水电站下坡长引水隧洞气团运动危害性分析

宋恒文，张 东（.本溪多益资源开发有限公司，辽宁 本溪 700；.辽宁省水利厅，辽宁沈阳700）



水电站下坡长引水隧洞气团运动危害性分析

宋恒文1，张 东2
（1.本溪多益资源开发有限公司，辽宁 本溪 117200；2.辽宁省水利厅，辽宁沈阳117200）

［摘 要］引水式水电站长输下坡引水隧洞运行过程中如有气团存在将会影响隧洞及相关设备的运行安全，甚至可能导致恶性事故的发生。本文结合案例充分分析了气团引发的事故的严重性，并针对隧洞内气团的生成原理、运动机理及其危害性进行了详细的分析、论述。

［关键词］引水遂洞；气团；运动机理 ；危害分析

引水式电站的引水系统主要由进水闸门、进水口、引水隧洞、调压井、调压井事故闸门、压力钢管、机组前端进水球阀等组成，其引水隧洞长度为几百米至十几千米不等，运行过程中引水隧洞如有气团存在，将直接影响其安全运行，严重者可能造成设备损坏，引水隧洞开裂或坍塌，造成巨大的经济损失。因此，能全面了解气体在隧洞中的运动规律、充分认识其危害性并采取适当的措施，便能预防恶性性事故的发生，保证引水系统的安全运行。

1 隧洞内形成气团的气体来源

引水隧洞中可能的气体来源主在有3种方式。

1）隧洞进口在电站运行过程中进气。

2）溶解在水中的气体析出，随水运动形成的气泡或气团。

天然水中溶解的气体最大含量为2%，研究表明在其随水运动时当压力降低至某一值时，气体才能从水中析出，而水在下坡引水隧洞中运动时，压力是不断增大的，因此溶解气体不可能析出。再者实验表明，小直径汽泡在流速大于1 m/s的水中运动时，与水的相对滑移速度可忽略不计，即没有相对运动、与水速度相同。因此，不具备形成大的气泡和气团的条件。可见溶解于水中的气体不会对引水隧洞产生不良影响。

3）充水过程中隧洞中的留存气体

引水系统充水过程中未严格执行规程规定，充水水流过大造成个别部位的气团存在；或水未充满便大开度提进水口闸门，造成隧洞内混入大量气体。充水过程中形成的气团大小、数量取决于隧洞复杂程度、隧洞直径、充水方式、充水流量等诸多因素。

2 气团运动机理及危害分析

2.1 充水过程中的流态分析

美国水锤专家马丁的研究理论，较平坦管洞充水过程中存在6种典型气水两相流状态，见图1。 水电站引水隧洞充水之初多为层状流和波状流，电站引水隧洞直径较大，采用小流量充水时，管洞内空气会在隧洞上层由高压井及进水口缓慢排出，隧洞内水面平稳上升不会形成气团。反之如引水隧洞直径小，或充水流量相对较大时，其流态会由初始的层状流转为波状流、进而转变为段塞流、最终转变为团状流。

图1 气水两相流状态图

2.2 滞留气团形成的原理分析

下坡引水隧洞中气团所受力包括：Ff——水的浮力；Fn——气团与水流间的粘滞阻力；Fm——气团与管洞壁间的摩擦力。气团受到的浮力使气团与流动的水体之间产生较大的滑移速度，且气团体积越大越明显，甚至可使其逆水而行。气团受到的粘滞阻力与气团和水流间的速度梯度有关，速度梯度越大，粘滞阻力也就越大。气泡及小气团受到的粘滞阻力比浮力要小得多，会被水流以较快速度带走（与水流间的滑移速度较小）。气团越大，其受到的浮力就越大，前进的速度就越小。这样在隧洞足够长的情况下，小的气泡或气团必定会追上大的气团形成更大的气团，这是气团体积变大的原因之一。再者，当气团体积达到一定程度形成气阻后，为维持固定流量，水流流经气团时，流速会增大，而水压会降低，溶解于水中小气泡将在一定程度上被释放。这是气团体积变大的又一原因。但这并不是说气团体积可一直持续增大：当气团形成气阻后，气团下方的水流速度增快，水体与气团间的粘滞阻力会增大，气团体积很难维持不变，气团有可能会被水流冲散并带向下游，并最终由高压井排出。下坡隧洞中，当气团体积适当，维持不变，也就是当补充的气体与水流携走的气体达到平衡时，且各受力的合力达到平衡时，气团便能在隧洞某一部位滞留。

发电过程中，如隧洞进气量小，形成一个滞留气团后被水携带冲向下游的气体体积不足以形成一个稳定的滞留气团时，则此部分气体将最终由调压井排出，这样隧洞内将只有一个滞留气团存在。反之，如隧洞进气量大，则极有可能有多个气团滞留在隧洞内。气团的体积大小、数量及滞留的位置情况与隧洞长度、隧洞形状、隧洞直径、隧洞坡度、隧洞壁的粗糙度及水流速度等诸多因素有关，因此无法进行定量分析。

电站长输下坡引水隧洞中的滞留气团是在动态过程中产生的，机组停运、隧洞内水无流速的情况下，气团不可能长时间存在，会在浮力的作用下从进水口或调压井排出水面。

2.3 气团的危害影响分析

2.3.1 影响隧洞的输水效率，影响机组出力

气团在隧洞内如形成气阻，将改变水流通过该区段的流态，使输水效率受到不同程度的影响；再者，如隧洞内气体的总体积较大，会使机组进水口处压力下降，降低机组运行的有效水头，使机组在开度不变的情况下，出力降低。

2.3.2 气团内产生高压，危害隧洞洞体安全

当引水系统的运行状态发生突变，气团也会发生相应的变化。一种情况：电站机组突然大幅度增加负荷。此时机组的过机流量突然增大，隧洞内水体流速亦增大，一定时间内气团下游侧水体的流速大于其上游侧水体流速，气团体积变大，气团内压力突然降低，并形成负压；之后，其上游侧水体在重力及负压作用下作加速运动，挤压气团，使气团体积远小于其原有体积，其内部产生极具破坏力高压，其周围水体也在负压及气团移动过程中反复拍击洞壁，并发出巨大声响。另一种情况：电站机组突然大幅度减负荷（或甩负荷）。在此情形下，也会出现上述的往复振荡冲击现象，所不同的是，首先出现的是上、下游水体挤压气团所形成的高压。著名的美国水锤专家V.L.Streeter在其著作《瞬变流》中有一个算例：一个水位为30 m的水池，底部引出60 m长的水平管，其直径为1 m，在距管末端12 m一段存有空气，空气初始绝对压力为102 kPa，当在0.95 s内打开管道端阀门时，在接近2.5 s时空气压力猛增至2 331 kPa，可见由于气团存在所引起管道压力振荡的严重程度。

2.3.3 气团高速上浮引起的冲击危害

当下坡引水隧洞中流动水体停止流动时，滞留的气团受到的粘滞阻力减小，在浮力的作用下开始上升。专家针对气泡在水中的上浮情况进行过针对性的研究论证，得出了水泡上浮时的运动规律，这些规律在一定程度上对大体积的气团也是适用的：①直径大的气泡上升速度快。②气泡越大，其上升过程中所达到的最大稳定速度越高。③气泡上升过程中由于所受水压力减小，其体积逐渐变大。④运动中遇到阻力会变成规避阻力的流线型（胖黄瓜形状），不但能减小阻力，而且可获得更大的加速度。⑤气泡可能会在上浮到某个阶段发生破裂。其破裂只是由一个较大的气泡分裂成几个较小的气泡，破裂的直接原因不是压强减小，而是由于压力减小，气泡的体积逐渐变大，气泡越大。所以，上升速度加快。但是由于气泡的体积增大，气泡接触水的面积也增大，其受到的阻力也增大了。在气泡较小时，其表面张力相对集中，不易分裂。但在气泡变大后，表面张力不足以维持住大型气泡的水的运动，就会在迎面水流的阻力下分

裂成几个小部分。

电站机组突然甩负荷或停机时，引水隧洞内水体在很短时间内由流动转为静止，位于隧洞末端的调压井水位在此时间段内达到最高，产生水锤效应，之后洞内水体在水锤作用下作加速的反向流动，此时滞留于洞内的气团在浮力作用下借助水流速度向进水口作加速上浮运动。气团由进水口排出时会产生强烈的冲击波，体积受到压力及洞体限制的气团在排出的一瞬间，其内部压力得到释放，加之其极高的运行速度，因此会产生类似爆炸的效果，对进水口设备造成破坏。

气团造成的危害性事故de发生，与进气量多少、气团数量、气团体积、气团滞留位置、进水口形式、隧洞长度、隧洞形状、隧洞直径、隧洞坡度、隧洞壁的粗糙度、水流运行状态改变的程度、改变的速度快慢等诸多因素有关，只有在各种条件组合满足的情况下才能引发事故。

3 案例分析

礼河3组水电站1971年1月8日事故：电站1号机组试运行时，在球阀下游未充水而为气柱的情下，发出开动球阀信号。几秒时间内突然一声巨响，水压表瞬时下降至40 kg/cm2，而后又突升到90 kg/cm2。停机后检查发现：1号高压平洞的34号和36号管段爆裂，其中34号管段裂缝长2.15 m、宽2~3 mm；36号管段裂缝长4.4 m，宽4~5 mm。此事故属典型的压力水流冲击大体积气团引发的高压危害事故。

4 结论

引水式电站隧洞内气体可能来源有：溶解空气析出、充水未完成、进水口进气。条件具备时，气团能在隧洞的流动水体中滞留，如进气量大有可能在不同部位形成多个滞留气团。在一定条件下，气团的存在会影响输水效率、会降低机组出力；气团部位会产生极具破坏力的高压及振荡；气团由进水口排出时会产生强烈的冲击波。案例充份展示了由于气团引发的事故的严重性，因此建议相关发电企业要积极采取针对性措施，杜绝此类事故的发生。

［参考文献］

［1］杨玉思，张世昌，付林.有压供水管道中气囊运动的危害与防护［J］.中国给水排水，2002（9）：32—33.

［2］李清，夏珉等.水平管内气液两相流中气泡移动速度的数值模拟［J］.石油化工，2011，40（10）：1078—1082.

［中图分类号］TV554

［文献标识码］A

［文章编号］1002－0624（2016）06－0063－02

[收稿日期]2015-12-20