挑坎掺气在岔河水库溢洪道中的应用研究

余远浩，邱勇，李鑫，周鑫宇，刘云韩

(云南农业大学 水利学院，云南昆明650201)

泄水建筑物高速水流所引起的空化问题对其过流表面的破坏极其严重，不仅影响泄水建筑物的泄流能力，甚至会引起泄水建筑物震动，导致工程破坏。应用强迫掺气降低空穴数以预防和减轻空蚀破坏在国内外已经得到了广泛应用[1-3]。依托岔河水库溢洪道，基于一定来流条件，在连接上下游泄水陡槽的抛物线段前后增设挑坎，对比分析不掺气和强迫掺气情况下坎后及下游泄槽空穴数和水流流态变化，对已建工程的运行及管理具有很好的参考价值。

1 工程概况

岔河水库位于云南省临沧市云县涌宝镇浪坝山村，距县城72 km。水库坐落在澜沧江流域右岸一级支流拿鱼河上，主要承担农业灌溉及农村人畜饮水。水库控制径流面积145 km2，总库容4 906.20万m3。水库校核洪水位(P=0.1%)1 823.220 m，相应下泄流量160.00 m3/s；设计洪水位(P=2%)1821.130 m，相应下泄流量76.40 m3/s；消能防冲水位(P=3.33%)1 820.560 m，相应下泄流量63.80 m3/s。水库枢纽部分由拦河坝、溢洪道、导流输水放空隧洞组成。溢洪道布置于左岸靠近坝肩，由进水明渠段、有闸控制段、收缩段、泄槽段(第一泄槽段、第二泄槽段)、出口底流消能段以及护坦段组成，全长410.00 m。

第一泄槽段(溢0+107.645～溢0+285.286)底坡1∶11.4，第二泄槽段(溢0+305.286～溢0+397.416)底坡1∶1.5，泄槽出口为扩散段(溢0+377.420～溢0+397.416)，后接消力池(溢0+397.416～溢0+435.416)以及尾水渠(溢0+435.416～溢0+465.416)。第一泄槽段和第二泄槽段采用抛物线段(溢0+285.286～溢0+305.286)衔接，抛物线段长21.00 m，见图1。

2 原设计体型存在的问题

2.1 测点布置

为便于描述泄槽抛物线段上下游水流变化情况，在抛物线及下游泄槽布置4个测点：测点1位于抛物线起始端(溢0+285.286)，测点2位于抛物线末端(溢0+305.286)，测点3位于抛物线末端和扩散段起始端的中间(溢0+338.547)，测点4布置于扩散段起始端(溢0+377.420)，见图2。

2.2 试验成果分析

通过模型试验，得到溢洪道原设计体型在特征流量下，抛物线段及下游泄槽段测点水力特性见表1。

表1 原体型设计泄槽段水力特性值

从表1可以看出，校核流量(Q=160.00 m3/s)情况下，抛物线下游泄槽扩散段起始位置(溢0+377.420)4号测点处并未出现负压，但空穴数仅为0.24，已经小于0.30。分析其原因，在于溢洪道下泄水体流经抛物线段时，主流呈明显的“V”型向心集中水股，呈抛射状跌落下游泄槽，轴线位置水深明显大于左右两侧边墙，横断面流速分布不均。

溢洪道下泄设计洪水(Q=76.40 m3/s)及消能防冲洪水(Q=63.80 m3/s)时，抛物线末端(溢0+305.286)2号测点处均出现负压，但空穴数大于0.30；扩散段起始位置(溢0+377.420)4号测点断面空穴数回升。其原因在于，流量减小，抛物线段主流向心集中不明显，水流流态改善，水体横断面水深分布较为均匀。

3 挑坎掺气试验研究

3.1 挑坎体型及布置

针对溢洪道原设计体型，考虑在抛物线段上游侧和下游侧泄槽分别布置直线型掺气挑坎见表2，固定挑角θ=5°，坎高Δ分别考虑0.40 m(方案一)、0.80 m(方案二)和1.20 m(方案三)，并在挑坎下游侧近底板处设置半径R=0.20 m的圆形掺气孔。

表2 掺气挑坎体型尺寸

上游侧挑坎末端位于第一泄槽段与抛物线相切的位置(溢0+285.286)，下游侧挑坎位于里程溢0+305.286处见图3。

3.2 挑坎布置对下游泄槽水流流态的影响

挑坎布置于抛物线段下游侧时见图4，校核流量情况下，跌落状“V”型向心水股流经凸起的挑坎，流态进一步恶化，几呈分股状出射，水舌最高可达2.50 m，股状水流和空气混掺明显，掺气水流跌落底板后，由于弹射形成散水(散水高度最高可达3.00 m)，里程溢0+338.547处(3号测点)横断面水深分布极不均匀，下游泄槽段水流流态恶化加剧。

挑坎布置于抛物线段上游侧，凸起的挑坎对第一泄槽段的来流部分起到调整作用，流经抛物线段的水流流态得到一定程度上的改善，出射水流未见分股，散水现象[1,4-5]不明显，相对于挑坎布置于抛物线段下游，泄槽水流流态相对平顺。

3.3 挑坎体型对空穴数的影响

3.3.1未掺气条件下泄槽下游水力特性

根据试验测试，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.40 m)位于泄槽抛物线段上游侧未掺气时的水力特性见表3。

从表3可以看出，相同流量下，抛物线段下游泄槽流速均出现不同程度的下降，抛物线段压强值减小，但其下游泄槽压强出现回升。其中：抛物线起始位置(溢0+285.286)1号测点处射流空腔内被回水充满，但呈负压状态，空穴数尽管下降，仍大于0.3；抛物线末端(溢0+305.286)2号测点压强变化不明显，但空穴数增大；4号测点(溢0+377.420)压强增加，空穴数提高。特别地，Q=160.00 m3/s时，4号测点处流速下降至24.16 m/s，空穴数由0.24增加到0.30；Q=76.40 m3/s时，4号测点处压强由0.043 kPa上升到0.263 kPa，空穴数上升到0.35。

表3 未掺气条件下挑坎Δ=0.40 m(方案一)测点水力特性

结合流态分析，抛物线段上游侧布置挑坎(Δ=0.40 m)，校核流量情况下，下泄水体挑射不明显，坎后射流空腔充满水体(1号测点呈负压状态)。尽管主流仍呈“V”型向心集中水股，但两侧水股落点近于主流跌落位置，在坎后空腔形成反向掺气水流，并可观察到反向旋滚气泡沿水舌底缘向下游流动。抛物线段下游泄槽横断面水深分布相对均匀，水流流态总体较为平顺，见图5。

根据试验测试，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.80 m)位于泄槽抛物线段上游侧未掺气时的水力特性见表4。

表4 未掺气条件下挑坎Δ=0.80 m(方案二)测点水力特性

表4可以看出，坎高增至0.80 m时，相同流量下，抛物线起始位置(溢0+285.286)1号测点处射流空腔内同样充满回水，负压值有所减小，空穴数继续增大；抛物线末端(溢0+305.286)2号测点处压强变化不明显，但空穴数反而降低。

Q=160.00 m3/s，扩散段起始位置(溢0+377.420)4号测点空穴数下降到0.25；Q=76.40 m3/s，4号测点处空穴数由0.35下降到0.29。说明：由于坎高过高(Δ=0.80 m)，对下泄水体的扰动加剧，水流分股明显，但主流仍呈“V”型水股向心集中，跌落下游，射流空腔内回水加剧，水股掺气增加，跌落底板的水流弹射明显，进一步加剧了散水现象，恶化下游水流流态。

3.3.2强迫掺气条件下泄槽下游水力特性

依据现行规范[6]，为保证挑坎坎后空腔稳定，通常在下游设置掺气孔，从而实现强迫掺气。

根据试验测试，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.40 m)位于泄槽抛物线段上游侧，掺气条件下的测点水力特性见表5。

表5可以看出，相同流量下，抛物线起始位置(溢0+285.286)1号测点处射流空腔稳定，相对于未设挑坎，压强值有所下降，但空穴数增加；抛物线段下游泄槽(4号测点)流速下降、压强值增大，空穴数也有提高：Q=160.00 m3/s，扩散段起始位置(溢0+377.420)4号测点处流速降至25.30 m/s，空穴数增加到0.27；Q=76.40 m3/s，4号测点处压强值由0.043 kPa上升到0.085 kPa，空穴数增加到0.32。

表5 掺气条件下挑坎Δ=0.40 m(方案一)测点水力特性

在挑坎(Δ=0.40 m)后增设掺气孔，校核流量情况下，可明显观察到水舌下部形成稳定的射流空腔，长度达2.80 m，主流呈“V”型向心水股集中的现象较之未设挑坎更为明显，呈抛射状跌落下游，主流抛射高度可达2.40 m，而两侧边墙附近水股挑射高度仅为1.00 m，横断面水深分布不均匀，下游泄槽散水现象明显见图6。

根据试验测试，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.80 m)位于泄槽抛物线段上游侧，掺气条件下的测点水力特性见表6。

表6可以看出，坎高增至0.80 m，Q=160.00 m3/s时，扩散段起始位置(溢0+377.420)4号测点压强值和空穴数变化并不明显；Q=76.40 m3/s时，4号测点压强值由0.085 kPa上升到0.128 kPa，但空穴数反而下降到0.29。

表6 掺气条件下挑坎Δ=0.80 m(方案二)测点水力特性

校核流量情况下，水体挑射后水流分股加剧，主流仍呈“V”型向心水股集中，但挑射高度已接近设计边墙顶部，横断面水深分布极不均匀，下游泄槽散水现象更为明显，流态恶化加剧。

泄槽上游侧布置挑坎(Δ=0.40 m)时，不掺气条件下(表3)，下游泄槽空穴数上升；掺气孔条件下(表5)，下游泄槽空穴数有所上升，但散水现象加剧下游水流流态紊乱。

此外，不管是否掺气，当Δ继续增至1.20 m(方案三)时，测点空穴数未见明显变化，但挑射水股水舌高度都较大，水流分股严重，散水已经超过设计边墙高度，下游水流流态更趋紊乱。

4 结语

针对岔河水库溢洪道原设计体型，通过水工模型试验研究，得出结论：挑坎布置于抛物线段下游侧，水流经过挑坎后，散水现象严重，流态紊动剧烈；挑坎布置于抛物线段上游时，散水现象不明显，水流流态相对良好。

对于上游挑坎，坎高Δ=0.40 m，未掺气条件下，坎后射流空腔内充满回水，下游泄槽段压强值增大，空穴数提高；坎高增大至0.80 m，下游泄槽段压强值出现小幅跳跃，但空穴数有所减小。掺气条件下(坎高Δ=0.40 m)，坎后形成稳定的射流空腔，下游泄槽段负压消失，空穴数有所增加；坎高增至0.80 m，下游泄槽段压强变化不稳定，空穴数减小，但幅度降低。此外，挑坎高度0.40 m,未掺气时，下游泄槽水流流态相对平顺；掺气条件下，受抛物线段水流流态影响，下游泄槽水流紊动加剧。

综上所述，对于岔河水库溢洪道，在未掺气条件下，抛物线段上游侧布置Δ=0.4 m的掺气挑坎，下游泄槽水流流态相对平顺，空穴数提高，可以一定程度上缓解泄槽下游段存在的空化问题。