侧折流器对突扩突跌掺气减蚀的影响研究

王国辉，欧红光

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

高水头深孔闸门一般均面临两个问题：高速水流下的空化问题和闸门止水问题[1～2]；采用突扩突跌掺气型式可较好的解决这两个问题，一方面可以满足掺气减蚀的要求，另一方面有利于采用偏心铰弧门同曲面液压止水，保证闸门止水的安全可靠和优良运行。突扩突跌掺气减蚀的运行原理是当高压水流经过突扩跌坎下泄时，形成射流，在两侧突扩的边壁之间和跌坎下方的底部形成空腔，侧空腔和底空腔相连成为空气通道，从而达到掺气减蚀的目的。

鉴于突扩突跌掺气型式的优势，工程中诸多高水头深孔闸门多采用此布置方式，例如龙羊峡泄洪底孔、东江二级泄洪放空洞、漫湾泄洪底孔等，突扩突跌掺气在工程中得到了很好的推广与应用。

1 突扩突跌掺气减蚀的问题及应对措施

根据水工模型试验成果及原型观测试验，高水头作用下采用突跌突扩掺气，泄洪洞侧壁以及底部可以形成稳定连通空腔，掺气减蚀效果较好；但是在低水头作用下，侧空腔较小，或被水花、水雾、水帘所遮蔽，基本上不能进入空气或卷入极小量空气，跌坎下的底空腔也基本被回水充填，或形成横轴漩滚，类似跌坎面流流态；另外，在形成完整空腔时的临界状态，时而为较完整的空腔，时而为面流流态，两种水流流态交替反复。此两种运行工况下泄洪洞侧壁、底部难以形成稳定的连通空腔，通气不畅，减蚀效果差，并且由于深孔闸门运行水头高、流速大，掺气不充分极易发生空蚀破坏(见表1)。

表1 弧形闸门突扩突跌掺气减蚀工程实例

根据工程实践运行，发生空蚀破坏的主要原因是由于突扩突跌掺气型式不能适应水力条件的要求，通气不畅[3- 4]。因此，实际工程应用中对弧门突跌突扩掺气减蚀设施进行了大量水工模型试验、原型观测，并从以下几个方面进行优化：①压力洞出口顶压坡；②两侧突扩宽度；③跌坎高度；④增设侧掺气坎(折流器)；⑤选择合适的通气孔位置及其尺寸。

本文主要通过江坪河水电站工程泄洪放空洞弧形工作门突扩突跌式门槽水力学减压模型试验，从水流流态、动水压力以及水流空化特性等方面，对比分析折流器体型对突扩突跌式掺气减蚀的影响。

2 折流器对突扩突跌掺气减蚀的影响

江坪河水电站位于溇水上游河段，地处湖北省鹤峰县走马镇，电站总装机容量为450 MW，多年平均年发电量9.64亿kW·h，年利用小时数2 142 h。枢纽工程由混凝土面板堆石坝、右岸泄水建筑物(包括2条进口开敞式溢洪隧洞和1条泄洪放空洞)、左岸引水发电系统等建筑物组成。泄洪放空洞由进水塔、有压洞段、闸门竖井、无压洞段及出口挑坎组成；有压洞出口设置弧形工作弧门，工作弧门最大工作水头105.14 m，最大泄量1 329 m3/s，出口流速高达33 m/s，运行水头和弧门后水流流速较高。

2.1 试验模型

泄洪放空洞减压模型按照重力相似准则设计，减压模型几何比尺选为1∶30。泄洪放空洞有压段出口顶板压坡为1∶10.329，工作闸门孔口尺寸为6.0 m×6.0 m，其门座两侧突扩0.5 m，门槽侧扩比Δb/b(孔宽)约为0.08，底部突跌1.2 m；折流器体型的宽度为0.3m，水平长度为5.452 m，相应高度为4.8 m。

泄洪放空洞闸门竖井突扩突跌式掺气型式布置见图1。

图1 闸门竖井突扩突跌式掺气形式布置(单位：mm)

2.2 试验结果及分析

2.2.1水流流态

工作弧门出口未设置折流器，在弧门全开工况下，闸孔自由出流水舌经突扩式门槽后逐渐向边墙扩散，在闸后底板和边墙形成“三维”掺气水流。库水位400.00 m时，侧空腔长度仅4.4 m；当库水位逐步升高至设计水位471.90 m时，侧空腔长度逐步增大至8.3 m；侧空腔后边墙主流掺气不明显，存在清水带形掺气盲区，同时在边墙产生爬升水翅现象。库水位为471.90 m时，水流挑距约14.3 m；底部跌坎后可形成稳定空腔，但空腔内存在较严重的积水现象，且回水频繁回溯至通气孔内造成部分堵塞，通气不畅；当库水位降低至汛限水位459.70 m时，突跌坎后水舌挑距降至12.5 m以下，底坎水舌回落区开始逐步向上游前移，由于水舌交汇入射角较大，底空腔内回水严重，通气孔基本被回溯水体堵塞，不能形成稳定而有效的掺气底空腔，底部突跌掺气坎不能正常运行；库水位进一步降低至427.00 m及400.00 m时，在跌坎后开始形成漩滚淹没流，门槽突跌底坎已丧失通气和掺气功能。

弧门出口加设折流器后，库水位较低为400.00 m时，侧空腔长度为7.4 m，增幅68.18%；库水位从400.00 m升高至设计水位475.14 m时，边墙侧空腔平均长度从7.4 m逐步增大至15.2 m左右，与未加设折流器的设计体型相比，侧空腔明显变长，不同库水位下增大幅度在3.0 m至7.0 m之间，且侧空腔与边墙交汇轨迹呈抛物线型，边墙清水区范围也明显减小。库水位高于450.00 m时，弧门跌坎后水舌挑距达约17.1～20.7 m，底空腔长度增大4.6～6.4 m，跌坎底空腔稳定而基本无回水，通气通畅；库水位降低到450.00 m附近时，跌坎后水舌挑距近15.5 m，底空腔仅开始出现少量回水；与未加折流器体型相比，在边墙折流器的收缩约束下，孔口底部出流水舌挑距也呈加长趋势，底空腔长度明显增大，回水幅度明显减轻。

折流器对弧门门槽突扩突跌后底空腔及侧空腔长度的影响见表2。

表2 弧门门槽突扩突跌后底、侧空腔长度

2.2.2动水压力

2.2.2.1 底板压强分布

不同库水位泄流时底板中心线上的压力沿程变化规律基本相同，弧门跌坎后水舌回落底板形成冲击区，动水压力突然增大形成压力峰值区，冲击区下游压力沿程变化逐渐平缓稳定。库水位分别为427.00、459.70 m和471.90 m泄流时，弧门跌坎后水流冲击区的最大压强分别为102.86、148.71 kPa和127.50 kPa，距离跌坎距离分别为11.45、14.30、16.55 m，水流回落区最大压强发生的位置随着库水位升高而逐步向下游移动。不同特征水位下，冲击区下游底板压力均稳定分布在32.82～55.32 kPa之间；库水位为459.70 m和471.90 m时空腔内距跌坎7.4 m处底部压强在11.51～16.81 kPa之间，底空腔内回水严重。

弧门出口加设折流器后，泄流时底板中心线上的压力沿程变化规律与未加设折流器相同。库水位分别为427.00、459.70 m和471.90 m泄流时，弧门突跌坎后水流冲击区的最大压强分别为86.76、84.62 kPa和77.04 kPa，距离跌坎距离分别为14.30、21.05、27.60 m。因此，弧门出口加设折流器后，跌坎水舌挑距增大，回落水舌与底板入射角减小，相同泄流工况下水流回落区的最大压强比未设置折流器时均有所减小，见图2～4。

图2 泄洪洞底板压强(库水位471.90 m)

图3 泄洪洞底板压强(库水位459.70 m)

图4 泄洪洞底板压强(库水位427.00 m)

2.2.2.2 边墙压强分布

不同特征水位泄流工况下弧门突扩式门槽下游边墙均存在稳定的侧空腔，从图5～7可以看出，距底板4.2 m处侧墙侧扩水舌与边墙交汇区由于冲击作用其压力也明显增大，侧空腔后边墙压力则急剧降低并沿程呈小幅度波动状。库水位分别为427.00、459.70 m和471.90 m泄流时，弧门突扩后侧墙水流冲击区的最大压强分别为41.29、37.56 kPa和54.03 kPa，距离跌坎距离分别为4.13、5.33、5.33 m。

在弧门出口布置宽0.3 m的折流器后，在突扩式门槽下游边墙形成上短下长的侧空腔，不同特征水位泄流工况下，侧扩水舌与边墙交汇区由于冲击作用其压力也明显增大，侧空腔后边墙压力则逐步降低并趋于稳定。与未设置折流器体型相比，边墙交汇区的冲击压力幅度均有所降低。库水位分别为427.00、459.70 m和471.90 m泄流时，弧门突扩后侧墙水流冲击区的最大压强分别为17.00、10.38 kPa和20.27 kPa，降幅为58.83%、72.36%、62.48%；距离跌坎距离分别为5.33、9.53、9.53 m。

图5 泄洪洞侧墙压强(库水位471.90 m)

图6 泄洪洞侧墙压强(库水位459.70 m)

图7 泄洪洞侧墙压强(库水位427.00 m)

2.2.3水流空化特性

试验采用水流噪声在高频段的声压级增量(ΔSPL)及水流噪声能量比值E/E0两种水流噪声的监测和分析方式作为水流是否发生空化的判断标准。根据试验情况，选取跌坎下游约10 m处测点分析折流器对突扩突跌式掺气型式水流空化特性的影响。

未加设折流器，当库水位为400.00 m时，测点在相似真空度状态下的水流噪声与背景噪声比较，大于30 kHz高频段的最大声压级增量为3.6 dB，小于非掺气水流空化初生临界判别下限值5.0 dB；当库水位升高至死水位427.00 m时，测点水流噪声最大声压级增量升高至5.2 dB，开始超过水流初生空化临界判别下限值；库水位继续升高至450.00 m，测点水流噪声最大声压级增量升高至6.1 dB，水流噪声能量比值2.98，均超过水流产生初生空化标准。因此在较高库水位工况下弧门突跌坎后仍不能形成有效的空腔，水流无法进行正常掺气，综合水流流态及噪声结果判断该测点附近存在初生状态的空化水流。

加设折流器后，库水位为427.00 m时，测点水流空化最大噪声声压级差降低至4.5 dB，降幅为13.5%；库水位上升至450.00～475.14 m，水流噪声最大声压级增量4.5～4.8 m，最大降幅25%；水流噪声能量比值1.91～1.93，最大降幅30.55%。因此，在弧门出口加设折流器后，水流空化噪声声压级差、水流噪声相对能量比值在水流产生初生空化范围以内，侧向折流器可显著改善突扩突跌设施掺气减蚀作用，弧门跌坎后底空腔内基本无回水或回水较少，通气孔补气顺畅，弧门附近水流没有发生空化。

加设折流器与未加设折流器水流空化噪声声压级差(ΔSPL)对比见表3。 相似真空度下水流噪声相对能量比值见表4。

表3 水流空化噪声声压级差(ΔSPL)对比

表4 相似真空度下水流噪声相对能量比值(Em /E0)

3 结 论

对于高水头深孔闸门，采用突扩突跌式掺气减蚀设施可较好的解决高速水流下的空化问题和闸门止水问题[5- 6]；加设折流器后，可明显增加弧门后底空腔及侧空腔长度，减小水流对底板、侧墙的冲击；改善通气条件，降低发生水流空化的可能性。但由于泄洪深孔水头较高，流速大，工程安全隐患相对较大；因此采用突扩突跌掺气减蚀设施时，需谨慎对待。泄洪深孔的掺气减蚀措施应通过水工模型试验深入研究，充分论证；同时借鉴原型运行成功经验，使之建立在可靠的基础之上。