云南省萬花溪水庫溢洪道防空蝕試驗研究

楊衛甲，岳朝俊，段 寅，張 超

(1.大理白族自治州水利水電勘測設計研究院，云南 大理 671014； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

在水利樞紐工程中，溢洪道作為工程中最常見的泄水建筑物，主要用于宣泄水庫設計庫容不能容納的洪水，防止洪水滿溢壩頂，確保大壩安全[1]。溢洪道在開閘泄水時，當最大流速超過20 m/s時，根據一般工程經驗，此時經過溢洪道的高速水流可能引起局部空化空蝕，導致溢洪道遭受破壞，影響水庫安全運行。常見的抗空蝕措施主要有摻氣減蝕、優化體型、控制溢流表面的不平整度和采用抗空蝕材料等[2]。麥家煊等[3]推薦采用窄縫式挑坎，潘露等[4]在溢洪道挑流鼻坎體型優化試驗基礎上提出了一種新型的內凹折線型斜切挑坎，崔玉柱等[5]在巴基斯坦卡洛特水電站項目中通過計算采用了連續式挑流鼻坎和扭鼻坎兩種形式。

以上研究或側重于試驗研究，或側重于數值計算，未對何種工況下出現空化空蝕進行深入研究。本文通過數值計算并結合水工模型試驗，研究分析溢洪道在下泄高速水流時何種工況下會產生空蝕、可能產生空蝕的位置以及消除空蝕現象的措施。

1 溢洪道布置及運行工況

1.1 溢洪道布置

萬花溪水庫工程地處云南省大理州祥云縣米甸鎮境內楚場河左岸支流金旦河(漁泡江二級支流)下游河段，屬金沙江流域。水庫死水位2 023.4 m，正常蓄水位2 041.83 m，興利庫容851.0萬m3，總庫容1 254.9萬m3，年供水量1 109.8萬m3，設計灌溉面積1 604.33 hm2(2.406 5萬畝)。水庫為Ⅲ等中型工程，設計洪水標準為50 a一遇，校核洪水標準為1 000 a一遇，消能防沖洪水標準為30 a一遇。

萬花溪水庫工程溢洪道布設于主壩左岸坡，為河岸式有閘控制溢洪道，堰頂高程為2 038.33 m，軸線方位134°38′04″，呈直線布置。

萬花溪水庫工程溢洪道全長219.60 m，由進口引渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段、出口擋墻段組成(圖1)。

圖1 溢洪道縱剖面Fig.1 Longitudinal profile of spillway

1.1.1 進水渠段

溢洪道里程SY0-035.20～SY0+000.00段為進水渠段，位于主壩左岸坡。進口段平面布置為“八”字形喇叭口漸變段，采用C20埋石混凝土澆筑，邊墻及底板采用分離式結構。

1.1.2 控制段

控制段位于溢洪道軸線里程SY0+000.00～SY0+015.00段，水平長15.0 m，堰頂高程2 038.33 m，堰型為WES雙圓弧曲線型實用堰，凈寬6.0 m，單孔布置。

1.1.3 泄槽段

溢洪道里程SY0+015.00～SY0+140.00段為泄槽段，長125.0 m，斷面型式為矩形，采用C35鋼筋混凝土襯砌，底寬6.0 m，底坡由i=1/10逐步漸變為i=1/2，底部設尺寸為0.8 m×0.4 m的砂、碎石排水盲溝，側墻頂部設欄桿。

1.1.4 挑流鼻坎段

SY0+140.00～SY0+149.708段，長9.708 m，底寬6.0 m，邊墻凈高為3.2 m，采用C35鋼筋混凝土襯砌，溢洪道的消能方式采用挑流消能，將水流挑至下游河道，挑流鼻坎末端高程為1 988.267 m，反弧半徑R=15.0 m，挑射角φ=0°。

1.1.5 出口擋墻段

SY0+149.708～SY0+184.40段為左岸出口擋墻段，軸線長34.692 m，斜長31.0 m，擋墻采用衡重式擋墻結構，衡重式擋墻總高度為6.0 m，墻頂寬0.6 m，擋墻臨水面鉛垂。

1.2 運行工況

考慮水庫調蓄作用，溢洪道在運行過程中出現的主要工況見表1。

表1 溢洪道運行工況

2 數值計算

SL 253-2018《溢洪道設計規范》附錄A.7 防水流空蝕設計的相關要求如下。

判別發生空化與否應按以下標準：① 當σ≥σi，不發生空化水流，不會產生空蝕；② 當σ≤σi，發生空化水流，可能發生空蝕(其中，σ為水流空化數；σi為初生空化數)。

水流空化數σ可按下式計算：

(1)

(2)

式中：h0為來流參考斷面時均壓力水頭，m；v0為來流參考斷面平均流速，m/s；ha為建筑物所在地區的大氣壓力水柱，m；X為當地的海拔高度，m；hv為水的汽化壓力水柱，m，與水溫度有關，查詢水的汽化壓力水柱與水溫關系表可得。

溢洪道各部分的初生空化數σi與所在部位和體型有關，其中，泄槽段初生空化數σi與泄槽的不平整度關系很大，不平整度越大初生空化數越小，發生空蝕的可能性也就越大[6]。

由于在工況4校核洪水位時，溢洪道流速最大，所以采用該工況下溢洪道下泄流量進行空蝕計算。經計算，可能發生空蝕部位的空化數及初生空化數結果見表2。

表2 溢洪道水流空蝕計算成果

由以上計算成果可知，在泄槽陡坡段(底坡i=1/2)及挑流鼻坎段σ<σi，會出現空化水流，可能發生空蝕，需要采取一定的工程措施，以防發生空蝕現象。

3 模型試驗

在數值計算的基礎上，為進一步研究分析萬花溪水庫溢洪道在高速水流條件下的空蝕現象，還開展了水工模型試驗研究，模型試驗的具體工況與運行工況一致。

3.1 模型設計與制作

模型上下游長度應保證建筑物相應位置上下游流態的相似性，模擬范圍確定為上游模擬至溢洪道引水渠起始樁號以上至少80 m，下游長度應保證溢洪道挑流消能工下游河道彎道之后50 m，以滿足沖坑下游流態的相似性。

模型寬度范圍為上游庫區寬度左岸70 m、右岸50 m高程2 050 m內的地形范圍，下游寬度為高程2 010 m內河道地形范圍。

根據萬花溪水庫工程溢洪道布置和運行特性，試驗模型采用正態模型[7]，按重力相似準則設計，并滿足阻力相似要求。模型幾何比尺λL=30，流速比尺λv=λL0.5=5.477，流量比尺λQ=λL2.5=4 929.5。糙率比尺λn=λL1/6=1.763，由于溢洪道混凝土糙率取n=0.015，對應的水工模型溢洪道的糙率為0.008 5，而有機玻璃的糙率n=0.008～0.010，故采用有機玻璃材料制作模型[8]。

3.2 流速及時均動水壓強

各試驗工況下水庫水面平穩，控制段、泄槽段及其拋物線連接段、挑流鼻坎段水流流態正常，在泄槽陡坡段和挑流鼻坎段流速最大，具體見表3，工況1泄槽陡坡段水流形態見圖2。

表3 各種工況下水流速度

圖2 工況1泄槽陡坡段水流形態Fig.2 Flow state on the steep slope section of the spillway chute

根據水力學原理，空化發生的條件為p≤pv，其中，p為水流中某點的瞬時壓強，pv為水的蒸汽壓強，兩者均采用壓力水柱高度表示，以試驗時水溫20 ℃計，pv=0.24 m。

模型沿軸線共布置30個測壓孔。在各種工況下，除泄槽陡坡段及挑流鼻坎段外，其他部位時均動水壓強實測值P測均未出現負壓，且均大于0.24 m，時均動水壓強值正常，分布合理。泄槽陡坡段(12個測壓孔)及挑流鼻坎段(3個測壓孔)時均動水壓強見表4，5。

由表4，5可知，在工況1條件下，時均動水壓強分別在泄槽陡坡段(0+071.600～0+140.000)段Y25處(0+125.266)、挑流鼻坎段Y28(0+141.374)處出現負值，其他部位均為正值且大于0.24 m，時均動水壓強值正常，壓強分布基本合理。在其他工況條件下，泄槽陡坡段(0+071.600～0+140.000)段及挑流鼻坎段也均為正值且大于0.24 m，時均動水壓強值正常，壓強分布基本合理。由以上分析結果可知，發生空蝕的部位主要是Y25及Y28處(時均動水壓強出現負值)，也就是泄槽陡坡段和挑流鼻坎段。

表4 泄槽陡坡段(0+071.600～0+140.000)段實測時

表5 挑流鼻坎段實測時均動水壓強

3.3 水流空化數

由試驗測得的時均動水壓強可知，溢洪道可能出現空化水流的位置為泄槽陡坡段和挑流鼻坎段，該段水流流速較大，動水壓強數值為負值。根據實測流速及動水壓強計算該區域不同斷面的水流空化數σ，具體結果見表6。SL 253-2018《溢洪道設計規范》4.7.1條中要求水流空化數σ≤0.3的部位應進行防空蝕設計，以此為依據將泄槽陡坡段、挑流鼻坎段水流空化數(表6)與0.3作對比，以判斷是否會出現空化水流，是否需要進行防空蝕設計。

表6 泄槽陡坡段、挑流鼻坎段水流空化數

由水流空化數值可知，在工況1～4條件下，泄槽陡坡段(測壓孔Y25處)水流空化數最小值分別為0.287，0.252，0.256和0.268，均小于0.30，按照SL 253-2018《溢洪道設計規范》4.7.1條中要求“水流空化數σ≤0.3的部位應進行防空蝕設計”并結合該處時均動水壓強數值為負值的情況進行判斷，泄槽陡坡段Y25處(0+125.266)發生空蝕可能性最大，需要采取措施防止空化空蝕。而在工況1～4條件下，Y26(0+130.632)、Y27(0+135.999)、Y28(0+141.374)3處測壓孔處也有水流空化數小于0.30的情況出現，以規范進行判斷，泄槽段末端(Y26、Y27處)挑流鼻坎段(Y28屬于挑流鼻坎段)也需要采取措施防止空化空蝕。

4 工程措施及效果分析

數值計算結果表明，在泄槽陡坡及挑流鼻坎段均可能發生空蝕。在水工模型試驗中，下泄常遇洪水時，泄槽陡坡段及挑流鼻坎段流速較高，達20 m/s級，局部出現了負壓，同時空化數小于0.30，具備產生水流空化氣蝕的條件。數值計算及模型試驗均表明泄槽陡坡段及挑流鼻坎段均可能發生空蝕。為解決可能出現的空蝕問題，根據以往工程經驗并結合萬花溪水庫溢洪道體型，選擇在泄槽陡坡段上部(空化空蝕部位以上)設置摻氣坎[9]。

4.1 工程措施

根據SL 253-2018《溢洪道設計規范》的要求，摻氣坎應布置在易于發生空蝕部位的上游。設置摻氣坎后應確保泄槽流態良好、坎后水流摻氣充分、摻氣空腔形態合理穩定，同時對水流流態無明顯不利影響，水流邊壁、挑坎空腔內部不出現過大的負壓。在規范要求的基礎上，經模型試驗研究，最終確定在泄槽陡坡段起始段(樁號0+087.700～0+090.38)設置高度為0.3 m的摻氣坎解決空化空蝕問題，摻氣坎的具體布置見圖3。

圖3 溢洪道摻氣坎體型(單位：m)Fig.3 Conformation of base aerator on the spillway

4.2 水工模型試驗及效果分析

在原水工模型試驗的基礎上，修改調整增設摻氣坎，在表1工況條件下進行新的模型試驗。

增設摻氣坎后，各工況下模型各部位(尤其是泄槽陡坡段及挑流鼻坎段)均未出現負壓，時均動水壓強值為正值且均大于0.24 m，時均動水壓強值正常，分布合理，并且水流空化數均大于0.30。以時均動水壓強值并結合SL 253-2018《溢洪道設計規范》4.7.1條中要求進行判斷，增設摻氣坎后溢洪道部位不再具備產生空化空蝕的條件。

試驗各工況實測數據表明：摻氣坎后形成的空腔穩定，坎后水流充分摻氣且流態平順，溢洪道泄槽陡坡段(0+090.383～0+140)及挑流鼻坎段(0+140～0+149.708)均得到有效保護，增設摻氣坎后工況1水流形態具體見圖4。空腔特征值尺寸見圖5及表7。

圖4 增設摻氣坎后工況1水流形態Fig.4 Flow state in the first condition after aerator installation

圖5 摻氣坎后空腔尺寸示意(單位：m)Fig.5 Schematic diagram of cavity size after aerator

表7 摻氣坎后空腔特征值

模型試驗表明：水流經摻氣坎上挑后，脫離底部邊界并形成較大的穩定空腔，水流在這個過程中摻氣充分，水流流態較好，水流平順，坎后泄槽陡坡段及挑流鼻坎段均得到保護，不再具備產生空化空蝕的條件，空化空蝕問題已得到有效解決。

5 結 語

本文在數值計算的基礎上，通過水工模型試驗對祥云縣萬花溪水庫工程溢洪道進行研究分析，判斷出在高速水流條件下溢洪道是否發生空化空蝕，并確認泄槽陡坡段及挑流鼻坎段可能發生空蝕。同時在此基礎上，提出增設摻氣坎的處理措施，并通過水工模型試驗加以驗證，可有效解決萬花溪水庫工程溢洪道存在的空化空蝕問題，還可為類似工程設計提供借鑒。