新疆JK水库工程竖井水平涡旋流溢洪洞水流空化特性试验研究

陈振军

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

JK水库表孔溢洪洞采用竖井水平旋流的消能形式，最大泄流量达623 m3/s，上下游落差最大达120 m以上，其中竖井高度接近100m，其结构体型及过流边界较为复杂，水流空化问题突出，需要通过减压模型试验，对表孔溢流洞的各个关键部位的空化特性进行深入研究。论证水平旋流洞的抗空化特性，发现问题时采用适当的工程措施，以减免表孔溢流洞在高水头、大流量泄流条件下发生空化空蚀的可能性，为表孔溢流洞的安全运行提供依据。

JK水库由拦河坝、表孔泄洪洞（导流洞改建，竖井水平涡旋流消能形式）、底孔泄洪-冲沙-放空洞、发电引水洞、地面厂房及电站尾水渠等组成。总库容1.21亿m3，调节库容0.71亿m3，电站装机30 MW，年发电量2.14亿kW·h，为Ⅱ等工程。工程建成后，可控制灌溉面积70.73万亩，将下游防洪堤防洪标准由5年一遇提高到30年一遇[1-2]。

1 试验内容

1.1 试验内容

JK水库表孔溢洪洞（见图1）减压模型试验以常压试验的推荐体型为基础，对竖井进流水平旋流洞关键部位的空化特性进行研究，对比观测常压状态和减压状态洞内的水流流态和压力分布，监测不同运行条件下溢流进口段、竖井、起旋室等关键部位的水流空化噪声，分析其水流空化特性[3-4]，根据试验结果提出结论或修改建议。其主要试验内容如下：

（1）减压状态下，观测不同泄流条件下溢流进口段、竖井段的水流流态，观察掺气设施水流形态和稳定性，并与常压状态下的水流流态进行对比分析。

（2）根据实测压力资料，计算表孔溢洪洞不同泄流部位的水流空化数，初步分析水流的空化特性。

（3）测试不同特征水位下溢流进口、竖井、起旋器各个关键部位的水流空化噪声，通过对空化噪声的频谱分析，结合目测及洞内压力分布，分析水流的空化特性。

图1 表孔泄洪洞布置图

1.2 模型设计

表孔泄洪洞常压水工模型按照重力相似准则设计，模型几何比尺为1∶30，原型与模型的比尺关系如为长度比尺：λL=30，速度比尺：λV=λL0.5=5.477，时间比尺：λt=λL0.5=5.477，压强比尺：λp=λL=30，流量比尺：λQ=λL2.5=4929.503，糙率比尺：λn=λL1/6=1.763。

为便于观察流态，模型的引渠段、进口溢流控制段、竖井段全部采用透明有机玻璃精细加工制作。有机玻璃糙率系数nM为0.008，根据曼宁公式按照模型比尺换算得到原型糙率np为0.0141，与混凝土表面糙率0.014接近，基本满足糙率相似条件。

2 水流空化特性

2.1 水流空化数

水流空化数是反映水流空化特性的重要指标，在不考虑脉动压力影响的条件下，水流空化数用式（1）表示：

式中：Pa为工程所在地的大气压力（kPa）；P为泄洪建筑物表面的时均压力（kPa）；Pv为汽化压力（kPa）；这里按照水温 20℃时的汽化压力计，即：Pv=2.29 kPa；V为过流断面的平均流速。

闸门全开，在设计水位和校核水位泄流工况下，进口溢流堰面最小水流空化数分别为1.40和1.09。设计工况下溢流堰段平均流速8.5 m/s～10.0 m/s，堰面没有出现较大的负压，计算得到的水流空化数均大于1.0。

2.2 水流空化噪声分析

2.2.1 水流空化噪声分析方法

水流噪声能量比值E/E0。水流噪声能量也是衡量水流是否发生空化的重要物理参数。试验中同样取真空度为η=0.85ηm时的水流噪声能量作为背景噪声能量，然后逐级增加减压箱内真空度，每增加一级待水流稳定后均测试一组水流噪声能量，直到真空度超过相似真空度为止。水流空化噪声能量E按下式计算：

式中：fi为频带的中心频率（Hz）；（BL）i为频带的声压级（dB），噪声能量的分析频率范围取10 kHz～200 kHz的高频段。一般来说，水流自身流动的噪声在高频段的能量随真空度的变化缓慢，而水流空化噪声随真空度的升高而迅速增大。噪声相对能量表示实测噪声能量与背景噪声能量的比值E/E0，试验中以噪声相对能量随真空度的变化过程和增长幅度来判断水流是否发生空化。

2.2.2 水流初生空化的判别标准

当E/E0～η的关系曲线的曲率发生突变，且相似真空度时水流噪声能量（Em）与背景噪声能量（E0）的相对比值（Em/E0）比值达到2.0左右时，一般认为满足以上两个条件即可以判断水流发生了初生空化，再对可能发生空化水流部位附近的水流内部进行目测观察，分析判断水流的空化状况。

对于设置了掺气设施的泄洪建筑物，由于水流掺气影响空化现象的目测和观察，主要根据监测水流噪声来分析和判断水流是否发生空化，结合水流的掺气效果和水力特性综合评价其空化的危害程度。

2.3 水流空化噪声测试结果

根据表孔溢洪洞的体型布置和运行特点，减压模型在进口溢流堰面段、竖井与溢流进口连接及环形掺气坎段、竖井段、起旋室附近分别布置了水听器（测点编号N-01～N-04），利用水听器监测关键部位的水流噪声，判断水流是否发生空化。

闸门全开，减压试验监测了表孔溢洪洞进口至水垫塘段各个关键部位的水流噪声，图2～图4给出了相似真空状态下各测点的水流噪声频谱曲线及相应的背景噪声频谱曲线，各测点相似真空度状态下的水流噪声与背景噪声在30 kHz～200 kHz高频段内的声压级差（△SPL）统计结果见表1。

表1 不同特征水位下水流空化噪声声压级差(△SPL)（dB）

2.3.1 溢流进口（N-01测点）附近水流空化特性

N-01测点布置在溢流堰面及末端掺气跌坎上游边墙附近，闸门全开，不同泄流工况下实测水流噪声频谱特征结果如下：

1）在设计水位和校核水位的运行条件下，N-01测点在相似真空度状态下的水流噪声与背景噪声比较，在大于30 kHz高频段的最大声压级增量分别为4.3 dB和4.6 dB，水流噪声声压级增量随库水位升高、泄流量增大而略有增大，但均小于非掺气水流空化初生临界判别下限值5.0 dB；

2）在校核工况下，N-01测点水流噪声能量随真空度的增加而增长缓慢，在相似真空度时（ηm）实测水流噪声能量（Em）为背景噪声能量（E0）的1.75倍，相对噪声能量比（Em/E0）也低于通常认为会发生空化初生的判别值2.0。

2.3.2 竖井与进口连接段及环形掺气坎附近（N-02测点）水流空化特性

1） 不同泄流工况下，竖井与进口连接段外侧边墙N-02测点在高频段的最大声压级增量处于4.1 dB～4.7 dB之间，均略小于非掺气水流空化初生判别标准的临界下限值5.0 dB；校核工况下，N-02测点在相似真空度时的水流噪声能量与背景噪声能量的相对比值（Em/E0）为1.92，也低于空化初生的临界值2.0；

2）不同泄流工况下，竖井与进口连接段内侧处于溢流跌坎后的掺气空腔范围；溢流水舌与竖井交汇的角度较小，未对竖井外侧井壁形成较强的冲击现象，表面旋滚稳定，并具有一定卷吸气体的掺混作用，且环形掺气挑坎收缩来流，对井壁也起到一定的增压作用，肉眼观测连接段井壁没有出现水流分离及空化云现象，结合水流噪声结果可以判断，竖井与进口连接段及环形掺气坎附近也没有发生空化水流。

2.3.3 竖井段（N-03测点）附近水流空化特性

1）不同泄流工况下，竖井段N-03测点在高频段的最大声压级增量处于4.0 dB～4.6 dB，均小于非掺气水流空化初生判别标准的临界值；校核工况下，N-03测点在相似真空度时的水流噪声能量与背景噪声能量的相对比值（Em/E0）为1.72，也低于空化初生的临界判别值；

2）不同泄流工况下，竖井环形掺气坎后四周空腔均较长，内侧掺气空腔与溢流堰跌坎后空腔贯通一体，通气顺畅，目测竖井内为掺气充分的下泄水体，竖井下部及收缩段洞壁均为较大的正压；不同泄流工况下实测水流噪声均处于水流空化初生判别标准范围内，综合水流流态、压力及噪声结果可以判断，竖井段水流不至发生空化。

2.3.4 起旋室（N-04测点）附近水流空化特性

1）在泄量分别为设计和校核水位的运行条件下，起旋室N-04测点在高频段的最大声压级增量分别为4.1 dB和4.3 dB，均小于临界值5.0 dB；

2）校核工况下，随着真空度的增大，起旋室N-04测点实测水流噪声能量的增长缓慢，噪声能量没有出现明显的突变，在相似真空度时实测水流噪声能量仅为背景噪声能量的1.37倍（Em/E0=1.37），远低于空化初生的临界判别值2.0；

3）不同泄流工况下，竖井下泄水流经起旋室均形成稳定的空腔旋转流，起旋室上游洞壁设置通气孔和旋流空腔正常连通，通气顺畅；在高速旋转水流离心力作用下，起旋室洞壁压力大幅度升高；另一方面，导流坎与旋流洞连接部位采用削坡处理，同时起旋室与旋流洞采用收缩连接方式，避免了体型连接段出现负压；且竖井来流掺气充分，对起旋室过流边界能起到较好掺气保护作用，目测起旋室各关键体型部位没有发现水流分离及空化云现象，实测水流噪声均处于水流空化初生判别标准范围内，表明起旋室段也不至发生空化水流。

图2 常遇洪水流量：303 m3/s

图3 设计水位：H=2509.13 m

图4 校核水位：H=2510.77 m

3 结论

（1）不同特征泄流工况下，进口与竖井连接段及竖井段水流噪声的声压级增量及相对噪声能量均低于初生空化的临界判别值，进口溢流水舌与竖井衔接良好，环形掺气设施运行正常，竖井段水流掺气充分，竖井连接段、环形掺气坎及竖井段均不至发生水流空化。

（2）不同特征泄流工况下，起旋室段实测水流噪声在高频段的最大声压级增量小于4.5 dB，校核工况下水流噪声相对能量比值仅为1.37，竖井来流经起旋室能形成稳定的空腔旋流，通气顺畅。在导流坎采用尾部削坡以及起旋室与旋流洞收缩连接的体型设计下，有效避免了衔接部位出现负压，也没有出现水流边界分离及空化云现象，边壁水流掺气明显，减压试验结果表明起旋室具有较好的抗空化性能。