“龍抬頭”泄洪洞高速水流摻氣減蝕研究

詹雙橋，楊志明，鄭 洪

(湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007)

高流速、大流量、水流條件復雜的水工隧洞，當過水邊界遇有突變、突體、陡坎及斷面急驟變化時，極易發生空蝕現象，國內外泄洪洞因高速水流引發空蝕破壞的案例較多。有關研究成果表明，采用適當的摻氣措施是減免高速水流出現空化與空蝕破壞最有效的技術手段，但由于高流速泄洪洞水流條件非常復雜，難以通過工程類比和計算分析直接確定所有設計參數或工程措施，包括如何合理確定高流速泄洪洞摻氣設施布置、體型、數量、摻氣濃度、抗蝕材料、過流面平整度控制標準等。涔天河水庫工程2#泄洪洞通過減壓模型試驗、理論計算分析、工程運用調研等手段開展了摻氣減蝕措施的研究。

1 工程概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游。工程以灌溉、防洪、下游補水和發電為主，兼顧航運，水庫總庫容15.1億m3，正常蓄水位313m。為Ⅰ等大(一)型水利水電樞紐工程。

工程采用兩條高低布置的無壓流泄洪隧洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞兼顧導流，采用“龍抬頭”布置形式，緩坡段縱坡2%，龍抬頭段與緩坡段采用反弧相接，洞身全長770m，緩坡段洞身斷面尺寸12m×12.5m(寬×高)，龍抬頭段洞身尺寸由18m×14.2m漸變至12m×12.5m。2#泄洪洞主要特征頻率下泄流量見表1，最大下泄流量2878m3/s，最大流速36.7m/s。

2 空化試驗研究

2.1 空化研究原理

水流空化是氣泡從發生、發展到潰滅，反復的、隨機的、循環過程所表現出來的總體現象。空化時會產生寬頻帶隨機噪聲信號，空化噪聲信號是空化時聲能的隨機脈沖輻射，空化的不同強度階段伴隨有不同的噪聲輻射能，且不同空化類型所體現的噪聲量級和頻域不同。因此，根據空化噪聲的這些特點，運用聲學原理測量方法，可有效地進行水流空化問題的研究分析。

表1 2#泄洪洞不同頻率的泄洪流量

水流中的噪聲信號經過分析處理后獲得噪聲聲壓譜級(SPL)，定義聲譜級差值ΔSPL=SPLf-SPL0，其中SPLf為相似氣壓條件下模型水流中的噪聲譜級，而SPL0則為參考背景條件下模型水流中相應的噪聲譜級。據總結多年來原型、模型空化問題的研究成果，有如下空化強弱經驗判別式：

圖1 測點布置圖

ΔSPL<5dB 無空化

ΔSPL≈5～10dB 空化初生階段

ΔSPL>10dB 空化發展階段

按上式譜級差ΔSPL值的量級可用來衡量空化強度，產生空化的類型與ΔSPL值分布的頻域特性有關。中外學者通過對空化機制和空化噪聲的研究發現：空化的聲能輻射有低頻的空泡振蕩分量和高頻的尖脈沖分量，對于含氣型空化(空泡內氣體含量較高)，空化的噪聲貢獻主頻一般分布在80～63kHz及以下的中低頻段；而以含汽為主則為蒸汽型空化(液體汽化、空泡“爆炸”性地崩潰而形成的空化)，空化的噪聲貢獻可分布于80～200kHz及以上的高頻段，據此可判斷空化類型。

有關研究成果及工程運行經驗表明，含氣型空化基本不具備空蝕破壞力，而蒸汽型空化達到一定的強度具有空蝕破壞力，是工程上極為關注的一種空化。

2.2 減壓模型

2.2.1模型設計

模型按重力相似準則設計，采用1/40正態局部模型。模型布置在工作寬度和高度分別為0.80m和3.50m、試驗段總長度16.0m的減壓箱中，流量、壓力(水柱)和糙率比尺分別為Qr=10119.3、Pr=40、nr=1.85。

減壓模型滿足幾何相似、水流運動相似、動力相似及空化相似(空化數相等)，空化相似通過減壓箱控制相似真空度來實現，模型水面控制的相似氣壓為：

pa=(Pa-Pv)/Lr+pv

(1)

式中,Pa、pa—分別為原型、模型水面的大氣壓力,Pa；Pv、pv—分別為原型、模型水流相應水溫下的汽化壓力，Pa；Lr—模型長度比尺。

2.2.2測點布置

試驗在進口側緣、檢修門槽區域及泄洪洞底板(中心線)布置了時均壓力測點進行壓力測試。同時在檢修門槽下游近區、WES堰面以及漸變段起始斷面和漸變段結束斷面這幾個區域布置水下噪聲傳感器接收空化噪聲信息。測點具體布置如圖1所示。

2.3 試驗成果

本模型共布置了5個水下噪聲測點，試驗測得的校核洪水位、設計洪水位、防洪高水位和正常蓄水位四工況下有關部位水下噪聲譜級。根據水下噪聲譜級圖可求得80～200kHz高頻段最大譜級差值ΔSPLmax，校核洪水位及設計洪水位工況各部位高頻段最大譜級差值列于表2。

表2 宣泄校核及設計洪水時泄洪洞各部位高頻段最大譜級差值

表3 宣泄校核洪水時泄洪洞典型斷面水流空化數σ

注：P為斷面測點壓力；v為斷面平均流速。

由圖1、表2可知，低于設計洪水位運行，檢修門槽區域、泄洪洞WES堰面及洞身漸變段起點區域80～200kHz高頻段最大譜級差值ΔSPLmax小于5dB，表明上述區域水流不會發生蒸汽型空化，校核洪水位下堰頂前部區域出現80～200kHz高頻段最大譜級差值ΔSPLmax大于5dB但小于10dB的空化噪聲，表明水流在該區域已發生初生階段空化，但不會出現空蝕破壞。

設計洪水位及校核水位下運行，洞身漸變段終點(緩坡段起點)區域出現80～200kHz高頻段最大譜級差值ΔSPLmax大于5dB但小于10dB的空化噪聲，表明水流在該區域已發生初生階段空化。

2.4 減蝕措施

根據試驗數據，計算了校核洪水位條件下泄洪洞堰面和洞身壓力較低或流速較高的五個斷面的水流空化數列于表3。

從表3可知，漸變段末端試驗流速超過35m/s，其后緩坡段水流空化數σ<0.3，該處需設置摻氣坎。龍抬頭下游緩坡段水面沿程壅高，流速逐漸減小，漸變段末端下游180m處最大流速降低至33m/s以下。

緩坡段縱坡2%，工程經驗表明，較小底坡情況下若摻氣坎體型設置不當，起不到摻氣效果時，回水淹沒摻氣槽，摻氣坎本身可能成為空化源，進而會威脅泄洪洞的安全運行，因此2#泄洪洞僅在龍抬頭末端設置一道摻氣坎，對緩坡段上游出現空化可能性較大的部位進行摻氣保護，并加強緩坡段過流表面平整度控制以降低空蝕破壞風險。

3 摻氣形式選擇

前期設計中，2#泄洪洞沿線共設置9道摻氣坎，通過試驗研究及工程運用調研，僅保留龍抬頭末端一道摻氣坎。摻氣設施布置及體型根據工程經驗并結合本工程實際擬定，通過模型試驗驗證效果后確定最優方案。

2%緩坡段是由原導流洞改建，洞身尺度已定，為避免摻氣設施對水流產生過大的擾動，過分的抬高坎后水面線，過多增加工程擴挖量，摻氣設施首先考慮通過調整泄洪洞反弧段(漸變段)底板圓弧半徑，在漸變段與緩坡段銜接處(樁號0+086.05)自然形成一個跌坎，進行摻氣。

3.1 體型Ⅰ

將泄洪洞反弧段(漸變段)底板圓弧半徑由R=100m修改為R=103.88m，使得在漸變段與緩坡段銜接處(0+086.048m斷面)形成一個1.5m高跌坎，坎下洞身兩側壁各設置一個1.5m×1.0m(長×高)的通氣孔，摻氣坎及通氣孔局部尺寸如圖2所示，摻氣坎區域流態如圖3所示，圖中尺寸單位為m。

圖2 體型Ⅰ摻氣坎及通氣孔型式

試驗表明，體型Ⅰ摻氣坎可在射流水舌落點后形成覆蓋洞身底板的近100m穩定摻氣水流帶，但坎后射流水舌下未形成穩定空腔，為使工程更加安全可靠，對摻氣坎體型進行修改。首先考慮保持龍抬頭反弧段底板圓弧半徑與體型Ⅰ相同，僅對摻氣坎局部體型進行修改解決摻氣空腔問題。

3.2 體型Ⅰ- 1

2%的緩坡使得水舌與底板夾角較大，導致較強烈的水流反向旋滾，因此在水舌落點區域設置一貼坡，使該區域底板坡度變為7.2%，目的就是減小入射水流與底板的夾角。體型Ⅰ- 1的布置型式如圖4所示，摻氣坎區域流態如圖5所示，圖中尺寸單位為m。

試驗結果表明，體型Ⅰ- 1優于體型Ⅰ，顯然使水舌盡量多的落在較陡的貼坡上有利于空腔的形成。但體型Ⅰ- 1摻氣坎在高于設計水位運行時水舌下仍不能出現穩定空腔，因此嘗試繼續調整摻氣坎形式解決回水及摻氣空腔的問題。

圖3 體型Ⅰ摻氣坎區域流態示意(校核洪水位)

圖5 體型Ⅰ- 1摻氣坎區域流態示意

圖4 體型Ⅰ- 1布置型式

3.3 體型Ⅱ

根據上述研究確定摻氣坎體型進一步修改思路：①1.5m高跌坎+坎后貼坡(0.8m高、坡度為7.2%)的摻氣坎體型無法使所有水位下均形成穩定空腔，因此需將跌坎高度以及貼坡高度適當提高，并適當加大斜坡坡度。②對于在2%的緩坡上設置摻氣坎，在坎后加設貼坡使水舌落點落在坡度較陡的貼坡上，有利于空腔的形成，但也帶來通氣孔進水不易排干的問題，因此體型Ⅱ將通氣孔抬高，使通氣孔高于貼坡頂，解決通氣孔被水淹沒的問題。③根據設計規范要求最大通氣風速應小于60m/s，按單寬14m3摻氣量估算，通氣孔面積應大于2×1.4m2。為避免過多增加坎高，盡量減小通氣孔孔高，取孔高為0.8m，則寬度應大于1.75m。

綜合考慮上述因素，體型Ⅱ采用2.0m跌坎+坎后約1.0m高平臺+坡度較陡斜坡與2%緩坡銜接的混合式摻氣坎型式。

修改泄洪洞反弧段(即漸變段)底板圓弧半徑，由原設計R=100m修改為R=105.17m，使得在漸變段與緩坡段銜接處(0+086.048m斷面)形成一個2.0m高跌坎，坎下洞身兩側壁各設置一個1.9m×0.8m(長×高)的通氣孔，通氣孔布置在高度為1.0m左右的平臺上，平臺高程為236.779m，平臺長度經過試驗確定為8.0m，平臺后與原導流洞2%的緩坡相接的斜坡坡度經試驗確定為10.3%，10.3%斜坡與2%緩坡交匯處采用R=18.461m的圓弧順滑銜接，以避免該處出現水流空化。此摻氣坎體型簡稱為體型Ⅱ。

2#泄洪洞設置體型Ⅱ摻氣坎摻氣坎及通氣孔局部尺寸如圖6所示，摻氣坎區域流態如圖7所示。

試驗觀測了庫水位為正常蓄水位、防洪高水位、設計洪水位及校核洪水位時泄洪洞泄流流態。各水位條件下摻氣坎區域流態如圖7所示。

試驗資料表明，體型Ⅱ各級水位下跌坎后的射流水舌下均能形成穩定的空腔，并且空腔尺度較大；坎后底部水流摻氣情況良好，可觀察到覆蓋洞底板的霧狀摻氣水流帶延伸至坎下射流落點后約100m范圍以上。

圖6 體型Ⅱ摻氣坎及通氣孔布置型式(單位：m)

圖7 體型Ⅱ摻氣坎區域流態示意(單位：m)

4 平整度控制

控制高速水流泄洪洞過流面平整度是減少空蝕破壞的有效途徑之一，國內外對過流面平整度控制尚無統一的標準，大多是根據不同的流速提出相應的凸起高度和坡度控制標準。本工程通過工程運用調研，提出了如下控制標準：不平整部位高差控制在3mm以內，凸起進行打磨，縱向坡度控制在1∶40，橫向坡度控制在1∶30。

5 結論

(1)不設摻氣坎時，2#泄洪洞在設計洪水位及以下水位運行時，泄洪洞檢修門槽區以及表孔堰面和洞身漸變段出口區域均未有蒸汽型空化發生；校核洪水位下運行時，堰頂前部及洞身漸變段終點(緩坡段起點)該區域發生初生階段空化，但不會出現空蝕破壞。

(2)2#泄洪洞在校核洪水位下運行時，漸變段末端流速超過35m/s，其后緩坡段有小于0.3的水流空化數出現，該處需設置摻氣坎，并注意在施工中控制洞身的不平整度。經過試驗優化，在漸變段末端設置體型Ⅱ摻氣跌坎，各級水位下跌坎后的射流水舌下均能形成穩定的空腔，坎后底部水流摻氣情況良好。

(3)通過研究，涔天河水庫工程2#泄洪洞減少了摻氣坎數量，優化了摻氣坎布置，選擇了與“龍抬頭”布置相適應的摻氣坎體型，簡化了襯砌施工工藝，加快了施工進度，保證了工程質量。