进水口设闸控流的坝下涵管空蚀破坏及防空蚀措施

蔡勇平，蔡晓鸿

（1.江西省吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安，343000；2.江西省吉安市水利局，江西 吉安，343000）

0 引言

江西省吉安市吉州区中型水利工程官溪水库大坝控制集水面积18.5 km2，正常蓄水位79.53 m，总库容1 510万m3，兴利库容1 170万m3，设计灌溉面积0.16万ha。水库输水建筑物为进水口设闸控流的无压流钢筋混凝土坝下涵管，闸门过流孔口尺寸为1.2 m×0.8 m（宽×高），坝下涵管内径1.8 m，底坡i=1/300，孔口断面底板高程70.8 m，坝下涵管以正常蓄水位为设计工况，工作闸门后涵管长46 m，管后接灌溉渠道。

2017年6月12日，有关人员进入涵管检查发现，距闸门孔口11～43 m长32 m中间管段顶部与侧壁混凝土有严重剥蚀破坏现象，蚀损深度10～30 mm，剥落混凝土手捻呈粉末状，粗骨料大面积裸露。设闸控流的无压流涵管出现如此严重蚀损破坏现象，引起了主管部门、设计单位与水管单位的高度重视，立即组织工程技术人员分析了原因，及时提出加固处理设计方案。据美国统计，在上游坝面或上游坝面附近设置阀门（闸门）控流的输水建筑物，几乎都遭到了严重的气蚀破坏［1］。鉴于问题的普遍性，特以官溪水库坝下涵管空蚀（也习称气蚀）破坏为例，计算分析产生的原因，并提出相应防空蚀破坏措施，为水工设计人员提供借鉴。

1 空化与空蚀

进水口设闸控流坝下涵管流态主要与涵管过流量及库水位、涵管断面型式及尺寸、涵管底板高程及底坡、涵管长度及通气孔设置等因素有关。当涵管内水流未与闸门底、管顶接触时，管内水流为无压流；当水流接触闸门底，管内水面仍处于管顶以下，管内水流为孔流；当管内已有局部断面充满水流，管内水流为半有压流；当全涵管被水流充满时，管内水流为有压流。

鉴于影响涵管流态的因素非常多且甚为复杂，目前，对涵管流态的转化界限尚无成熟的计算方法，但有一点在水工界是明确的，那就是封闭管道内应避免水跃现象的发生，应避免明满交替半有压不稳定流态的出现。因为封闭管道内的水跃或明满交替半有压流流态内空气与气核的存在，均有可能在管道内产生空化现象，并形成空蚀破坏等严重问题。

以往，人们关注的是如何防止空蚀破坏，但是对空蚀的成因机理不太重视，致使水工建筑物往往因设计、施工或运行不当等原因，不断发生空蚀破坏问题。

所谓“空化”现象，就是指温度一定时，若水体所受的压力降低到该温度下水的蒸汽压力值时，水体内就会出现空化现象，产生空泡。有必要指出，水的空化与水的沸腾形似而质异。空化所产生的空泡随高速水流带向下游压力较高区域后，泡中的蒸汽重新凝固，空泡便瞬间突然破裂溃灭，形成高强度冲击压强与微射流压强，其强度可达数百兆帕级［2］。显然，这种高强度冲击荷载与微射流荷载若直接且连续地作用于坝下涵管管壁上，将导致涵管壁面出现蚀损破坏，这种现象被工程界称为“空蚀”，轻则出现斑点麻面，强度丧失；重则形成蜂窝孔洞，片状剥落；更严重者，可产生深大蚀坑，混凝土甚至岩块被掀起冲移。显见，空蚀的破坏程度既取决于水流的空化强度，又与结构材料的抗蚀能力密切相关。

2 坝下涵管空蚀破坏原因分析

前面对中型工程官溪水库坝下涵管产生空蚀破坏的原因、机理进行了定性探讨，下面从理论上进行定量计算分析，以查明坝下涵管发生严重空蚀破坏的主要原因。

2.1 坝下涵管收缩断面水深计算

据坝下涵管运行资料，水库正常蓄水位工况下的闸门开度为0.27 m，相应涵管过流量为2.44 m3/s。经计算，出口管段均匀流正常水深为0.88 m，过流面积为1.24 m3，流速为1.97 m/s。此时，闸门孔口处流速为7.53 m/s。据水力学，由闸门孔口处急流过渡到管内缓流，必将出现水跃这一局部水力现象，实现水流间的衔接。

利用式（1），可求算出闸孔后坝下涵管的收缩断面水深，即第一共轭水深[3]：

式中：T0为相对于坝下涵管底板的进水口总水头，在正常蓄水位运行工况下，T0=79.53-70.8=8.73 m；

hc为收缩断面水深；

Q为坝下涵管设计灌溉引用流量，Q=2.44 m3/s；

φ为流速系数，取φ=0.95；

ωc为收缩断面过流面积。

采用试算法求得坝下涵管的收缩断面水深：hc=0.24 m，相应圆心角θc=85°40′，收缩断面过流面积ωc=0.20 m2，流速Vc=12.20 m/s。

2.2 坝下涵管第二共轭水深计算

圆形涵管内发生有压水跃现象时，其第一共轭水深断面、第二共轭水深断面的压力动量和守恒方程式为[3]：

式中：A1=ωc，A2=别为第一、第二共轭水深断面的过流面积重心在水面以下的深度；h2为第二共轭水深，可取跃后断面的压坡线至管底的压力水头值。

Z1的计算式为[4]：

将 d=1.8 m，θ=85°40′代入式（3），求算得Z1=0.14 m。

于是，将A1=ωc=0.20 m2、Z1=0.14 m、A2=π×1.82=2.5447 m2、Z2=h2-=h2-0.9代入式（2），求算得坝下涵管第二共轭水深h2=6.84 m。

以上计算表明，坝下涵管第二共轭水深h2=6.84 m，远大于坝下涵管过流断面内径1.8 m，即坝下涵管在正常蓄水位79.53 m、闸门开度0.27 m运行工况条件下，闸门孔口射流所形成的涵管内有压水跃将充满涵管过流断面，从而在涵管内出现明满交替半有压流不稳定流态，闸孔与跃后断面间的气体不断被水流带走，产生负压及不稳定气囊，以致出现空化空蚀破坏现象。也就是说，坝下涵管内所出现的不良运行流态，是导致中间管段顶部及侧壁混凝土疲劳蚀损破坏、失去其应有强度的主要原因。

2.3 坝下涵管有压水跃计算

坝下涵管管内有压水跃跃首断面的平均水深：

式中：B为过流断面的水面宽度。

其弗汝德数：

即在此运行工况条件下，坝下涵管将产生强烈有压水跃。

采用《水力计算手册（第二版）》（武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室）所推荐9.0＜Frc＜16时的水跃长度计算式，进行坝下涵管有压水跃长度计算：

式中，i为坝下涵管底坡。将hc=0.24 m，Frc=9.74，i=1/300代入式（4），求算得L=33.24 m。

水跃长度计算结果与坝下涵管实测蚀损管段长约32 m基本吻合。闸门孔口后坝下涵管长46 m，蚀损长度占闸门后涵管总长度的70%。官溪水库坝下涵管蚀损破坏长度甚长，与坝下涵管底坡较缓有关。

2.4 管内有压水跃与闸门相对开度

综上，以官溪水库坝下涵管在正常蓄水位闸门开度为0.27 m时的运行工况为例，对进口设闸控流的坝下涵管出现有压水跃不利流态造成空蚀破坏进行了计算分析。据此可知，为确保坝下涵管的运行安全，很有必要提出库水位、流量及开度关系曲线，以确定不同运行工况条件下的闸门开度，避免管内不良流态的发生。但鉴于问题的复杂性，目前，对封闭式管流流态的转化界限尚缺乏成熟的计算方法，但对设闸控流的圆形坝下涵管，可据有关试验研究成果[5]，按相对水头H/d≥4（H为上游库水位，d为进口孔口高度）、相对开度e/d≤0.3（e为闸门开启度）时，管内将可能产生有压水跃进行把控。也就是说，对进口设闸控流的坝下涵管，应据相对水头值，避免在上述相对开度工况条件下运用。对各具体运行工况，如需进一步分析认定管内是否出现有压水跃，则可按前述计算方法予以计算确认。

3 设闸控流坝下涵管防空蚀措施

进水口段设闸控流坝下涵管发生空蚀破坏，原因是多方面的，但现象却具普遍性，只是在破坏程度上存有差异。因此，有必要研究可行的防空蚀措施，下面仅就设闸控流坝下涵管设计及运行中常被忽视却不容忽视的若干问题做一粗浅分析，以期引起水工设计人员与运行管理单位的重视。

（1）水工设计人员应如重视坝下涵管结构设计一样，重视其水力设计，在水力设计中应避免水力不协调现象的存在，应验算在各级设计流量过流条件下，管内不产生水跃。众所周知，水跃是一种局部不稳定流现象，水跃的产生将引发水流中的气核在低压区集聚结团，继而在高压区破碎溃灭，出现空化空蚀现象。特别是跃尾断面触及管顶的有压水跃所表现出的跃前断面不稳定迁移现象、跃尾断面强烈压力脉动现象，将加剧水跃水流的紊动，增大其破坏性。因此，封闭管道的水力设计应避免管内水跃现象的出现。

（2）水工试验表明，闸门孔口断面采用突变式体形与涵管连接易产生负压，以致出现空化空蚀破坏；坝下涵管过流壁面不平整，将导致过流能力的降低及高速水流下的空蚀破坏。因此，在坝下涵管设计时，闸门孔口与涵管间应采用渐变流线形体型连接；在施工作业时，应确保体型合理、壁面平滑，以提高管身结构的抗空蚀破坏能力。

（3）坝下涵管紧靠闸门后设置通气管，是常用的减蚀设施，但一旦坝下涵管过流时产生有压水跃，管内将引起强烈的自由掺气与强迫掺气，此时，通气管的进气风速将远高于水流流速，掺气使水流的初生空化数加大，从而使空蚀破坏更易发生，这是设置通气管的弊端。因此，对于有可能出现有压水跃的坝下涵管，其通气量与通气管面积应通过计算拟定，并留有安全裕度。

（4）应重视设闸控流坝下涵管调度运用设计，计算给出库水位、流量所对应的开度曲线，以指导调度运行管理，确保坝下涵管运行安全。

如前所述，进水口段设闸控流按无压流设计运用的坝下涵管，遇不当闸门开度，涵管内有可能出现有压水跃，形成明满交替半有压流流态，产生空化空蚀破坏。对进水口段设闸控流按有压流设计运用坝下涵管，则随着闸门开度减小或加大，管内过流量也将相应地减少或增大，从而涵管内将可能出现有压流向无压流，或无压流向有压流转变的明满交替半有压流过渡流态。因此，在坝下涵管运行管理中应合理掌控闸门开度，避免有压水跃或明满交替半有压流流态的发生，特别应避免坝下涵管长时间处于不良流态下工作，及时消除或减轻有压水跃及明满交替流对坝下涵管的空蚀破坏危害。

（5）根据坝下涵管结构设计状态，可将进水口段设闸控流无压流设计坝下涵管，采用涵管末端设置工作闸门并采取相应水力与结构处理措施，将其变更为有压流坝下涵管，以消除管内水跃现象。

据上述防空蚀措施，为确保官溪水库坝下涵管在各级设计灌溉流量下不再出现水跃现象，经方案比较，取用的加固处理设计方案为：按有压流运行工况内衬钢管，并在涵管末端设置工作闸门及消力池。

4 结语

中型工程官溪水库无压流设计坝下涵管，壁面产生大面积蚀损破坏的原因是设闸控流的开度不当，闸后涵管段出现有压水跃，形成明满交替流，产生空化空蚀破坏。而对于中小型水库工程，在坝下涵管进水口段设闸控流，企求管内恒为无压流流态，这一设计理念广为水工设计人员所认同。然工程运行实际表明，这一工程结构设计理念对流态的掌控并不可靠，且按此理念设计的众多坝下涵管普遍存在程度不同空蚀破坏现象。因此，为防止类似蚀损破坏现象发生，除重视防空蚀水力设计外，对水力条件较复杂的中型工程坝下涵管，尚应进行水工模型试验，论证其布置与水力设计的合理性。■