窄缝式表孔流态及水流空化数研究

赵勇庆 王胜举 王笑宇

（1.甘肃省酒泉市肃北县水务局水政办 甘肃 酒泉 736300；2.甘肃省庆阳市水利勘测规划设计院 甘肃 庆阳 745000；3.兰州理工大学能源与动力工程学院 甘肃 兰州 730050）

1 前言

随着国民经济的发展，我国的大坝建设逐渐向高坝方面迈进，一批水头超过200m的高坝电站正在建设或已开始规划，例如已建成的二滩双曲拱坝（坝高240m）、溪洛渡水电站（坝高 278m）、拉西瓦水电站（252m）等。高坝通常建设于高山峡谷当中，峡谷处河道相对狭窄，在这种地形条件下建坝，建筑物的布置通常存在困难，如何避免各表孔水流直接倾砸岸坡和在空中的对撞，并在狭窄的空间内归槽成为首要问题。窄缝式挑坎是借助于挑流鼻坎段两侧边墙的收缩，在挑坎下游出口处形成窄缝，促使水流沿横向收缩，而使其在挑坎出口断面下游沿竖向和纵向拉开、扩散，使挑射水舌在空中形成巨大的扇形状，增大水舌在空中的碰撞、掺气和消能，减小其进入下游河床的水体单位面积能量，从而减轻对下游河床的冲刷。文献[1-2]表明，在高水头、狭谷河段的水利枢纽的泄水建筑物，采用窄缝式挑坎可使挑射水流纵向拉开，不仅能够分散水舌落点，减轻挑射水流对河床的冲刷，又能避免水流在空中的直接对撞，减小雾化影响。本文结合具有上述特点的某电站溢流表孔体型（图1），选用窄缝式挑坎挑流，并在直线段设置掺气设施，对窄缝式溢流表孔的流态和水流空化数进行了研究。

图1 溢流表孔剖面图

图2 水流流态

表孔采用开敞式溢流堰，堰顶高程1058.00m，孔口尺寸14m×21m（宽×高），单孔最大泄流量为3001m3/s。每个表孔设置一道弧形工作钢闸门，表孔共用一道平板检修钢闸门。

2 水流流态

当闸门开启后，闸墩墩头产生壅水，受闸墩侧收缩的影响，进口处水流绕过闸墩后呈菱形状交汇，交汇点随上游水位的上升而提前；门槽处均有未贯穿的立柱漩涡，高度约为水深的一半，门槽下部有少许小气泡旋动后被泄槽内水流带走。

在陡坡直线段设置掺气设施后，水流经过掺气挑坎后脱离边壁形成射流，射流水股下部自然地形成空腔，空气通过通气孔进入空腔，射流水股下沿也因水流扩散、界面掺混而形成一定的掺气层，当水股重新回落到底板的时候，又卷入了部分空气，致使下游近底壁水流形成了乳白色的水气两相混合流。受掺气设施的影响，泄槽内水面线发生变化，掺气坎下游空腔末端位于反弧段中部，因反弧半径小，水舌与落点处底板夹角小，空腔中存在回流。随着上游水位的增加，泄流量增大，水流弗劳德数逐渐减小时，空腔内回旋水流增多，有效空腔长度逐渐减小，射流挟气能力亦随之减小。掺气坎下游空腔长度、回水长度及通风量见表1，可以看出，掺气坎通气状态良好，各运行工况下掺气坎下游均能形成一个稳定通气的空腔，水流挟气能力强，通气孔通风量大，掺气充分。

表1 掺气坎下游空腔长度和回水长度

表2 水流空化数

图3 水流空化数沿程变化曲线

反弧段和窄缝收缩段用一水平直线段相衔接，窄缝挑坎收缩段内存在两条特征水面线，即中线水面线及边墙水面线。其特点是：在冲击波交汇之前，中线水深小于边墙水深，且两者均是沿程增加的。当冲击波交汇后，中线水深急剧增加且大于边墙水深，中线上的水流以较大的出射角向斜前方射出。由于中线上的水流宽度小于水舌主体宽度，且具有斜前方的流速分量，故控制侧墙高度的是侧墙水面线。在各工况下表孔挑射水流均能形成典型的窄缝流流态（图2），水流纵向扩散充分，水舌的稳定性较好。

3 水流空化数

水力学中常用水流空化数σ来衡量泄水建筑物各部位水流的空化特性和作为判别附近边壁空蚀可能性的指标，水流空化数越小，形成空化的可能性越大，其计算公式见式（1）：

其中h0表示测压管水头；v20/2g表示断面流速水头；hv表示与水温有关的水的汽化压强水头，本试验设水温为15℃，hv=0.174m；ha表示大气压强水头，可据计算点高程▽Z由式（2）估算：

其中10.33表示标准大气压水柱；0.39为考虑气象因素的最大压降；表示计算点海拔高程（一般每升高900m，大气压强水头降低1m）。

溢流表孔的水流空化数见表2，其沿程变化曲线如图3所示。可以看出，水流空化数沿程呈波动减小趋势，低水位及闸门小开度局开运行工况下，泄槽直线段和挑坎处水流空化数值相对较小，其中正常蓄水位工况闸门20%开度时，出口段水流空化数最小，其值为0.19。由于这些位置水流空化数值相对较小，且挑坎末端最大流速接近于39m/s，根据溢流堰面和反弧段空化空蚀的研究成果、以及一些工程反弧附近发生空蚀破坏的例子来看，在这些局部位置和这样的水流条件下更容易发生空化。因此，施工时必须严格控制施工的不平整度，采用抗冲耐磨材料制作溢流堰表面，并改善运行工况，控制工作闸门小开度局开运行。

4 结论

实践证实，窄缝挑坎消能新技术的广泛应用，突破了常规等宽鼻坎消能的传统模式，利用挑坎侧墙收缩使水流碰撞形成水舌纵向扩散，水流沿平面扩散减小单宽流量，加剧水流紊动，充分掺气，提高消能率，减轻对河床的冲剧，现已成为当今一种新的高效消能方式。在峡谷地区，窄缝式挑坎可分散泄水建筑物的挑射水流，减免水流对河道的冲刷，掺气减蚀，为高水头建筑物的安全运行提供了保障。本文所研究的溢流表孔流态稳定，体型设计合理，在各运行条件下均可形成典型的窄缝流流态，水流纵向扩散充分，水舌的稳定性较好；掺气设施运行良好；表孔运行过程中，应控制工作闸门小开度局开运行。陕西水利

[1]南军虎,李正安,乔明秋,等.高山峡谷大流量下溢流表孔体型试验[J].兰州理工大学学报,2011,37（6）:42-46.

[2]李建中,宁利中.高速水力学[M].陕西：西北工业大学出版社,1994.

[3]中华人民共和国水利部.DL/TS166一2002溢洪道设计规范[S].北京:中国电力出版社,2003.

[4]牛争鸣.泄水曲面水流的水力特性 [M].陕西：西北工业大学出版社,2004.