“龙抬头”泄洪洞高速水流掺气减蚀研究

詹双桥，杨志明，郑 洪，幸 添

(湖南省水利水电勘测设计研究总院， 湖南 长沙 410007)

高流速、大流量、水流条件复杂的水工隧洞，当过水边界遇有突变、突体、陡坎及断面急骤变化时，极易发生空蚀现象，国内外泄洪洞因高速水流引发空蚀破坏的案例较多[1-3]。有关研究成果表明[4-10]，采用适当的掺气措施是减免高速水流出现空化与空蚀破坏最有效的技术手段，但由于高流速泄洪洞水流条件非常复杂，难以通过工程类比和计算分析[11-13]直接确定所有设计参数或工程措施，包括如何合理确定高流速泄洪洞掺气设施布置、体型、数量、掺气浓度、抗蚀材料、过流面平整度控制标准等。涔天河水库工程2#泄洪洞通过减压模型试验[14-15]、理论计算分析、工程运用调研等手段开展了掺气减蚀措施的研究。

1 工程概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游。工程以灌溉、防洪、下游补水和发电为主，兼顾航运，水库总库容15.1亿m3，正常蓄水位313 m。为Ⅰ等大(1)型水利水电枢纽工程。

工程采用两条高低布置的无压流泄洪隧洞宣泄洪水，其中2#泄洪洞兼顾导流，采用“龙抬头”布置形式，缓坡段纵坡2%，龙抬头段与缓坡段采用反弧相接，洞身全长770 m，缓坡段洞身断面尺寸12.0 m×12.5 m(宽×高)，龙抬头段洞身尺寸由18.0 m×14.2 m渐变至12.0 m×12.5 m。2#泄洪洞主要特征频率下泄流量见表1，最大下泄流量2 878.4 m3/s，最大流速36.65 m/s。

表1 2#泄洪洞不同频率的泄洪流量

2 空化试验研究

2.1 空化研究原理

水流空化是气泡从发生、发展到溃灭，反复的、随机的、循环过程所表现出来的总体现象。空化时会产生宽频带随机噪声信号，空化噪声信号是空化时声能的随机脉冲辐射，空化的不同强度阶段伴随有不同的噪声辐射能，且不同空化类型所体现的噪声量级和频域不同。因此，根据空化噪声的这些特点，运用声学原理测量方法，可有效地进行水流空化问题的研究分析。

水流中的噪声信号经过分析处理后获得噪声声压谱级(SPL)，定义声谱级差值ΔSPL=SPLf-SPL0，其中SPLf为相似气压条件下模型水流中的噪声谱级，而SPL0则为参考背景条件下模型水流中相应的噪声谱级。据总结多年来原型、模型空化问题的研究成果，有如下空化强弱经验判别式：

△SPL<5dB 无空化

△SPL≈5dB～10dB 空化初生阶段

(1)

△SPL>10dB 空化发展阶段

通过式(1)谱级差ΔSPL值的量级可用来衡量空化强度，产生空化的类型与ΔSPL值分布的频域特性有关。中外学者通过对空化机理和空化噪声的研究发现：空化的声能辐射有低频的空泡振荡分量和高频的尖脉冲分量，对于含气型空化(空泡内气体含量较高)，空化的噪声贡献主频一般分布在80 kHz～63 kHz及以下的中低频段；而以含汽为主则为蒸汽型空化(液体汽化、空泡“爆炸”性地崩溃而形成的空化)，空化的噪声贡献可分布于80 kHz～200 kHz及以上的高频段，据此可判断空化类型。

有关研究成果及工程运行经验表明，含气型空化基本不具备空蚀破坏力，而蒸汽型空化达到一定的强度具有空蚀破坏力，是工程上极为关注的一种空化。

2.2 减压模型

2.2.1 模型设计

模型按重力相似准则设计，采用1/40正态局部模型。模型布置在工作宽度和高度分别为0.80 m和3.50 m、试验段总长度16.0 m的减压箱中，流量、压力(水柱)和糙率比尺分别为Qr=10 119.3、Pr=40、nr=1.85。

减压模型满足几何相似、水流运动相似、动力相似及空化相似(空化数相等)，空化相似通过减压箱控制相似真空度来实现，模型水面控制的相似气压为：

pa=(Pa-Pv)/Lr+pv

(2)

式中：Pa、pa分别为原型、模型水面的大气压力，Pa；Pv、pv分别为原型、模型水流相应水温下的汽化压力，Pa；Lr为模型长度比尺。

2.2.2 测点布置

试验在进口侧缘、检修门槽区域及泄洪洞底板(中心线)布置了时均压力测点进行压力测试。同时在检修门槽下游近区、WES堰面以及渐变段起始断面和渐变段结束断面这几个区域布置水下噪声传感器接收空化噪声信息。测点具体布置见图1。

2.3 试验成果

本模型共布置了5个水下噪声测点，试验测得的校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位和正常蓄水位四工况下有关部位水下噪声谱级。根据水下噪声谱级图可求得80 kHz～200 kHz高频段最大谱级差值ΔSPLmax，校核洪水位及设计洪水位工况各部位高频段最大谱级差值列于表2。

表2 宣泄校核及设计洪水时泄洪洞各部位高频段最大谱级差值

由表2可知，低于设计洪水位运行，检修门槽区域、泄洪洞WES堰面及洞身渐变段起点区域80 kHz～200 kHz高频段最大谱级差值ΔSPLmax小于5 dB，表明上述区域水流不会发生蒸汽型空化，校核洪水位下堰顶前部区域出现80 kHz～200 kHz高频段最大谱级差值ΔSPLmax大于5 dB但小于10 dB的空化噪声，表明水流在该区域已发生初生阶段空化，但不会出现空蚀破坏。

图1测点布置图

设计洪水位及校核水位下运行，洞身渐变段终点(缓坡段起点)区域出现80 kHz～200 kHz高频段最大谱级差值ΔSPLmax大于5 dB但小于10 dB的空化噪声，表明水流在该区域已发生初生阶段空化。

2.4 减蚀措施

根据试验数据，计算了校核洪水位条件下泄洪洞堰面和洞身压力较低或流速较高的五个断面的水流空化数见表3。

表3 宣泄校核洪水时泄洪洞典型断面水流空化数σ

注：P为断面测点压力；V为断面平均流速。

从表3可知，渐变段末端试验流速超过35 m/s，其后缓坡段水流空化数σ<0.300，该处需设置掺气坎。龙抬头下游缓坡段水面沿程壅高，流速逐渐减小，渐变段末端下游180 m处最大流速降低至33 m/s以下。

缓坡段纵坡2%，工程经验表明，较小底坡情况下若掺气坎体型设置不当，起不到掺气效果时，回水淹没掺气槽，掺气坎本身可能成为空化源，进而会威胁泄洪洞的安全运行，因此，2#泄洪洞仅在龙抬头末端设置一道掺气坎，对缓坡段上游出现空化可能性较大的部位进行掺气保护，并加强缓坡段过流表面平整度控制以降低空蚀破坏风险。

3 掺气形式选择

前期设计中，2#泄洪洞沿线共设置9道掺气坎，通过试验研究及工程运用调研，仅保留龙抬头末端一道掺气坎。掺气设施布置及体型根据工程经验并结合本工程实际拟定，通过模型试验验证效果后确定最优方案。

2%缓坡段是由原导流洞改建，洞身尺度已定，为避免掺气设施对水流产生过大的扰动，过分的抬高坎后水面线，过多增加工程扩挖量，掺气设施首先考虑通过调整泄洪洞反弧段(即渐变段)底板圆弧半径，在渐变段与缓坡段衔接处(桩号0+086.05)自然形成一个跌坎，进行掺气。

3.1 体型Ⅰ

将泄洪洞反弧段(即渐变段)底板圆弧半径由R=100 m修改为R=103.88 m，使得在渐变段与缓坡段衔接处(0+086.048 m断面)形成一个1.5 m高跌坎，坎下洞身两侧壁各设置一个1.5 m×1.0 m(长×高)的通气孔，掺气坎及通气孔局部尺寸见图2，掺气坎区域流态见图3。

图2体型Ⅰ掺气坎及通气孔型式(单位：m)

图3体型Ⅰ掺气坎区域流态示意(校核洪水位)(单位：m)

试验表明，体型Ⅰ掺气坎可在射流水舌落点后形成覆盖洞身底板的近100 m稳定掺气水流带，但坎后射流水舌下未形成稳定空腔，为使工程更加安全可靠，对掺气坎体型进行修改。首先考虑保持龙抬头反弧段底板圆弧半径与体型Ⅰ相同，仅对掺气坎局部体型进行修改解决掺气空腔问题。

3.2 体型Ⅰ-1

2%的缓坡使得水舌与底板夹角较大，导致较强烈的水流反向旋滚，因此在水舌落点区域设置一贴坡，使该区域底板坡度变为7.2%，目的就是减小入射水流与底板的夹角。体型Ⅰ-1的布置型式见图4，掺气坎区域流态见图5。

图4体型Ⅰ-1布置型式(单位：m)

试验结果表明，体型Ⅰ-1优于体型Ⅰ，显然使水舌尽量多的落在较陡的贴坡上有利于空腔的形成。但体型Ⅰ-1掺气坎在高于设计水位运行时水舌下仍不能出现稳定空腔，因此尝试继续调整掺气坎形式解决回水及掺气空腔的问题。

3.3 体型Ⅱ

根据上述研究确定掺气坎体型进一步修改思路：(1) 1.5 m高跌坎+坎后贴坡(0.8 m高、坡度为7.2%)的掺气坎体型无法使所有水位下均形成稳定空腔，因此需将跌坎高度以及贴坡高度适当提高，并适当加大斜坡坡度；(2) 对于在2%的缓坡上设置掺气坎，在坎后加设贴坡使水舌落点落在坡度较陡的贴坡上，有利于空腔的形成，但也带来通气孔进水不易排干的问题，因此体型Ⅱ将通气孔抬高，使通气孔高于贴坡顶，解决通气孔被水淹没的问题；(3) 根据设计规范要求最大通气风速应小于60 m/s，按单宽14 m3掺气量估算，通气孔面积应大于2 m×1.4 m。为避免过多增加坎高，尽量减小通气孔孔高，取孔高为0.8 m，则宽度应大于1.75 m。

图5体型Ⅰ-1掺气坎区域流态示意(单位：m)

综合考虑上述因素，体型Ⅱ采用2.0 m跌坎+ 坎后约1.0 m高平台+坡度较陡斜坡与2%缓坡衔接的混合式掺气坎型式。

修改泄洪洞反弧段(即渐变段)底板圆弧半径，由原设计R=100 m修改为R=105.17 m，在渐变段与缓坡段衔接处(0+086.048 m断面)形成一个2.0 m高跌坎，坎下洞身两侧壁各设置一个1.9 m×0.8 m(长×高)的通气孔，通气孔布置在高度为1.0 m左右的平台上，平台高程为236.779 m，平台长度经过试验确定为8.0 m，平台后与原导流洞2%的缓坡相接的斜坡坡度经试验确定为10.3%，10.3%斜坡与2%缓坡交汇处采用R=18.461 m的圆弧顺滑衔接，以避免该处出现水流空化。此掺气坎体型简称为体型Ⅱ。

2#泄洪洞设置体型Ⅱ掺气坎掺气坎及通气孔局部尺寸见图6，试验观测了库水位为正常蓄水位、防洪高水位、设计洪水位及校核洪水位时泄洪洞泄流流态。各水位条件下掺气坎区域流态见图7。

试验资料表明，体型Ⅱ各级水位下跌坎后的射流水舌下均能形成稳定的空腔，并且空腔尺度较大；坎后底部水流掺气情况良好，可观察到覆盖洞底板的雾状掺气水流带延伸至坎下射流落点后约100 m范围以上。

4 平整度控制

控制高速水流泄洪洞过流面平整度是减少空蚀破坏的有效途径之一，国内外对过流面平整度控制尚无统一的标准，大多是根据不同的流速提出相应的凸起高度和坡度控制标准。本工程通过工程运用调研，提出了如下控制标准：不平整部位高差控制在3 mm以内，凸起进行打磨，纵向坡度控制在1∶40，横向坡度控制在1∶30。

图6体型Ⅱ掺气坎及通气孔布置型式(单位：m)

图7体型Ⅱ掺气坎区域流态示意(单位：m)

5 结 论

(1) 不设掺气坎时，2#泄洪洞在设计洪水位及以下水位运行时，泄洪洞检修门槽区以及表孔堰面和洞身渐变段出口区域均未有蒸汽型空化发生；校核洪水位下运行时，堰顶前部及洞身渐变段终点(缓坡段起点)该区域发生初生阶段空化，但不会出现空蚀破坏。

(2) 2#泄洪洞在校核洪水位下运行时，渐变段末端流速超过35 m/s，其后缓坡段有小于0.300的水流空化数出现，该处需设置掺气坎，并注意在施工中控制洞身的不平整度。经过试验优化，在渐变段末端设置体型Ⅱ掺气跌坎，各级水位下跌坎后的射流水舌下均能形成稳定的空腔，坎后底部水流掺气情况良好。

(3) 通过研究，涔天河水库工程2#泄洪洞减少了掺气坎数量，优化了掺气坎布置，选择了与“龙抬头”布置相适应的掺气坎体型，简化了衬砌施工工艺，加快了施工进度，保证了工程质量。