弧形闸门突扩突跌出口掺气设施体型研究

贺翠玲,刘少斌,韩 冲

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验检测分院，西安 710043；2.西安理工大学，西安 710043)

文章编号：1006—2610(2015)04—0035—03

弧形闸门突扩突跌出口掺气设施体型研究

贺翠玲1,刘少斌1,韩 冲2

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验检测分院，西安 710043；2.西安理工大学，西安 710043)

基于物理模型实验，对弧形闸门突扩突跌出口掺气设施的体型及其影响因素进行了详细的研究。试验结果说明：突扩突跌掺气设施形成复杂的水流流态，向上扩散的水流形成水翅，回到正常水面后，在其下游又会激起冲击波，向下扩散的水流形成水帘，增加底空腔的回溯水流；底空腔的长度与跌坎、挑坎的高低、下游泄槽坡度均呈正相关关系，但泄槽坡度越陡，下游泄槽水翅越严重；侧空腔的长度与侧扩宽度呈正相关关系，但与下游泄槽水翅的严重程度呈反相关关系。

突扩突跌；模型试验；掺气设施；底空腔

随着水利水电事业的快速发展，中国高水头、高流速泄水建筑物也在迅速增加。高速水流和空化空蚀问题已经成为高坝设计最为棘手的问题，因此高速水流和空化空蚀问题已经备受水利界专家们的关注。突扩突跌体型与偏心角弧形闸门相结合，不但可以起到止水的作用，还可以形成较长的侧空腔减免高速水流对侧墙的空蚀破坏。因此，突扩突跌体型出口水力特性研究已显得尤为重要。本文以玛尔挡水电站泄洪放空洞闸室为研究对象，采用1∶47的物理模型，对闸室突扩突跌掺气设施的体型以及影响因素进行了深入的研究。

1 模型设计

试验在玛尔挡水电站泄洪放空洞单体模型上进行的。模型按照重力相似准则设计，模型比尺采用1∶47，用有机玻璃制作。模型主要包括突扩突跌2个基本部分，以及闸室前端有压段、闸室、下游泄槽、鼻坎等。闸室前端有压洞出口宽7.0 m，高为6.5 m，闸室末端侧扩0.5 m，跌坎高1.5 m，与后面9%的坡相接。闸室详细体型见图1所示。

2 原方案试验结果

2.1 水流流态

图2为试验观测到突扩突跌体型水流流态示意图。由图2可见突扩突跌体型后水流流态十分复杂，高速水流从有压段流出后发生横向扩散，由二维流动变为较复杂的三维流动，扩散水流撞击侧墙后，向上扩散的水流形成水翅，回到正常水面后，在其下游又会激起冲击波，向下扩散的水流形成水帘，增加底空腔的回溯水流，水帘和水翅之间形成清水区[1]。

2.2 空腔效果及试验内容

原方案侧坎宽0.5 m，跌坎高为1.5 m，高速水流经过侧坎突扩形成侧空腔，经过突跌形成底空腔。由于侧向突扩，向上扩散的水流形成水翅回到正常水面后，在其下游又会激起冲击波，流态较复杂，向下扩散的水帘增加了底空腔的回溯水流，所以原方案各工况下空腔回水较多，设计和校核水位时下游泄槽水翅比较明显，流态较差。说明原方案掺气设施设置不合理，需要重新修改。该工程水头较高，从安全的角度来考虑，该工程要求达到库水位为3 240 m水位时进气通畅，设计水位3 275 m时下游无水翅现象的效果。

3 掺气设施体型影响因素研究

3.1 挑坎高度的影响

闸室末端未设挑坎时，空腔积水较多。为了消除空腔积水，试验在闸室末端设置了高为0.35 m、坡比为1∶12的挑坎。试验结果表明，相同流量下，掺气坎水舌挑距变远了，空腔长度变长了，空腔积水也略有减少，不影响通气孔进气，但是下游流态较差，水翅较为严重。因此可知挑坎越高，下游泄槽水翅越严重。

3.2 突扩宽度的影响

为了增大空腔长度，首先采用增大侧扩宽度的方案。在保持跌坎1.5 m的体型上将原方案侧扩宽度由0.5 m增大到0.7 m。在相同流量下，侧空腔长度增大，底空腔长度基本不变，侧空腔的增大加剧了泄槽水翅的程度。

3.3 泄槽底板坡度的影响

原方案底坡为9%，设计工况下，空腔回水较为严重，为了较少空腔回水，试验保持原方案跌坎高度1.5 m和侧扩宽度0.5 m的基础上，分别将底板坡度降为12%和14%。试验结果证明，在相同的流量下，坡度越陡，空腔效果越好，但下游泄槽水翅越严重。

3.4 跌坎高度的影响

试验在保持侧扩宽度0.5 m、下游底坡为12%的基础上，设置了高为1.0 m的跌坎。与原方案高为1.5 m的跌坎效果相比，底空腔长度减小了。因此可以得出，跌坎高度越高，底空腔长度越长。

4 掺气设施体型

综合考虑上述因素，可知增大底坡坡度对改善空腔回水有利，但对改善下游水翅没有益处。要想改善下游泄槽流态较差的问题，一味的增大底板坡度是不够的，还需要设法抬高底板，使底板形状尽量贴合挑射水舌下缘，减小水流入射角，才能消除下游溅水现象，这样就相当于降低了跌坎高度。本工程要想同时满足低水位掺气要求和改善高水位下游泄槽流态，必须满足2个条件：① 库水位为3 240 m时水舌入水点处底板切线斜率大于水舌入射角；② 设计和校核水位时，底板形状必须与水舌底缘曲线足够接近。

4.1 体型1

为了同时解决空腔回水问题和下游泄槽水翅问题，本次试验保持原方案跌坎高度1.5 m，将闸室后底板坡度改为12%，为了使得底板形状更加接近水舌底缘曲线，试验在闸室后设置半径为200 m的弧形底板与12%的底坡相接，体型见图3。

图3 方案1体型图 单位：m

试验发现库水位为3 240 m时，能够形成稳定的空腔，但是随着库水位的升高，下游流态就变的越来越差，水翅随着库水位的升高而变得更加严重。试验又将弧形下弯式底板半径增大到240 m时，设计水位空腔特别稳定，回水基本消失，下游泄槽溅水消失，但在库水位为3 240 m时不能形成稳定的空腔，回水较严重，不能满足低水位掺气的要求。分析得知这是由于水舌底缘入水点处底板较缓，斜率大于水舌入射角12%引起的。

4.2 体型2

为了解决3 240 m时进气通畅的问题，须增大水舌底缘入水点处底板的斜率，因此试验将弧形底板的半径改为140 m，然后与14%的坡相接，体型见图4。试验结果发现当库水位为3 240 m时，空腔非常稳定，进气效果很好，但是当库水位升高到设计水位时，下游泄槽水翅又比较严重，效果不是很好。

4.3 体型3

经过分析上述2个方案，得知库水位为3 240 m时进气通畅，空腔较好时，设计水位3 275 m时下游泄槽水翅较严重，当设计工况下游泄槽流态较好时，3 240 m时进气不是很通畅，究其原因还是因为底板形状与水舌底缘曲线相差较大引起的。经过反复试验，最后保持侧扩宽度为0.5 m，将跌坎高度由1.5 m减小到1.0 m，坎后先设置长为6 m的水平段，再用半径为45 m的圆弧与i=12%底坡相接，使库水位为3 240 m时水舌入水点处底板切线斜率大于水舌入射角，跌坎水舌的底缘曲线与底板的交点位于圆弧段之后i=12%的斜坡上，同时底板尽可能地与高水位时跌坎水舌的底缘接近，详细体型见图5。

图4 方案2体型图 单位：m

图5 方案3体型图 单位：m

试验结果显示3 240 m水位时，空腔虽有少量积水，但空腔非常稳定，进气非常通畅；设计水位时，空腔内积水消失，下游泄槽比较平顺，泄槽水翅溅水消失，达到了预期的目的。

5 结 语

本文主要采用模型试验的方法，对突扩突跌掺气设施的体型进行了详细的研究，初步确定了跌坎的高度、泄槽底板的形状以及泄槽底板的坡度等因素对空腔的效果影响较大，研究取得了以下的成果。

(1) 侧空腔的长度与侧扩宽度呈正相关关系，但侧扩宽度越大，侧空腔越长，掺气量越大，但下游泄槽水翅越严重。

(2) 底空腔的长度与挑坎和跌坎高度均呈正相关关系，但挑坎越高，底空腔越长，下游泄槽水翅越严重。

(3) 底空腔的长度与下游泄槽坡度呈正相关关系，坡度越陡，空腔越长，空腔效果越好，但下游泄槽水翅越严重。

(4) 底板形状必须与水舌底缘曲线足够接近，才能解决下游泄槽水翅问题。

(5) 在实际工程中，避免产生较大水翅，根据实际工程的特点，确定合适的侧扩宽度、跌坎和挑坎的高度以及下游泄槽底坡的坡度，尽可能使得水舌底缘入水点处底板的斜率大于水舌入射角，才能同时解决空腔积水问题和下游泄槽水翅问题。

[1] 李国栋,徐文海,邵建斌,陈刚.泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟[J].武汉大学学报,2007,40(5):34-38.

[2] 聂孟喜,段冰,李琳琳.突扩突跌体型侧墙负压区的演变特征[J].水利水电科技进展,2006,26(6)：34-36.

[3] 王婧雅,刘之平,张建民,缴锡云,秦大庸.有压出流条件下突扩突跌掺气设施空腔长度研究[J].南水北调与水利科技,2013,11(2)：28-31.

[4] 李国敬,戴光清,杨庆,马旭东.突扩突跌侧空腔掺气水力特性大涡模拟[J].水力发电学报,2012,31(3):137-141.

Study on Outline of Aeration Facility at Outlet of Abrupt Enlargement and Drop Section of Radial Gate

HE Cui-ling1, LIU Shao-bin1, HAN Chong2

(1.Engineering Experiment and Detection Branch, Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710043,China;2. Xi'an University of Technology, Xi'an 710043,China)

Based on the physical model experiment, outline and its impact factors of the aeration facility at the outlet of the abrupt enlargement and drop section of the radial gate are studied in detail. The experiment presents that the complex flow pattern is formed by the aeration facility of abrupt enlargement and drop. The dispersed flow upward forms water wing. After it returns on the normal water surface, the impact wave at its downstream is again caused. The dispersed flow downward forms water curtain, increasing the return flow at the bottom cavity. The length of the bottom cavity forms positive phase relations with drop, flip height and downstream chute gradient. But the steeper the chute is, the severer the water wing in the downstream chute is. The length of the lateral cavity is in positive phase relation with the lateral expansion width. But this is in opposite phase relation with the degree of the water wing in the downstream chute.Key words: abrupt enlargement and drop; model test; aeration facility; bottom cavity

2015-02-26

贺翠玲(1983- )，女，陕西省延安市人，工程师，主要从事水工水力学的研究工作.

TV135.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.009