巴拉水電站泄洪放空洞摻氣方案優化研究

楊 洋, 邵 偉, 鄧 欽 宣, 張 韶 鵬

(1.四川足木足河流域水電開發有限公司,四川 成都 610041;2. 四川大學水利水電學院,四川 成都 610200)

0 引 言

從已建工程實際案例分析得知,不少水利工程的深孔放空洞閘室段和洞身都要受到不同程度的空化空蝕破壞。根據經驗,高海拔地區泄洪建筑物水流超過22 m/s的速度,就可能引發過流面空蝕破壞,需進行空化數據和脈動數據的相關分析,考慮采取摻氣減蝕措施,以確保泄洪設施及整個樞紐建筑物的安全。

空化空蝕對建筑物的危害是瞬時瞬間破壞[1],通過模型試驗可充分捕捉其瞬時壓力脈動的情況,對關鍵部位的脈動特性結合經驗進行詳盡的觀測分析,并采取必要的摻氣減蝕措施。根據以往工程經驗,已建工程中一旦出現較為嚴重的空化破壞后,在進行修復和將來的維護管理都比較麻煩。

巴拉水電站屬二等大(Ⅱ)型工程,位于阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣境內,地處高海拔地區,大氣壓強相對較低。針對本工程實際情況,結合相關工程的經驗技術,分析該電站泄洪放空洞的關鍵問題,提出空化空蝕的優化措施并試驗驗證,以達到安全經濟的效果。

1 試驗目的及模型制作

1.1 試驗目的

通過泄洪放空洞單體模型[2-3]對其泄流能力進行驗證;對進口體型、摻氣減蝕設施和出口挑坎體型等進行優化研究,確定合理的泄水建筑物體型,避免不良水流空蝕條件;完成最終優化方案的各項試驗。

1.2 模型制作

泄洪放空洞模型的幾何比尺為1∶30,主要建筑物由岸塔式進口、有壓隧洞、工作閘門井、無壓隧洞、出口挑流段和下游河道等組成,根據設計尺寸按比例均采用高質量的有機玻璃制作,糙率n=0.008,而原型水泥抹面糙率np在0.013和0.017之間,按照相似糙率比尺λn=1.763,計算出模型糙率nm應在0.007 4和0.009 6之間,平均值為0.008 5,因此,采用有機玻璃模擬基本滿足糙率相似要求。模型試驗各水力參數相似比尺見表1。

表1 各水力參數相似比尺

2 原設計方案試驗成果

原設計方案的試驗針對閘門局開2.5 m、閘門局開4.0 m、閘門全開時不同庫水位工況,觀察泄洪放空洞沿程的閘門段、長陡坡段、摻氣槽、挑坎和下游河道的水流狀態,并測試相關參數。

2.1 流態及摻氣槽

2.1.1 閘門局開2.5 m

閘門局開2.5 m時,不同庫水位工況下泄洪放空洞的進口段和有壓段流態平穩,閘門前水流平順,經過突擴跌坎后,發生水翅現象,隨后水面產生波動,進入陡坡段后逐漸平穩,挑坎挑出的水流靠左岸,下游河道的沖坑也靠左岸。

庫水位為2 865.00 m、2 875.00 m和2 885.00 m時,閘后突擴跌坎處有積水,1號、2號、3號摻氣槽處沒有積水;庫水位為2 895.00 m時,閘后突擴跌坎、1號、2號、3號摻氣槽處基本沒有積水。各工況突擴跌坎處均產生水翅現象,與陡坡段銜接的水面波動不平穩。

2.1.2 閘門局開4.0 m

閘門局開4.0 m時,不同庫水位工況下泄洪放空洞的進口段和有壓段流態平穩,閘門前水流平順,經過突擴跌坎后,發生水翅現象,隨后水面產生波動,進入陡坡段后逐漸平穩,挑坎挑出的水流隨庫水位的升高從左岸擴散到整個河床,下游河道的沖坑也從左岸擴大到整個河床。

庫水位為2 865.00 m和2 875.00 m時,閘后突擴跌坎偶見空腔積水嚴重,1號、2號、3號摻氣槽處有摻氣,但是偶見積水;庫水位在2 885.00 m、2 895.00 m工況下,閘后突擴跌坎有積水,1號、2號、3號摻氣槽處空腔干凈,沒有積水;庫水位在2 905.00 m工況下,閘后突擴跌坎和各摻氣槽處空腔干凈沒有積水。各工況突擴跌坎處均產生水翅現象,與陡坡段銜接的水面波動不平穩。

2.1.3 閘門全開

閘門全開庫水位2 905.00 m和2 920.00 m工況下,泄洪放空洞的進口段和有壓段流態平穩;受上游有壓轉彎段影響,閘后出流明顯不對稱,左側流速比右側大;經過突擴跌坎后,發生劇烈的水翅現象,折沖水流比較嚴重,水面波動較大,水位超過邊墻甚至超過洞頂高度;挑坎挑出的水流擴散到整個下游河床,跌落水面過大,造成沖坑擴大到整個河床,沖坑下游的堆積體增高。

兩種工況閘室突擴跌坎空腔嚴重積水,1號、2號、3號摻氣槽處空腔部分積水。

2.2 水翅

高速水流從有壓段出口流出后,受到側向突擴的影響,發生橫向擴散,沖擊側墻,形成弧狀的側墻沖擊帶,在沖擊帶頂部,水流沿側墻向上濺起,形成水翅[5]。閘門段后形成的水翅及參數見圖1。

圖1 水翅及參數示意圖

閘門局開時不同庫水位工況下,側向擴散的水流在接觸側邊墻后均形成明顯的水翅,在之后的水面上形成基本對稱的菱形沖擊波,惡化泄洪放空洞及下游水流流態。下游水面由于水翅脫離邊墻卷入主流,使水面在很長一段距離內波動較為劇烈。

通過實驗可知,隨著閘門開度增大和庫水位的升高,水翅的高度和水翅最高點的距離也不斷增加,當閘門全開庫水位2 905.00 m時,水翅高度達到直墻頂,庫水位2 920.00 m時,水翅高度已超過直墻。

2.3 水面線

泄洪放空洞原設計方案無壓段的水面線測點布置見圖2。

圖2 泄洪放空洞原設計方案無壓段的水面線測點布置示意圖

試驗測量了庫水位2 920.00 m,下游控制斷面水位2 801.60 m(對應頻率1%消能防沖工況)的無壓段沿程各測點的水面線見表2。試驗中摻氣效果不佳,水深數據基本上為實測清水水深,未考慮摻氣以后的水深。

表2 無壓段沿程各測點的水面線

從表2中可以看出,無壓段各測點水面銜接光滑,沿程變化有波動,閘室段(測點3)的最大水深約為6.6 m,進入陡坡段后,隨著水流速度逐漸加大,沿程測點的水深逐漸減小,泄洪放空洞末端(測點10)的水深約為5.49 m。

3 優化設計方案及試驗成果

3.1 優化方案

泄洪放空洞優化設計主要針對原設計方案在模型試驗中出現的問題進行,具體優化部位有兩點:

(1)泄洪放空洞的軸線右側偏移,出口高程降低;

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(2)對摻氣槽進行優化設計以充分摻氣,對突擴跌坎后進行優化設計以減小水翅現象。

3.1.1 泄洪放空洞軸線及出口高程的調整優化

泄洪洞出口挑流對左右兩岸山體產生威脅,優化方案將泄洪放空洞軸線偏移,平面圓弧段的夾角增加為52°32′,下游明渠段軸線向右偏移,挑坎的位置向右偏移一定距離,挑流主流向河床中心偏移,挑流的水舌向四周擴散。優化后的設計起挑位置(樁號0+814.00 m)向右岸偏移了6.82 m;該點(樁號0+814.00 m)高程優化為2 802.00 m。泄洪放空洞軸線的優化設計方案見圖3。

圖3 泄洪放空洞軸線優化設計方案示意圖

3.1.2 突擴跌坎后的平臺優化方案

突擴跌坎原設計方案(樁號(放)0+321.00 m)的剖面布置見圖4。

圖4 突擴跌坎處原設計方案的剖面布置(單位:cm)

根據經驗,優化后突擴跌坎的平面布置和原方案基本一致,剖面進行如下優化:跌坎水平段長度縮短為12.0 m,接半徑45.0 m、夾角10°17″的圓弧段,后接坡度i=0.181 5的陡坡段,到高程2 834.44 m與下游坡段銜接。突擴跌坎處優化方案的詳細尺寸見圖5。

圖5 突擴跌坎處的優化方案的詳細尺寸(單位:cm)

優化方案在庫水位2 905.00 m、2 920.00 m閘門全開工況下,跌坎后形成摻氣空腔,水翅現象基本得到消除,水面波動明顯減弱,和下游水流銜接良好[6]。

3.1.3 摻氣槽優化方案

閘室后突擴跌坎的位置不變,1號、2號、3號摻氣槽的位置與原方案相比,整體位置后移。原設計方案和優化設計的摻氣槽樁號見表3,原方案和優化方案摻氣槽樁號及高程見圖6。

圖6 原方案和優化方案摻氣槽樁號及高程示意圖(單位:cm)

表3 原設計方案和優化設計的摻氣槽樁號表

摻氣槽優化布置以1號摻氣槽為例,摻氣槽前設計8.0 m的斜坡段,底面和兩側均為斜坡變化;摻氣槽半徑0.4 m,跌坎后高程2 825.95 m,設計長度5.63 m的水平段,再接陡坡段。1號摻氣槽優化設計方案如圖7。

圖7 1號摻氣槽優化方案設計方案示意圖(單位:cm)

3.1.4 優化方案試驗工況

優化方案的試驗工況擬定,即泄洪放空洞正常工況的可能運行方式和蓄水、放空時的可能運行方式,考慮工程所在地海拔高程2 800.00～2 900.00 m,大氣壓強約7.2 cm水銀柱高,結合以往類似工程項目的經驗,流速達到25 m/s情況下,泄洪建筑物邊壁發生空化空蝕的可能性非常大。

綜合以上分析,泄洪放空洞優化方案的試驗工況見表4。工況1水庫水位2 920.00 m時放空洞泄流量為1 108.05 m3/s;其余工況放空洞單獨泄洪。

表4 泄洪放空洞優化方案的試驗工況表

3.2 流態及摻氣槽

閘門全開且在不同庫水位時,從主要部位的流態觀測得知:各庫水位及各個運行方式工況下,泄洪放空洞的進口段和有壓段流態平穩,閘門前水流平順,經過突擴跌坎后,水翅現象在低水位局開工況略為明顯,隨著水位升高以及全開工況水翅基本消失,水面銜接平穩,各級摻氣挑坎水面起伏稍大,差動式挑坎出口流態在各個水位和流量工況平面和立面上比較均勻,水舌主流分為上下兩層分散落在整個河床,說明挑坎體型對不同水位和流量的適應性良好。

庫水位2 890.00 m局開1/2開度運行工況,閘門后突擴跌坎處形成完全摻氣空腔,無積水;1號、2號、3號摻氣槽處形成空腔無積水。

庫水位2 892.00 m閘門全開工況,閘門后突擴跌坎處形成摻氣空腔,里面約有一半的積水;1號摻氣槽處形成空腔沒有積水;2號摻氣槽處部分積水。

庫水位2 920.00 m閘門全開工況,閘門后突擴跌坎處形成完全摻氣空腔,無積水;1號、2號、3號摻氣槽處形成空腔無積水。

3.3 泄流能力

泄洪放空洞的泄流能力試驗包括三種工況:(1)閘門全開;(2)閘門局開1/2;(3)閘門局開1/3。在不同的庫水位下測量泄洪放空洞的泄流量,計算相應的流量系數。

分別泄洪放空洞閘門全開、局開1/2和局開1/3工況時,均對對庫水位在2 920.00～2 860.00 m之間的泄流量進行了測量,根據庫水位和流量計算出流量系數,由流態觀測得知,三種工況下進口水流平靜均未見旋渦,流量系數總的趨勢是隨庫水位降低而減小,泄洪放空洞的泄流能力隨庫水位升高而增加,隨著庫水位降低,閘門收縮作用影響越大,庫水位分別到2 901.55 m、2 894.71 m、2 906.56 m以下時,流量系數隨庫水位降低而逐漸減小。

閘門全開庫水位2 920.00 m工況,泄洪放空洞的泄流量為1 108.05 m3/s(原設計泄流量為1 066 m3/s),試驗值比原設計值大42 m3/s,泄洪放空洞的泄流能力滿足設計要求。

3.4 水面線

在泄洪放空洞閘門后無壓段布置多個水面線測點,根據水庫特征水位下泄洪放空洞沿程各測點的水深測量值(試驗中水深數據為模型實測水深值,未考慮摻氣以后的水深)可分析得出,各水庫水位工況下,泄洪放空洞無壓段沿程水深總趨勢下降,沿程水面銜接光滑,在摻氣槽附近略有波動變化。閘門全開工況突擴跌坎后的水位沒有大的起伏,閘門局開工況突擴跌坎后的水位較低;閘門局開庫水位2 890.00 m和閘門全開庫水位2 892.00 m工況,水面線在1號、2號和3號摻氣槽前后略有起伏;最大水深在閘門全開庫水位2 920.00 m工況M2測點位置,水深7.35 m,未到達直墻高度。

3.5 壓力及脈動

為了研究水流對放空洞底板及挑坎底板產生的壓力及脈動情況,在泄洪放空洞及挑坎沿程布置了測壓點,在不同庫水位工況下對時均壓力和脈動壓力進行了測量[7]。

泄洪放空洞至挑坎沿程一共布置112個測點,根據各工況下沿程各測點的實測壓力值及脈動壓力均方根值分析得出:泄洪放空洞進水口后的有壓段壓力沿程降低;轉彎段外側壓力高于內側壓力,正常蓄水位工況內外側壓差相對較大,最大壓差達8.46 m;閘門后陡坡段沿程測點均為正壓;突擴跌坎和1號、2號、3號摻氣槽附近測點的壓力較低。出口挑坎所布置的所有壓力測點均為正壓,且在3號摻氣坎的摻氣保護范圍內,安全能夠得到保障。

各工況下泄洪放空洞進水口后的有壓段和陡坡段各測點的頻譜分析結果表明,測點的壓力脈動分布基本滿足正態分布;大部分測點的脈動壓力均方根小于0.1;摻氣槽下游附近測點的脈動壓力均方根值略大于陡坡段其他測點,但基本也小于1.0;僅正常蓄水位工況3號摻氣槽后靠挑坎附近的D39、D40兩個測點的脈動壓力均方根出現大值,分別為3.173和3.030;挑坎部分正常蓄水位工況各測點的脈動壓力均方根基本大于0.1,最大值0.514,其余兩種工況各測點的脈動壓力均方根比較小。

3.6 流速及空化特性

抗空化能力一般采用水流空化數(σ)來衡量,對某一特定的建筑物而言,空化數越大,抗空化能力越強。水流空化數按式(1)定義。

(1)

式中h0為實測點的時均壓力水頭,m;hd為工程所在地的大氣壓力水柱(m),按下式計算:

hd=10.33-?900

(2)

式中 ?為工程或測點所處海撥高程值;hv為蒸汽壓,與溫度有關,水溫20 ℃計算取值為0.24 m;v0為數值模擬計算測點的斷面平均流速(m/s)。

根據式(1),不同工況下泄洪放空洞陡坡段典型斷面的計算空化數見表5。由計算結果可以看出,閘門局開庫水位2 890.00 m工況,陡坡段各特征點的水流流速基本在25.81～26.62 m/s之間,其余各點空化數均接近0.3;閘門全開庫水位2 892.00 m工況,陡坡段各特征點的水流流速在23.10～25.69 m/s之間,各點空化數均大于0.3;閘門全開庫水位2920.00 m工況,J6點空化數0.19,陡坡段各特征點的水流流速繼續增大,在30.37～30.97 m/s之間,空化數在0.17～0.34之間,大多接近0.3。

表5 不同工況下泄洪放空洞陡坡段典型斷面的計算空化數

根據陡坡段的計算空化數,閘門全開庫水位2 892.00 m工況,陡坡段各特征點的空化數均大于0.3;閘門局開庫水位2 890.00 m和閘門全開庫水位2 920.00 m工況,特征點的流速增大,空化數小于0.3;閘門全開庫水位2 920.00 m工況閘門前有壓漸變段測點(J5、J6測點)的空化數小于0.3,最小值0.19,也需引起足夠的重視 。

各試驗工況下觀測突擴跌坎和各摻氣槽,都能形成穩定足夠的空腔對邊壁進行保護作用,能保障建筑物安全運行要求。

4 結 語

通過巴拉電站的泄洪放空洞單體模型試驗,研究了泄洪放空洞軸線和摻氣減蝕設施的優化設計,通過對原設計方案和優化設計方案的相關模型試驗結果進行對比,得出以下結論:

(1)原設計方案在局開工況下,各個摻氣坎基本上能滿足摻氣要求,但在全開工況下閘室后摻氣坎不能形成穩定的摻氣空腔。閘室后突擴和跌坎設計不當,使得各個工況下水翅均非常嚴重,甚至超過洞頂12 m的高度,會造成出閘室水流不間斷沖擊洞頂,嚴重威脅泄洪洞安全。

(2)優化設計方案閘門全開各庫水位工況,閘門后的突擴跌坎處的水翅現象基本消除,和下游陡坡段的水流銜接良好,水面無大的波動。突擴跌坎、1號、2號、3號摻氣槽處均可形成空腔,在試驗及觀測主要工況下均能形成穩定的摻氣空腔,閘室后跌坎側空腔也能保持足夠摻氣長度,摻氣作用良好,能滿足安全運行抗空化空蝕要求。同時,優化方案根據實測水深和計算的斷面流速,計算陡坡段測點的空化數,閘門全開庫水位2 892.00 m工況,陡坡段各特征點的空化數均大于0.3。閘門局開庫水位2 890.00 m和閘門全開庫水位2 920.00 m工況,特征點的流速增大,空化數小于0.3,但大多接近0.3。閘門全開庫水位2 920.00 m工況閘門前有壓漸變段的空化數小于0.3。各試驗工況下觀測突擴跌坎和各摻氣槽,都能形成穩定足夠的空腔對邊壁進行保護作用,能保障建筑物安全運行要求。

(3)試驗測量了優化方案不同閘門開度和庫水位工況泄洪放空洞沿程測點的脈動壓力均方根值,大部分測點的脈動壓力均方根小于0.1,庫水位2 920.00 m靠挑坎附近的兩個測點的脈動壓力均方根出現大于1.0的值。泄洪放空洞沿程流態平順,可滿足工程安全要求。