大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段试验研究

丁浩铎， 牛争鸣， 杨 健， 鲍 莉， 陈 军

（1.大唐观音岩水电开发有限公司,昆明 650011；2.西安理工大学水利水电学院,西安 710048；3.成都水利水电勘察设计研究院,成都 610072）

高坝建设过程中，如何将施工期废弃的导流隧洞改建为永久性泄洪洞是近年来国内外水力学界研究的重点[1-2]。本文参考黄河小浪底水电站和黄河公伯峡水电站内消能泄洪洞的设计研究经验[3-4]，结合雅砻江两河口水利枢纽3#导流洞 （后期导流洞）改建为非常溢洪道的设计需要，提出了复合式大坡降水平旋流内消能泄洪洞的体型设计方案，即采用在水平旋流段末端设置阻塞的方式增大起旋器低压区的壁面压强；并针对水平旋流段末端设置阻塞后形成的旋转扩散水流如何与后期导流洞衔接问题，通过试验，研究该体型阻塞扩散段的最优水流衔接方式。

1 模型设计与测点布置

1.1 模型设计与制作

试验模型按照雅砻江两河口水电站3#导流洞 （后期导流洞）改建为大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞体型进行模型设计，其中，水平旋流洞坡降i=0.08，导流洞坡降i=0.09807，模型比尺1∶42，制作材料为有机玻璃。针对旋流扩散段的水流衔接，本次试验共提出了2种旋流扩散体型，即阻塞突扩体型与阻塞渐扩体型。阻塞突扩体型是将阻塞末端直接与导流洞相连，而不采取任何过渡措施；阻塞渐扩体型是通过一定的渐变连接方式将阻塞孔口和下游导流洞相连。

本次试验阻塞突扩方案起旋器喉口收缩比取为n=0.52，阻塞孔口收缩比取为m=0.82；阻塞渐扩体型起旋器喉口收缩比取为n=0.57，阻塞孔口收缩比取为m=0.91，具体体型如图1所示，符号含义见表1。

表1 主要物理量符号表

1.2 量测内容与测点布置

试验选取三组不同上游水位，即h/D=1.98，h/D=1.38，h/D=1.17。试验时控制上游水位h/D，对旋流扩散段的壁面压强pw、掺气浓度Φ以及旋流扩散轨迹进行量测。其中，壁面压强pw采用测压管进行量测；掺气浓度Φ采用CQ6-2004型掺气浓度仪进行量测；旋流扩散轨迹采用观测水流迹线进行量测[5]。为了方便试验观测，试验时在导流洞内各壁面设定坐标系，坐标系中每个方格模型尺寸为3cm，原型长度1.26m，如图2所示。

图1 模型试验各部分体型

图2 阻塞扩散段测压孔布置

1.2.1 壁面压强测点布置

阻塞突扩方案的壁面压强测点共173个，阻塞渐扩方案壁面压强测压点共61个，具体测点布置如图2示。由于阻塞扩散段水流掺气浓度较高，故量测数据有一定误差，但基本可以满足初步研究的要求。

1.2.2 掺气浓度断面测点布置

阻塞扩散段旋转水流的掺气浓度量测断面沿导流洞轴线布置，位置选择在L/D1=3.43、5.33、7.24三处，掺气浓度以 “%”形式表示。

1.2.3 旋流扩散轨迹的测点布置

旋流扩散轨迹的观测主要是依据导流洞壁面划分的网格记录通过各壁面定点的旋流扩散轨迹迹线。其中，导流洞左岸定点选择在L/D1=1.146、 Lh/D1=0.605，L/D1=2.932、Lh/D1=0.419，L/D1=4.959、Lh/D1=0.068处；导流洞右岸定点位置选择与左岸相同；导流洞顶部定点位置选择在 L/D1=1.338、 Lw/D1=0.000， L/D1=3.124、 Lw/D1=0.000， L/D1=4.910、 Lw/D1=0.000处。

2 阻塞扩散段的流态

2.1 阻塞突扩方案的流态

当上游水位h/D=1.98时，旋转水流通过阻塞孔口后直接冲击导流洞壁面，水流打击点附近流态紊乱，部分水流在打击点附近产生逆向飞溅，打击点附近水气掺混充分，打击点后导流洞壁面形成附壁运动的气水两相流，流态如图3所示。

2.2 阻塞渐扩方案的流态

当上游水位h/D=1.98时，由于阻塞渐扩段断面尺寸逐渐变大，附壁水流水层厚度在阻塞出口较短范围内急剧变薄，气水掺混充分。当旋转水流进入导流洞段，水流旋转逐渐转变为以附壁抛射为主的运动形式，且在导流洞右壁面形成水翅，导致导流洞下游水面波动较大，其流态如图4所示。

图3 阻塞突扩方案导流洞附壁扩散段流态

图4 阻塞渐扩方案导流洞附壁扩散段流态

3 旋流扩散段的水力特性

3.1 旋流扩散段的壁面压强特性

3.1.1 阻塞突扩方案旋流扩散段的壁面压强

对阻塞突扩方案旋流扩散段的壁面压强而言，由于旋转水流直接打击到导流洞壁面，水流垂直于导流洞壁面的动能瞬时转化为导流洞壁面的压能，故水流打击点处壁面压强较大，而打击点附近壁面压强则急剧减小，部分测点产生虚负压。在此，我们假定量测到的导流洞壁面压强最大点即为水流在导流洞壁面的打击点，图5所示即为上游水位h/D=1.98时阻塞突扩方案旋转水流在导流洞各壁面的打击点位置，以及打击点处壁面压强最大值。

图6为各级库水位下旋转水流附壁打击点处壁面压强最大值随壁面位置的变化规律，壁面压强用无量纲数pw/(γD1)表示。由图可见，各级库水位下导流洞右壁面的冲击压强在0.05＜Lh/D1＜0.22之间随高度Lh/D1的上升呈减小趋势，在0.22＜Lh/D1＜1.3之间随高度Lh/D1的上升呈逐渐增大趋势，部分测点量测值略有波动；左侧壁面、底部壁面的冲击压强最大值均呈中间大两边小的变化趋势；而顶部的壁面冲击压强最大值则呈波动状变化。

图5 旋流突扩体型导流洞壁面水流打击点处壁面压强

图6 阻塞突扩方案导流洞各壁面压强最大值位置的变化

3.1.2 阻塞渐扩方案旋流扩散段的壁面压强

对阻塞渐方案壁面压强进行量测，由量测结果可以发现，大部分阻塞渐扩段的测压孔均呈无压或虚负压的状态。对产生该现象的原因进行分析可知：当水流运动至阻塞渐扩段，水流旋转角已经很小，故其环向流速产生的壁面压强也很小，且由于旋转水流在此处大量掺气，故大部分测压孔均处于无压或虚负压的状态。

3.2 掺气浓度的分布规律

量测断面水流掺气浓度则既可概化性地了解两方案导流洞内附壁水体的掺气程度，还可以进一步验证导流洞内部水流流态。其中，以 “n=0.52，m=0.82”表示阻塞突扩方案， “n=0.57，m=0.91”表示阻塞渐扩方案。

图7即为导流洞内L/D1=3.43、L/D1=5.41和L/D1=7.29位置各级库水位下阻塞突扩方案和阻塞渐扩方案旋流扩散段水流掺气浓度的比较。由图可见，各级库水位下两方案导流洞附壁水流段掺气浓度均较大，实测数据基本都大于80%。根据测量结果，L/D1=3.43断面处存在一较大体积的空腔，且顶部水层仍然较为明显；而在位置L/D1=3.43处，两方案导流洞底部均已经形成厚度较厚的掺气水流层；随着量测断面位置的向下推移，气体逐渐溢出，掺气浓度逐渐减小。

3.3 旋流扩散段的扩散轨迹

本次试验对上游水位h/D=1.98、h/D=1.38和h/D=1.17时两种体型旋流扩散段通过定点的附壁水流扩散轨迹进行了记录。

3.3.1 相同体型不同上游水位扩散轨迹

图6 阻塞突扩方案导流洞各壁面压强最大值位置的变化

图8 阻塞渐扩与阻塞突扩方案各级库水位导流洞附壁水流迹线

图9 库水位h/D=1.98时两种方案导流洞附壁水流迹线对比

图10 各级库水位下两种方案导流洞附壁水流落点分布

图8即为相同阻塞扩散体型各级库水位下导流洞各壁面旋流扩散轨迹对比。由图可见，相同体型各级库水位下导流洞左岸、顶部壁面附壁扩散水流迹线相差不大，且L/D1越小，其迹线相差越小；导流洞右侧附壁水流运动轨迹差异较大，在上游水位h/D较高时，附壁水流在获得较大的初速度，水流在沿壁面上升至导流洞右壁面顶部时，其垂直导流洞轴线方向上仍具有较大的速度，致使其脱离右壁面，沿导流洞顶部扩散；当上游水位h/D较低，附壁水流的初速度较小，附壁水流还未上升至导流洞右壁面顶部时，垂向流速分量已衰减完毕，随后程抛物线状回落，与此同时，导流洞轴线方向流速衰减也较大，造成导流洞右岸附壁水流流线差异较大。

3.3.2 不同阻塞扩散体型相同上游水位扩散轨迹的比较

以上游水位h/D=1.98为例，对两种阻塞扩散体型导流洞附壁扩散段的水流迹线进行对比，结果如图9所示。由图可知，导流洞左岸附壁水流扩散轨迹趋势基本相同，且阻塞渐扩体型旋转水流迹线与导流洞轴线所呈的交角度略小；导流洞顶部的旋流扩散轨迹与左岸基本类似；导流洞右壁面两方案旋流扩散轨迹相差较大，其差异主要由垂向流速大小决定。

3.3.3 不同阻塞扩散体型附壁水流落点比较

根据对两种旋流扩散体型附壁扩散水流的落点来看，在同一库水位下阻塞突扩方案和阻塞渐扩方案附壁水流落点是不相同的；且相同体型下随着上游水位的上升，附壁扩散水流扩散距离的增量也呈减小趋势，具体各级库水位下阻塞突扩和阻塞渐扩方案导流洞左、右壁面附壁水流落点如图10所示。

4 结论

1）阻塞突扩方案的旋转水流通过阻塞孔口后直接冲击导流洞壁面，然后水流仍继续向下游旋转扩散，导流洞内快速形成稳定、均匀的气水混合流，水流波动较小。而阻塞渐扩方案水流壁扩散，并在导流洞壁面形成水翅，造成导流洞下游水面波动较大，故其流态仍需优化[6]。

2）对阻塞突扩方案而言，在上游水位一定时，导流洞各壁面的冲击压强较大，且分布略有不同。牛争鸣教授等对旋流阻塞突扩体型导流洞打击点处的脉动压强特性进行了研究，结果表明：导流洞水流打击点附近进行结构加固或体型优化，可避免产生共振[7]。对阻塞渐扩方案而言，阻塞渐扩段壁面压强呈无压或虚负压的的状态。

3）对阻塞突扩方案和阻塞渐扩方案而言，两方案附壁扩散水流掺气浓度均很高，且旋流扩散段内部存在较大体积的空腔。由于两方案掺气浓度均较大，故导流洞附壁扩散段产生破坏的可能性很小。

4）旋流扩散轨迹的研究有助于确定旋流扩散段的长度。相同体型各级库水位下导流洞左岸、顶部壁面附壁扩散水流迹线相差不大，右岸附壁水流迹线差异较大。对两种不同体型的旋流扩散迹线进行对比，阻塞渐扩体型的旋流扩散迹线较为平缓，导流洞顶部的旋流扩散轨迹与左岸基本类似，导流洞右壁面两方案的旋流扩散轨迹相差较大。

[1]柴恭纯.高坝施工导流洞改建为永久泄洪洞的探讨[J].泄水工程与高速水流，1994(3)：31-36.

[2]邓小玲.适合高山峡谷高坝泄流的涡流式竖井溢洪道[J].四川水利,1997(2):12-17.

[3]牛争鸣,孙静,张鸣远.水平旋转空腔环流的壁面应力的变化规律[J].水力发电学报,2007,26(4):46-50.

[4]安丰勇.水平旋流内消能泄洪洞的阻塞效应研究 [D].西安:西安理工大学水利水电学院,2005.

[5]贺五洲,陈嘉范,李春华.水力学试验[M].北京清华大学出版社,2004.

[6]牛争鸣,丁浩铎,杨健.四川省雅砻江两河口水电站3#导流洞改建为水平旋流泄洪洞单体模型试验报[R].西安:西安理工大学水利水电学院,2007.

[7]牛争鸣,杨健,丁浩铎.大渡河猴子岩水电站1#导流洞改建为水平旋流泄洪洞单体水工模型试验报告[R].西安:西安理工大学水利水电学院,2008.