泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水研究

李 静 胡国毅

(长江科学院 a.水力学研究所;b.研究生部，武汉 430010)

1 研究背景

我国目前及未来一段时期在建并即将新建一大批大型水电站，其中高水头大流量泄洪洞的水力学问题十分突出，一直以来都是水力学界关注的重要问题之一。泄洪洞是水利水电枢纽工程中一种十分重要的岸边泄水建筑物，也是因高速水流引发空蚀破坏案例数量相对比较多的一种泄水建筑物。在实际运行中，有一部分高水头工程的泄洪洞发生了不同程度的空蚀破坏，对于高水头泄洪洞而言，不论其泄流量大小都存在高速水流问题，如水流掺气脉动空化空蚀等。掺气减蚀技术的应用大大地推动了泄洪洞高速水流问题的研究和发展，已成为国内外广泛采用的解决高速水流空蚀破坏的一项有效工程措施。科学合理地设置掺气减蚀设施可以对泄洪洞边墙和底板起到良好的保护作用，以保证工程的安全并节省工程投资。

对于掺气减蚀设施体型，目前主要从掺气坎体型本身及坎下设施方面着手，进行了减轻空腔回水的研究［1－8］。对于泄洪洞而言，在一定条件下会出现空腔不稳定和空腔消失等不利流态，使掺气设施的减蚀功能难以发挥。本文以长河坝水电站泄洪洞掺气设施为例，研究减轻泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水的措施。

2 试验模型

长河坝水电站深孔式泄洪洞由短有压进口段、无压隧洞段和出口挑流鼻坎段组成。泄洪洞布置成平直且一坡到底的无压泄洪洞。进口底高程1 650.00m，上游设计洪水位1 690m，校核洪水位1 694.6m。

泄洪洞洞身总长度1 362.00m，隧洞纵坡为i=0.102 79，最大泄量3 692m3/s。第1道掺气坎设置在桩号0+300，每200m设置一个掺气槽，共设置6道掺气坎。

模型模拟范围包括泄洪洞进水口及闸门段、洞身、泄洪洞出口等。模型根据重力相似准则设计，长度比尺为30，模型上游布置于8 m×5m×8 m(长×宽×高)的水箱内。泄洪洞模型泄水建筑物部分全部采用有机玻璃制作。

3 掺气设施比较

因泄洪洞3#—6#掺气设施掺气坎后均可形成稳定空腔，试验主要针对1#和2#掺气设施，重点比较了掺气设施的坎高和下游底坡形式。比较方案见表1、图1和图2。其中方案1至方案3比较了挑坎高度;方案4至方案7比较了坎后底坡的坡度和长度;方案8下游底板采用圆弧。

4 试验成果

各方案空腔特征值试验成果见表2。方案8空腔形态见图2。

方案1中1#及2#掺气坎坎后水舌挑距约6～10m，空腔为回水淹没，没有形成空腔。

表1 试验方案Table 1 Test schemes

图1 掺气设施布置示意图Fig.1 Sketch of aerator structures

图2 圆弧底板方案掺气设施空腔形态Fig.2 Cavity of aerator structures in the scheme of arch bottom

方案2和方案3中1#及2#掺气坎坎后水流挑距增加。方案2中，1#掺气坎后水舌挑距约7～16m，2#掺气坎后水舌挑距约8～18 m。但1#及2#掺气坎坎后仍无法形成稳定空腔，坎下积水较多。

方案4中1#掺气坎后水流挑距约12～19.8 m;2#坎后水流挑距约16.5～21.6m。1#坎后空腔回水较多，间歇封堵空腔，坎下空腔高度在0.3～1.35m之间变化;2#坎后，空腔回水间歇封堵空腔，坎下空腔高度在0.3～1.2m范围之间变化。

方案 5中 1#掺气坎后水流挑距约7.5～19.8 m，2#掺气坎后水流挑距约10.2～21m。两掺气坎仍无法形成稳定的空腔。

方案6中两掺气坎后回水仍很严重，无法形成稳定空腔。试验观察到1∶5的陡坡长度不够及坡比不合适，部分出挑水流未落在陡坡上，挑射水流与下游坡夹角过大，从而导致回水。

方案7掺气坎后空腔内回水仍很严重。

方案8挑坎后水舌基本落在圆弧面上，空腔内基本无回水，空腔稳定。

造成掺气坎水舌下缘反向漩滚和空腔回水的原因，主要是掺气水舌下缘与下游坡交汇处的夹角过大。而交汇处夹角的大小，与掺气坎的高度、体型、坎上水流特性(流速、水深)及下游坡比等因素有关。在掺气坎高度、体型和下游坡比一定时，不同工况条件下，坎上水流的特性将有所变化，从而水舌交汇处的夹角的大小也将随之发生变化，因此单一调整下游坡比只能适应某一特定工况下的水流特性。而在实际工程应用中情况绝非如此，单一下游坡比要满足各种工况下掺气设施均可发挥良好效果实属困难。若在下游挑距的变动区间内采用可变斜率的底板体型，则可满足不同工况条件下水流特性的需要。圆弧型底板各点的斜率是连续可变的，正好适应不同工况条件下水流特性的需求，从而达到掺气坎水舌与下游段连接夹角大小可控的目的，较好地解决了掺气坎水舌下缘反向漩滚和空腔回水的问题。

表2 设计水位条件各方案空腔特征值Table 2 Characteristic values of cavity in each scheme under designed water level

5 结论

(1)有空腔的水舌运动是复杂的气、水两相流运动，其轨迹影响因素众多，目前还无法从理论上完全解决水舌夹角的计算问题，还只能依赖于物理模型试验效果。

(2)掺气设施下游圆弧型底板是对传统单一坡度底板的一种拓展，明显具有以下优点:增大下游的局部底坡;减小了水舌与底板的夹角，使得底部回流长度减轻，甚至完全避免，从而大大增大了有效空腔长度;可以适应多种工况。对于水深大、回水区长的掺气坎水舌形态，圆弧形底板可较好地适应水舌形态，使得空腔回水减轻，甚至完全避免，是一种减轻空腔回水的有效措施。

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