浅论掺气设施的消能作用

栗 帅，张建民，陈剑刚，胡小禹

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

0 引言

早在20世纪30年代，人们就已经认识到水流掺气可以减轻对过流表面的空蚀破坏，但直到1960年，美国的大古力坝（Grand Goulee Dam）在泄水孔锥形管出口下游设置掺气槽，才把这一认识付诸于工程实践。自掺气减蚀被证明是解决空蚀破坏最有效的途径以来，已有越来越多的工程应用，目前掺气减蚀槽已在泄洪洞、溢洪道、陡槽等高水头、大单宽流量泄水建筑物中广泛运用，对防止高速水流引起的空蚀破坏具有显著效果[1]。掺气坎不仅能有效地减缓空蚀和磨蚀的发生，而且具有一定的消能作用，近年来学者的研究多集中在掺气坎的体形、掺气的挟气量、空腔长度、通气量、保护长度及受力分析等方面[2-11]，在对掺气坎消能方面的论述较少，聂孟喜[12]、肖兴斌[13]曾指出过掺气坎的消能作用，但未见定量分析结果。本文通过掺气减蚀试验，对掺气坎的消能作用作进一步的探讨，为实际工程设计提供重要参考。

1 工程实例及模型试验

某水电站最大坝高293 m，坝顶高程2 873 m，正常蓄水位2 865 m，校核水位2 870.36 m。溢洪道长940 m、进口高程2 844.00 m、出口高程2 690.00 m，建筑物水头落差高达175 m，槽内最大流速接近50 m/s，属于高水头、大单宽流量泄洪建筑物。

该溢洪道由进口段、无压隧洞上平段、渥奇曲线段、陡坡段（坡度i=0.323 3）、出口挑流段组成。进口段采用WES堰，出口为窄缝消能工。

试验模型为正态模型，比尺为1∶40，各水力要素的比尺如下：长度λL=40；流速λV=λL0.5=6.324 6；流量 λQ=λL2.5=10 119； 糙度 λn=λL1/6=1.849。

模型采用有机玻璃制作，糙率约为0.007 9～0.008 3，满足阻力相似要求。流量采用薄壁堰测量，测量精度0.1 L/s，流速采用电脑旋桨流速仪测量（西科所生产），测量精度1 cm/s。由于水头高、流量大，水流翻滚和紊动剧烈，用测针对掺气坎前后水位进行测量不妥，故采用钢尺测量并依据流量、流速、掺气浓度等测量资料加以修正。试验中测试了4种体形在正常蓄水位（2 865 m）和校核水位（2 870.36 m）时的部分水力特性，如水深、掺气空腔长度、掺气坎前后流速等。

2 掺气设施的应用条件及设计准则

一般认为当混凝土过流面上流速在20～30 m/s时，或当水流空化数K＜0.2时，需要设置掺气减蚀设施。我国的水利专家提出，当水流空化数K＜0.1～0.3时须注意空化问题。掺气设施的应用条件及设计准则可归纳为：①掺气设施应设置在容易产生空蚀部位的上游；②掺气设施在各级运行水头和流量下均应保持挑坎水舌下有足够的空腔，以保证有足够的通气量和掺气浓度；③力求泄槽内水流平顺，避免掺气设施对水流流态的不利影响；④附近的水层底面或空腔内不出现较大的负压，水舌冲击还应避开伸缩缝和施工缝；⑤掺气设施的体形力求简单，且应保持足够的强度和工作的可靠性，以便于施工，保证设施本身不受破坏。

试验选择了光滑溢洪道、两级掺气坎、三级掺气坎、四级掺气坎4种掺气设施方案。掺气坎体形参数根据以上5点要求优化确定（见表1）。本文选取的坎高与时启燧[14]等提出的临界坎高计算结果一致，说明掺气坎的体形参数是合理的。

3 试验结果及分析

为了计算各级掺气坎的消能水头和消能率，计算时选取挑坎起点断面和掺气空腔下游2倍水深长度后的断面，由能量方程计算出各断面的总能量，即可通过式（3）计算出掺气坎的消能率，即

表1 掺气坎体形参数

式中，E1、E2为选取挑坎起点断面总能量和掺气空腔下游2倍水深长度后的断面总能量；ΔE为选取的两断面的能量差值；Δz1为选取的两断面的高差；ν1、ν2为断面的流速；h1、h2为断面水深；α为倾角；η为掺气坎的消能效率；g为重力加速度。

通过计算和试验可知掺气坎的消能率与坎前断面流速、坎高、挑角和掺气浓度等有关，4种体形的消能率计算结果见表2。

由表2可知，同一流量下，掺气坎越靠近上游消能率越高，即挑坎前流速越小，消能率越高；随着单宽流量的增大，单级掺气坎的消能水头有所减小。在校核工况下，设置两级掺气坎后大约能消去4.21 m水头的能量，设置三级掺气坎后大约能消去9.14 m水头的能量，设置四级掺气坎后大约能消去20.99 m水头的能量，由于掺气挑坎的消能作用，溢洪道末端的流速由55 m/s降低至52 m/s。在设计工况下，设置四级掺气坎后大约能消去32.79 m水头的能量。

图1为正常水位和校核水位时消能率和坎前流速的关系，图2为掺气设施总消能水头与掺气坎级数的关系。

图1 消能率与坎前流速关系

表2 校核水位和正常水位下各体形掺气坎的消能率

图2 总消能水头与掺气坎级数的关系

由图1、2可知，同一体形下掺气坎消能率沿程逐级增加，但消能水头的增量未必增加，主要原因是每增加一级掺气坎，各掺气坎的位置也相应调整，掺气坎处的流速等水力学参数不一样，但是随着掺气坎级数的增加，总的消能水头是增加的。

试验还表明，设置4道掺气设施后，出口挑坎前总的消能水头增加20 m，占总水头的13%，也使泄槽内的水流流速由54.8 m/s减小到51.1 m/s，降低约7.6%，所以掺气设施的消能作用不容忽视。

4 结语与建议

设置掺气减蚀设施，工程形式简单，从试验和工程实践效果来看，不仅提高了溢洪道上的水流的掺气，有效减轻了空蚀破坏，而且还具有一定的消能效果。消能作用增加主要表现为一方面降低了挑流出口的流速系数，挑距缩短，增加了泄流的沿程能量损失；另一方面水流掺气增加了与空气的接触面积，加速了水气的混合掺杂，加强空中扩散消能作用；最后，掺气槽本身也是一种人工加糙体，使流经的水流改变流向，在槽后形成旋涡流，增加了紊动强度和能量的转换与耗散。

因此，建议在有条件的情况下多设置几道掺气设施，尽量缩短保护长度。可降低泄槽末端流速，且只要掺气设施体形设计得当，并不会增加工程量，还可以起到辅助消能的作用。

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