流工況下，起旋室段實測水流噪聲在高頻段的最大聲壓級增量小于4.5 dB，校核工況下水流噪聲相對能量比值僅為1.37，豎井來流經起旋室能形成穩定的空腔旋流，通氣順暢。在導流坎采用尾部削坡以及起旋室與旋流洞收縮連接的體型設計下，有效避免了銜接部位出現負壓，也沒有出現水流邊界分離及空化云現象，邊壁水流摻氣明顯，減壓試驗結果表明起旋室具有較好的抗空化性能。