挑坎摻氣在岔河水庫溢洪道中的應用研究

余遠浩，邱勇，李鑫，周鑫宇，劉云韓

(云南農業大學 水利學院，云南昆明650201)

泄水建筑物高速水流所引起的空化問題對其過流表面的破壞極其嚴重，不僅影響泄水建筑物的泄流能力，甚至會引起泄水建筑物震動，導致工程破壞。應用強迫摻氣降低空穴數以預防和減輕空蝕破壞在國內外已經得到了廣泛應用[1-3]。依托岔河水庫溢洪道，基于一定來流條件，在連接上下游泄水陡槽的拋物線段前后增設挑坎，對比分析不摻氣和強迫摻氣情況下坎后及下游泄槽空穴數和水流流態變化，對已建工程的運行及管理具有很好的參考價值。

1 工程概況

岔河水庫位于云南省臨滄市云縣涌寶鎮浪壩山村，距縣城72 km。水庫坐落在瀾滄江流域右岸一級支流拿魚河上，主要承擔農業灌溉及農村人畜飲水。水庫控制徑流面積145 km2，總庫容4 906.20萬m3。水庫校核洪水位(P=0.1%)1 823.220 m，相應下泄流量160.00 m3/s；設計洪水位(P=2%)1821.130 m，相應下泄流量76.40 m3/s；消能防沖水位(P=3.33%)1 820.560 m，相應下泄流量63.80 m3/s。水庫樞紐部分由攔河壩、溢洪道、導流輸水放空隧洞組成。溢洪道布置于左岸靠近壩肩，由進水明渠段、有閘控制段、收縮段、泄槽段(第一泄槽段、第二泄槽段)、出口底流消能段以及護坦段組成，全長410.00 m。

第一泄槽段(溢0+107.645～溢0+285.286)底坡1∶11.4，第二泄槽段(溢0+305.286～溢0+397.416)底坡1∶1.5，泄槽出口為擴散段(溢0+377.420～溢0+397.416)，后接消力池(溢0+397.416～溢0+435.416)以及尾水渠(溢0+435.416～溢0+465.416)。第一泄槽段和第二泄槽段采用拋物線段(溢0+285.286～溢0+305.286)銜接，拋物線段長21.00 m，見圖1。

2 原設計體型存在的問題

2.1 測點布置

為便于描述泄槽拋物線段上下游水流變化情況，在拋物線及下游泄槽布置4個測點：測點1位于拋物線起始端(溢0+285.286)，測點2位于拋物線末端(溢0+305.286)，測點3位于拋物線末端和擴散段起始端的中間(溢0+338.547)，測點4布置于擴散段起始端(溢0+377.420)，見圖2。

2.2 試驗成果分析

通過模型試驗，得到溢洪道原設計體型在特征流量下，拋物線段及下游泄槽段測點水力特性見表1。

表1 原體型設計泄槽段水力特性值

從表1可以看出，校核流量(Q=160.00 m3/s)情況下，拋物線下游泄槽擴散段起始位置(溢0+377.420)4號測點處并未出現負壓，但空穴數僅為0.24，已經小于0.30。分析其原因，在于溢洪道下泄水體流經拋物線段時，主流呈明顯的“V”型向心集中水股，呈拋射狀跌落下游泄槽，軸線位置水深明顯大于左右兩側邊墻，橫斷面流速分布不均。

溢洪道下泄設計洪水(Q=76.40 m3/s)及消能防沖洪水(Q=63.80 m3/s)時，拋物線末端(溢0+305.286)2號測點處均出現負壓，但空穴數大于0.30；擴散段起始位置(溢0+377.420)4號測點斷面空穴數回升。其原因在于，流量減小，拋物線段主流向心集中不明顯，水流流態改善，水體橫斷面水深分布較為均勻。

3 挑坎摻氣試驗研究

3.1 挑坎體型及布置

針對溢洪道原設計體型，考慮在拋物線段上游側和下游側泄槽分別布置直線型摻氣挑坎見表2，固定挑角θ=5°，坎高Δ分別考慮0.40 m(方案一)、0.80 m(方案二)和1.20 m(方案三)，并在挑坎下游側近底板處設置半徑R=0.20 m的圓形摻氣孔。

表2 摻氣挑坎體型尺寸

上游側挑坎末端位于第一泄槽段與拋物線相切的位置(溢0+285.286)，下游側挑坎位于里程溢0+305.286處見圖3。

3.2 挑坎布置對下游泄槽水流流態的影響

挑坎布置于拋物線段下游側時見圖4，校核流量情況下，跌落狀“V”型向心水股流經凸起的挑坎，流態進一步惡化，幾呈分股狀出射，水舌最高可達2.50 m，股狀水流和空氣混摻明顯，摻氣水流跌落底板后，由于彈射形成散水(散水高度最高可達3.00 m)，里程溢0+338.547處(3號測點)橫斷面水深分布極不均勻，下游泄槽段水流流態惡化加劇。

挑坎布置于拋物線段上游側，凸起的挑坎對第一泄槽段的來流部分起到調整作用，流經拋物線段的水流流態得到一定程度上的改善，出射水流未見分股，散水現象[1,4-5]不明顯，相對于挑坎布置于拋物線段下游，泄槽水流流態相對平順。

3.3 挑坎體型對空穴數的影響

3.3.1未摻氣條件下泄槽下游水力特性

根據試驗測試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.40 m)位于泄槽拋物線段上游側未摻氣時的水力特性見表3。

從表3可以看出，相同流量下，拋物線段下游泄槽流速均出現不同程度的下降，拋物線段壓強值減小，但其下游泄槽壓強出現回升。其中：拋物線起始位置(溢0+285.286)1號測點處射流空腔內被回水充滿，但呈負壓狀態，空穴數盡管下降，仍大于0.3；拋物線末端(溢0+305.286)2號測點壓強變化不明顯，但空穴數增大；4號測點(溢0+377.420)壓強增加，空穴數提高。特別地，Q=160.00 m3/s時，4號測點處流速下降至24.16 m/s，空穴數由0.24增加到0.30；Q=76.40 m3/s時，4號測點處壓強由0.043 kPa上升到0.263 kPa，空穴數上升到0.35。

表3 未摻氣條件下挑坎Δ=0.40 m(方案一)測點水力特性

結合流態分析，拋物線段上游側布置挑坎(Δ=0.40 m)，校核流量情況下，下泄水體挑射不明顯，坎后射流空腔充滿水體(1號測點呈負壓狀態)。盡管主流仍呈“V”型向心集中水股，但兩側水股落點近于主流跌落位置，在坎后空腔形成反向摻氣水流，并可觀察到反向旋滾氣泡沿水舌底緣向下游流動。拋物線段下游泄槽橫斷面水深分布相對均勻，水流流態總體較為平順，見圖5。

根據試驗測試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.80 m)位于泄槽拋物線段上游側未摻氣時的水力特性見表4。

表4 未摻氣條件下挑坎Δ=0.80 m(方案二)測點水力特性

表4可以看出，坎高增至0.80 m時，相同流量下，拋物線起始位置(溢0+285.286)1號測點處射流空腔內同樣充滿回水，負壓值有所減小，空穴數繼續增大；拋物線末端(溢0+305.286)2號測點處壓強變化不明顯，但空穴數反而降低。

Q=160.00 m3/s，擴散段起始位置(溢0+377.420)4號測點空穴數下降到0.25；Q=76.40 m3/s，4號測點處空穴數由0.35下降到0.29。說明：由于坎高過高(Δ=0.80 m)，對下泄水體的擾動加劇，水流分股明顯，但主流仍呈“V”型水股向心集中，跌落下游，射流空腔內回水加劇，水股摻氣增加，跌落底板的水流彈射明顯，進一步加劇了散水現象，惡化下游水流流態。

3.3.2強迫摻氣條件下泄槽下游水力特性

依據現行規范[6]，為保證挑坎坎后空腔穩定，通常在下游設置摻氣孔，從而實現強迫摻氣。

根據試驗測試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.40 m)位于泄槽拋物線段上游側，摻氣條件下的測點水力特性見表5。

表5可以看出，相同流量下，拋物線起始位置(溢0+285.286)1號測點處射流空腔穩定，相對于未設挑坎，壓強值有所下降，但空穴數增加；拋物線段下游泄槽(4號測點)流速下降、壓強值增大，空穴數也有提高：Q=160.00 m3/s，擴散段起始位置(溢0+377.420)4號測點處流速降至25.30 m/s，空穴數增加到0.27；Q=76.40 m3/s，4號測點處壓強值由0.043 kPa上升到0.085 kPa，空穴數增加到0.32。

表5 摻氣條件下挑坎Δ=0.40 m(方案一)測點水力特性

在挑坎(Δ=0.40 m)后增設摻氣孔，校核流量情況下，可明顯觀察到水舌下部形成穩定的射流空腔，長度達2.80 m，主流呈“V”型向心水股集中的現象較之未設挑坎更為明顯，呈拋射狀跌落下游，主流拋射高度可達2.40 m，而兩側邊墻附近水股挑射高度僅為1.00 m，橫斷面水深分布不均勻，下游泄槽散水現象明顯見圖6。

根據試驗測試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.80 m)位于泄槽拋物線段上游側，摻氣條件下的測點水力特性見表6。

表6可以看出，坎高增至0.80 m，Q=160.00 m3/s時，擴散段起始位置(溢0+377.420)4號測點壓強值和空穴數變化并不明顯；Q=76.40 m3/s時，4號測點壓強值由0.085 kPa上升到0.128 kPa，但空穴數反而下降到0.29。

表6 摻氣條件下挑坎Δ=0.80 m(方案二)測點水力特性

校核流量情況下，水體挑射后水流分股加劇，主流仍呈“V”型向心水股集中，但挑射高度已接近設計邊墻頂部，橫斷面水深分布極不均勻，下游泄槽散水現象更為明顯，流態惡化加劇。

泄槽上游側布置挑坎(Δ=0.40 m)時，不摻氣條件下(表3)，下游泄槽空穴數上升；摻氣孔條件下(表5)，下游泄槽空穴數有所上升，但散水現象加劇下游水流流態紊亂。

此外，不管是否摻氣，當Δ繼續增至1.20 m(方案三)時，測點空穴數未見明顯變化，但挑射水股水舌高度都較大，水流分股嚴重，散水已經超過設計邊墻高度，下游水流流態更趨紊亂。

4 結語

針對岔河水庫溢洪道原設計體型，通過水工模型試驗研究，得出結論：挑坎布置于拋物線段下游側，水流經過挑坎后，散水現象嚴重，流態紊動劇烈；挑坎布置于拋物線段上游時，散水現象不明顯，水流流態相對良好。

對于上游挑坎，坎高Δ=0.40 m，未摻氣條件下，坎后射流空腔內充滿回水，下游泄槽段壓強值增大，空穴數提高；坎高增大至0.80 m，下游泄槽段壓強值出現小幅跳躍，但空穴數有所減小。摻氣條件下(坎高Δ=0.40 m)，坎后形成穩定的射流空腔，下游泄槽段負壓消失，空穴數有所增加；坎高增至0.80 m，下游泄槽段壓強變化不穩定，空穴數減小，但幅度降低。此外，挑坎高度0.40 m,未摻氣時，下游泄槽水流流態相對平順；摻氣條件下，受拋物線段水流流態影響，下游泄槽水流紊動加劇。

綜上所述，對于岔河水庫溢洪道，在未摻氣條件下，拋物線段上游側布置Δ=0.4 m的摻氣挑坎，下游泄槽水流流態相對平順，空穴數提高，可以一定程度上緩解泄槽下游段存在的空化問題。