設(shè)有摻氣分流墩的溢流表孔優(yōu)化試驗

陳文輝，南軍虎，陳 晴

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，蘭州 730000；2.蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050；3. 北京國電水利水電工程有限公司，北京 100024)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，大規(guī)模水電開發(fā)已經(jīng)成為我國解決能源問題的一個重要途徑，然而，高山峽谷處河道相對狹窄，在這種地形條件下建壩，建筑物的布置上通常存在困難，如何避免各表孔水流直接傾砸岸坡和在空中的對撞，并在狹窄的空間內(nèi)歸槽成為首要問題，同時，空蝕、霧化、下游河床及岸坡沖刷等高速水流問題也值得廣泛關(guān)注。

郭紅民等[1]采用數(shù)值模擬的方式對比了溢流表孔多種優(yōu)化消能方案，通過增大挑流反弧半徑、優(yōu)化鼻坎挑角改善出口水流流態(tài)；秦根泉等[2]通過模型試驗從泄流能力和堰面動水壓力等方面驗證了表孔溢流堰體型改進設(shè)計的合理性；張春滿等[3]研究了表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪消能方式，表、深孔不發(fā)生空中碰撞，較好地解決了工程中大流量、窄河谷的泄洪消能防沖難題。研究表明[4-6]，強迫摻氣有助于減少和防止高速水流泄水建筑物過流壁面上發(fā)生空蝕破壞，廣泛應(yīng)用在各類高水頭建筑物上。基于此，結(jié)合具有河道狹窄、單寬流量大、下游岸坡地質(zhì)條件差等特點的亞碧羅水電站，采用試驗研究的方法，通過優(yōu)化其整體布局和表孔的挑流型式，并進一步驗證通氣孔的通風特性、壓強特性等水力參數(shù)，具有重要的工程意義，成果可為同類工程的設(shè)計提供參考。

1 工程簡介和試驗工況

亞碧羅水電站主要建筑物由重力壩、4個溢流表孔、2個泄洪排沙底孔及地下廠房等組成。其正常蓄水位為1 079 m，壩高為165.00 m。原方案中4個溢流表孔(圖1)整體上分高、低兩層次布置，1號和3號表孔為高位表孔，2號和4號表孔為低位表孔，寬度均為14 m，由開敞式溢流堰、直線段、反弧段及挑流設(shè)施組成，其中堰頂高程1 058.00 m，單孔最大設(shè)計泄流量為3 001 m3/s。該工程具有作用水頭高、河道狹窄、單寬流量大、下游岸坡地質(zhì)條件差等特點，且表孔反弧段后水流流速大，空化空蝕問題值得關(guān)注。

模型按重力相似準則設(shè)計，采用有機玻璃制作，比尺分別為1∶50(單體)和1∶100(整體)，試驗工況見表1。試驗中流速采用畢托管量測，時均壓強采用測壓管量測，脈動壓強采用壓力傳感器和DJ800多功能水工數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)量測，水面線采用水準儀標定，通氣孔風速采用熱球式風速量測。

圖1 表孔總體布置(單位：m)Fig.1 General arrangement of spillway surface orifice

表1 試驗工況Tab.1 Experimental condition

2 整體布置優(yōu)化

原方案中4個表孔出口挑流型式均為曲面貼角窄縫式鼻坎，并在末端設(shè)跌坎式摻氣設(shè)施。結(jié)果表明，由于挑流鼻坎尺寸相同，盡管表孔整體上分高低兩層次布置，但水流縱向拉伸不夠充分，挑射水流的落點集中在下游河道160 m長度范圍內(nèi)且挑射水流上部水冠較為離散，水流傾砸岸坡，不僅影響下游錯落體的穩(wěn)定，也引起較為嚴重的霧化(圖2)。因此，需從整體布局上解決挑射水流落點集中的問題，并需從細部上優(yōu)化出口段水流流態(tài)；同時水舌下沿的落點位于曲面貼角下部的跌坎內(nèi)，無法形成有效的摻氣空腔，使得通氣孔通氣不暢；此外，低位表孔反弧段的作用水頭在各工況下介于65.41～83.47 m間，在正常蓄水位工況下水流流速達40 m/s以上，故反弧段的摻氣減蝕技術(shù)值得進一步研究。針對上述問題，結(jié)合1∶100和1∶50模型試驗研究，對整體的布置進行了如下優(yōu)化：

圖2 原方案流態(tài)Fig.2 Flow pattern of original scheme

(1)將高、低位表孔出口段的曲面貼角窄縫式鼻坎分別優(yōu)化為窄縫式挑坎和摻氣分流墩，使高位表孔出口水流縱向拉伸，低位表孔出口水流橫向擴散。試驗表明，這種布置不僅分散了挑射水流落點，而且節(jié)省了消能空間，有效解決了河道狹窄對總體布置帶來的困難(圖3，工況6)。

圖3 優(yōu)化后的整體流態(tài)圖Fig.3 Optimized overall flow pattern

(2)根據(jù)已有的研究成果[7,8]，從經(jīng)濟及安全角度出發(fā)，經(jīng)過系列試驗研究后確定在陡坡直線段樁號下0+055.950 m處設(shè)置一道摻氣設(shè)施，其中挑坎高度0.85 m，跌坎高度0.8 m。

3 低位表孔分流墩優(yōu)化

低位表孔出口段挑流型式共進行了三種分流墩的試驗研究：四面體分流墩、萁舌形分流墩、四面體優(yōu)化墩(圖4)。上游水位1 079.00 m時三種型式分流墩的相關(guān)水力參數(shù)如表2所示，橫向擴散流態(tài)如圖5所示。由圖5(a)可知，在低水位工況下，由于泄槽內(nèi)水層較薄且橫向擴散，挑射水流在尚未到達四面體分流墩頂部時已被對稱分開，挑射水流不連續(xù)，存在產(chǎn)生霧化的可能；由圖5(b)可知，萁舌形分流墩的流線型設(shè)計保證了挑射水流的連續(xù)性，但其體型較為復(fù)雜，且其末端出現(xiàn)較小負壓，存在一定的安全隱患；四面體優(yōu)化墩結(jié)構(gòu)簡單，保證了挑射水流的連續(xù)性且橫向擴散充分[圖5(c)]，壁面壓力較大，水流歸槽情況良好，無傾砸岸坡現(xiàn)象，高位表孔出口段導(dǎo)墻不會阻礙其橫向出流，很好地解決了低位表孔的挑流問題[8]。

圖4 分流墩體型圖(單位：m)Fig.4 The body figure of diversion pier

分流墩體型最大挑距/m擴散寬度/m挑射水舌最高點/m最小壓力/m四面體133.046.0995.661.34萁舌形150.045.01 002.97-0.54四面體優(yōu)化墩125.037.5998.054.86

圖5 水流流態(tài)比較圖Fig.5 Comparison of flow pattern

4 其他水力參數(shù)

4.1 空腔長度及通風量

閘門開啟后，上游水庫及進口段水位平穩(wěn)，水流繞過收縮圓弧后，靠近側(cè)墻邊壁水流呈“V”型溝狀，堰頂水面較上游水庫水位低。門槽處存在未貫穿的立柱漩渦，高度約為門槽處水深的一半。陡坡直線段水流平穩(wěn)，在表孔直線段末端設(shè)置摻氣挑坎及跌坎后，水流強迫摻氣，空腔形態(tài)、空腔長度及通風量分別如圖6和表3所示。空腔長度隨上游水位的增大而減小，在試驗工況下其值介于15～19.5 m之間。由于空腔長度較大，摻氣坎挑射水流落點位于反弧段內(nèi)，從而不可避免地在挑射水流落點處的空腔內(nèi)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，回水長度介于8.0～12.0 m之間，但各工況通氣孔通風，單個通氣孔的最小通風量22.48 m3/s，總通風量介于46.21 ～57.46 m3/s之間。

圖6 空腔形態(tài)Fig.6 Cavity morphology

上游水位/m空腔長度/m回水長度/m左岸通風量/(m3·s-1)右岸通風量/(m3·s-1)總通風量/(m3·s-1)1 070.00 19.5 8.0 24.9822.4847.461 072.49 18.0 8.5 28.7328.7357.461 076.49 17.0 10.0 26.2323.7349.961 079.0016.0 11.0 24.3523.7348.081 080.06 15.0 12.0 23.7322.4846.21

4.2 壓強特性

各工況閘門全開時，進口段堰頂以前部分曲線段未產(chǎn)生負壓，由于流速逐漸增大，堰面壓強沿程呈降低趨勢，溢流壩段壁面壓強無突變。規(guī)范規(guī)定[9]：對于常遇洪水位閘門全開情況，堰頂附近負壓值不得大于0.03 MPa，對于校核洪水位閘門全開情況，堰頂附近負壓不得大于0.06 MPa。研究表明，僅在上游水位為1 080.06 m時(校核水位)堰頂附近出現(xiàn)負壓，其值約為-1.27 kPa，滿足規(guī)范規(guī)定，因此堰面曲線選用合理。

表孔直線段各測點壓強均為正壓，通氣孔下游空腔中最大負壓值為-13.52 kPa，規(guī)范規(guī)定[9]：空腔壓強以保證空腔順利進氣為原則，可在-2～-14 kPa之間選取，因此滿足設(shè)計要求。表孔反弧段壓強變化符合自由表面凹曲面上水流的壓強分布規(guī)律，即反弧段中部壁面壓強大于上下切點處的壁面壓強，且隨著上游水位的升高、單寬流量的增大，反弧段壓強逐漸從多峰型向單峰型轉(zhuǎn)變；此段壁面壓強未出現(xiàn)負壓，壓強最小值為6.52 kPa。出口段由于分流墩的阻水作用，壁面壓強在分流墩前端最大，隨后呈減小趨勢，在分流墩末端最小且均為正值。

脈動壓強均方根沿程變化曲線如圖7所示，特征點上的脈動壓強系數(shù)(脈動壓強系數(shù)=脈動壓強/時均壓強)和優(yōu)勢頻率如表4所示，其特性可概括如下：

圖7 脈動壓強均方根沿程變化曲線Fig.7 Root mean square variations of of fluctuating pressure

(1)水頭高、泄量大、水流紊動劇烈，脈動壓強亦大。堰面曲線段水流穩(wěn)定，脈動壓強相對較小，水流脈動壓強在摻氣坎下部水舌落點處最大，隨后沿程逐漸減小。

(2)除個別點之外，多數(shù)測點脈動壓強的優(yōu)勢頻率在0.033～0.201 Hz范圍內(nèi)變化，屬低頻，遠小于建筑物的固有頻率。

(3)計算后可知脈動壓強系數(shù)變化范圍為0.07～0.16。

表4 優(yōu)勢頻率Tab.4 Dominant frequency

(4)分析樣本的統(tǒng)計特征值，各測點的脈動壓力都近似正態(tài)分布。

4.3 水流空化數(shù)

水力學中常用水流空化數(shù)σ來衡量泄水建筑物各部位水流的空化特性，亞碧羅水電站中溢流表孔的水流空化數(shù)σ沿程變化曲線如圖8所示。可以看出水流空化數(shù)沿程呈現(xiàn)先減小然后增大隨后又減小的趨勢，其中在堰頂處和反弧中部最大，在摻氣坎下游空腔內(nèi)和挑坎段相對較小。流態(tài)研究表明，摻氣坎保護范圍一直到出口末端，摻氣坎下游到表孔挑坎末端泄槽近壁面水流為乳白色的水氣混合物。但由于局部部位水流空化數(shù)較小，最小值為0.15左右、且挑坎末端最大流速接近于39 m/s，結(jié)合溢流堰面和反弧段空化空蝕的研究成果[10]，在施工時須控制上述部位施工的不平整度、采用抗沖耐磨材料，并改善運行工況，控制閘門小開度局開運行。

圖8 水流空化數(shù)沿程變化曲線Fig.8 Variations of flow cavitation number

5 結(jié) 語

采用試驗研究的方法優(yōu)化了亞碧羅水電站溢流表孔的總體布置，研究了設(shè)有摻氣分流墩的低位表孔的水力特性，主要結(jié)論如下。

(1)高位表孔出口水流縱向拉伸，低位表孔出口水流橫向擴散，使得挑射水流的落點分散，從整體布局上解決挑射水流落點集中的問題。

(2)溢流表孔出口段采用的四面體優(yōu)化分流墩結(jié)構(gòu)簡單，壁面壓力大，不僅保證了挑射水流的連續(xù)性和整體性，而且橫向擴散充分，水流歸槽情況良好。

(3)溢流表孔直線段末端(下0+055.950 m)設(shè)置摻氣設(shè)施時，通氣孔總通風量介于46.21～57.46 m3/s之間，摻氣保護范圍包括反弧段及出口段。

(4)反弧段壓強變化符合自由表面凹曲面上水流的壓強分布規(guī)律，脈動壓強的優(yōu)勢頻率在0.033～0.201 Hz之間變化；脈動壓強系數(shù)變化范圍為0.07～0.16，且各測點的脈動壓力都近似正態(tài)分布。

(5)由于局部部位水流空化數(shù)較小，且流速較大，必須嚴格控制該部位施工的不平整度、采用抗沖耐磨材料，并改善運行工況。