长河坝水电站泄洪洞掺气减蚀设施设计

蒙富强

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)



长河坝水电站泄洪洞掺气减蚀设施设计

蒙富强

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

长河坝水电站3条泄洪洞水头高、流量大、流速高，泄洪洞空化空蚀问题突出，需设置掺气减蚀设施。结合水工模型试验，分析了泄洪洞空化特性，优化了掺气减蚀设施型式选择。流态及掺气效果分析表明，最终确定的方案能有效地防止或减少气蚀的破坏，掺气效果良好。

泄洪洞；高速水流；掺气减蚀设施；空化空蚀；长河坝水电站

1 工程概况

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“三库22级”的第10级电站，上接猴子岩水电站，下接黄金坪水电站。长河坝水电站正常蓄水位为1 690.00 m，正常蓄水位以下库容为10.15亿m3，电站装机容量为2 600 MW。电站的开发任务主要为发电，枢纽由砾石土心墙堆石坝、左岸地下引水发电系统和右岸泄水建筑物组成。

泄水建筑物布置在河道右岸，由泄洪洞、放空洞组成，泄洪洞从左至右依次由1条深孔泄洪洞(1号泄洪洞)和2条溢洪洞(2号、3号泄洪洞)组成，其主要任务是下泄大、中、小洪水。1号泄洪洞由岸塔式短有压进口、无压隧洞和出口挑流鼻坎组成。进口塔体尺寸为49.0 m×27.0 m×52.0 m(长×宽×高)，进口底板高程为1 650.00 m，工作闸门孔口尺寸为14.0 m×11.5 m(宽×高)。无压隧洞采用一坡到底的形式，洞身总长1 372 m，纵向坡度为0.102 79；洞身断面形式为圆拱直墙型，断面尺寸为14.0 m×(16.0～19.0)m(宽×高)。出口挑坎采用斜切扭曲挑坎，挑角15.14°～30.58°，尾坎高程为1 511.18～1 519.98 m。泄洪洞最大泄量3 692 m3/s，最大流速约44.86 m/s。2号、3号泄洪洞由开敞塔式进口、无压隧洞和出口挑流鼻坎组成。进口塔体尺寸为43 m×28.0 m×38.5 m(长×宽×高)，采用实用堰形式，堰顶高程为1 673.50 m，工作闸门孔口尺寸为17.0m×16.5m(宽×高)。无压隧洞采用一坡到底的形式，洞身总长分别为1 508、1 540 m，纵向坡度分别为0.108 48、0.105 52；洞身断面型式为圆拱直墙型，断面尺寸为(14.0～17.0) m×(18.0～15.0) m(宽×高)。2号泄洪洞出口挑坎采用窄缝挑坎，挑角6.73°，尾坎高程为1 500.23 m；3号泄洪洞出口挑坎采用扩散斜切挑坎，挑角8.51°～15.48°，尾坎高程为1 501.72～1 506.77 m；单洞最大泄量3 138 m3/s，最大流速分别为45.06、47.11 m/s。

长河坝泄洪洞泄洪流量大、流速高，其空化空蚀问题非常突出。本文简要介绍了长河坝泄洪洞掺气设施的设计及优化过程，结合泄洪洞水工模型试验，对该泄洪洞掺气减蚀设施的体型和水力特性作了分析和论述。

2 泄洪洞空化特性分析

若长河坝泄洪洞洞身不设掺气减蚀设施，通过水工模型试验发现：在最高水位1 694.60 m工况下，1号泄洪洞0+330.00之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化数小于0.35；2号泄洪洞0+350.00之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化数小于0.32；3号泄洪洞0+320.00 m之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化数小于0.31。试验成果表明，随着流速增大，水流空化数减小，洞身段极易发生空化空蚀破坏。因此，根据规范及相关工程经验，长河坝泄洪洞应设掺气减蚀设施。

3 掺气减蚀设施设计

3.1 掺气减蚀设施位置确定

掺气减蚀技术是一种防止空蚀的有效工程措施，掺气一般采用底部进气。当混凝土过流面上水流流速在30 m/s左右时，或者水流空化数为0.3时，可根据具体情况确定是否设置掺气减蚀设施，当流速大于35 m/s时，应设置掺气减蚀设施。根据长河坝泄洪洞流速及水流空化数分布情况，并结合相关工程经验，将第1道掺气设施布置在0+350.00位置。掺气设施保护长度一般约为200 m，考虑到第1道掺气设施流速较小，掺气效果可能较差，因此适当缩短其保护长度，将第2道掺气设施布置在0+500.00位置。其余掺气设施保护长度取200 m，因此泄洪洞第3～6道掺气设施位置分别为0+700.00、0+900.00、1+100.00、1+300.00。

3.2 掺气减蚀设施型式选择

目前，掺气设施的样式比较繁多，掺气设施的一般的工程形式包括挑坎式、跌坎式、槽式以及组合式等。掺气设施空腔负压决定掺气量的多少，空腔负压较小时，掺气不充分，掺气效果不好。但并非空腔负压越大越好，当空腔负压较大时，会使掺气量大量溢出，同时造成边墙水翅过大；再者，空腔负压过大，空腔被压缩，水舌不稳，掺气量也会减少。因此，一个高效的掺气设施必须具有一定的空腔长度，适宜的空腔负压和充分的通气量。

根据泄洪洞底坡并结合类似工程经验，掺气设施采用坎跌组合形式。①第1、2道掺气设施。由于Fr<0.4，水流重力占据主要作用，采用常规连续掺气设施，出现强回溯水流，无法形成有效的掺气空腔，掺气效果较差；为解决低Fr数、大单宽流量的泄洪洞掺气设施空腔回水问题，试验中多次对挑坎高度、角度以及下游底板水舌冲击角等进行调整，最终确定的掺气设施体型为：第1、2道掺气坎下游斜坡为半径87 m，弦长约27.9 m的圆弧形底板，再以半径约0.9 m圆弧衔接原底板，如图1a、1b所示。②第3～6道掺气设施挑坎高度为0.5 m，挑坎下游平坡接陡坡，在掺气坎两侧布置通气孔，面积为1 m×1.5 m(高×宽)，如图1c所示。第1～6道掺气设施在各工况下掺气效果均较好。

图1 第1～6道掺气坎体形示意

3.3 补气洞布置优化

初期设计1号、2号、3号泄洪洞均布置2条补气竖井，2条补气竖井各连接1条补气平硐通向山外，补气平硐之间断开不连接，在设计及校核工况下，补气洞通气量为5.99～23.98 m3/s，进气量较小。补气平硐连接后，且对补气竖井进行了微调，补气竖井进气量增大到200 m3/s，补气效果提高非常明显。故最终采用连接补气平硐的方案。

4 流态及掺气效果分析

由最终试验成果看出，洞内水流比较平顺，掺气充分，水体变成乳白色，没有出现翻滚、爬高、窜顶等恶劣流态。在校核洪水位下闸门全开泄流时，1号泄洪洞洞内水深11.25～6.42 m，低于边墙高度，最小洞顶余幅17.18%；2号、3号泄洪洞洞内水深11.00～5.60 m，低于边墙高度，最小洞顶余幅15.43%，洞顶余幅均满足要求。在各工况下，1号、2号、3号泄洪洞各级掺气设施下游均能形成稳定的空腔，空腔长度8～28 m；空腔内并有一定的空腔负压值，约为-0.3～-1.5 m，均在允许范围内，落水点后均无水翅。各掺气设施水力参数详见表1、2。从试验实测的底板掺气浓度看，在设计水位及校核水位工况下，1号、2号、3号泄洪洞底板掺气浓度均大于3%，掺气效果良好，说明掺气设施对泄洪洞起到了保护作用。

表1 1号泄洪洞掺气设施水力特性(设计工况)

掺气坎编号坎上水深/m坎上平均流速/m·s-1空腔长度/m空腔负压值/981kPa回溯水流(强度、水深)挑流水舌最高点水深/m挑流水舌最高点位置1号82528142750-03弱10跌坎下游115m2号72848800-05弱75跌坎下游75m3号73354914～275-04无81跌坎下游14m4号71236314～30-15无86跌坎下游155m5号60540915～285-135无835跌坎下游12m6号6274007145～28-15无75跌坎下游12m

表2 2号、3号泄洪洞掺气设施水力特性(设计工况)

掺气坎编号坎上水深/m坎上平均流速/m·s-1空腔长度/m空腔负压值/981kPa回溯水流(强度、水深)挑流水舌最高点水深/m挑流水舌最高点位置1号575233810～15-07弱625跌坎下游6m2号4752756115～145-13无55跌坎下游75m3号4633667155～21-175无7跌坎下游105m4号455394185～21-1无65跌坎下游8m5号488405416～21-1无575跌坎下游11m6号4634174155～21-05无525跌坎下游9m

5 结 语

类比国内外同类已建工程，掺气减蚀是一种经济有效的抗冲技术措施。通过水工模型试验验证，长河坝水电站1号、2号、3号泄洪洞设置掺气设施后，能使掺气坎后在各工况下形成稳定的掺气空腔，保证向下游供气，高速水流达到一定的掺气浓度后，就能有效的防止或减少气蚀的破坏，掺气效果良好。

[1]R. T. 柯乃普， J. W. 戴利， F. G. 哈密脱. 空化与空蚀[M]//水利水电科学研究院译. 北京： 水利出版社， 1981. 9．

[2]RAHMEYER W. Energy dissipation and limiting discharge with orifices[J]. Journal of Transportation Engineering， 1988， 114(3)： 232- 238．

[3]白立新. 掺气对空化空蚀影响的机理研究[D]. 成都： 四川大学， 2009．

[4]王均星. 长河坝水电站整体水工模型试验研究报告[R]. 武汉： 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室， 2012．

(责任编辑 王 琪)

Design of Spillway Tunnel Aeration and Cavitation Mitigating Facilities in Changheba Hydropower Station

MENG Fuqiang

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

As the high water head, large discharge and high flow velocity of three spillway tunnels in Changheba Hydropower Station, the cavitation erosion of spillway tunnels will be prominent, so the aeration and cavitation mitigating facilities need to be set. Combined with hydraulic model tests, the cavitation characteristics of spillway tunnels are analyzed and the type selection of aeration and cavitation mitigating facilities is optimized. The flow pattern and aeration effect analyses show that the final solution of aeration and cavitation mitigating facilities can effectively prevent or reduce cavitation erosion and the aeration effect is good．

spillway tunnel; high-speed flow; aeration and cavitation mitigating facility; cavitation; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

蒙富强(1980—)，男，广西百色人，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计．

TV651.3(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0036- 03