格栅式底流消能工掺气浓度分布规律

葛亚飞，邱 勇，吴锦钢，周鑫宇，刘毅恒

(云南农业大学水利学院，云南 昆明650201)

0 引言

随着水资源的不断开发利用，水利枢纽泄水建筑物出口消能的布置难度逐渐增大，往往需要在地形条件不满足底流消能的情况下增设辅助消能工提高消能效果或平稳水流流态[1-2]。针对上述情况，李梦成等[3]在消力池末端布置T形消能墩，在提高消能率的同时缩短了消力池尺寸，经济效益显著。魏巧等[4]和陈秋蓉等[5]认为消力井内布置圆孔格栅和改变格栅开孔率不仅能分割水流、增加水体摩擦，还能改善尾水水流流态提高消能率。王文兵等[6]将圆孔Γ形格栅放置在消力池中部位置，可兼顾改善入射水流消能和调整下游水流流态。

消力池底板在高速水流作用下可能发生空蚀破坏，格栅式底流消能工在改善消能效果的同时，有助于消除或减轻这种现象。但辅助消能工自身存在空蚀破坏的可能[7-8]。不少工程中，不仅辅助消能工本身，消力池底板也发生了严重空蚀破坏，如我国甘肃省黄河干流盐锅峡水电站、湖北省陆水河蒲沂水利枢纽，以及原苏联新西伯利亚水电站、美国McNary水电站等[9]。

根据工程经验，一般认为流速v>15 m/s的部位需要进行防空蚀设计，对于流速v>20 m/s的区域，更要加以重视[10-11]。有研究结果表明，强迫掺气浓度达到2%时，固体边界的空蚀破坏明显减轻；掺气浓度达7%时，空蚀破坏现象可基本消除，过水建筑物已不易发生空蚀破坏[12-14]。

1 方案设计

1.1模型及测点布置

消力池布置于坡比为1∶1.5，宽150～200 mm的泄槽扩散段后，长920 mm、宽200 mm，尾水渠i=0。消力池内格栅布置在距泄槽扩散段末端460 mm(1/2池长)处，如图1所示。

图1 格栅式底流消能工体型示意Fig.1 Schematic diagram of grid-type underflow energy dissipater

圆孔Γ形格栅长200 mm、宽110 mm、高110 mm，开孔率分别为22%、28%、34%(图2)、40%、46%。

图2 Γ型格栅体型(34%)Fig.2 Γ-shaped grille profile(34%)

Γ形格栅栅孔特性如表1所示。

表1 Γ形格栅特性

在消力池格栅前等间距布置1～6#测点(断面)，栅后布置7#、8#测点(断面)，测点间距均为5 cm；垂直轴线方向分别向两侧等间距(4 cm)布置2个测点，如图3所示。使用CQY-3000型针式掺气浓度流速仪进行掺气浓度的测定。

图3 消力池底板测点布置Fig.3 Layout of measuring points on bottom of stilling pool

1.2水流结构区域划分

根据水流形态，结合水体的紊动程度可划分为强紊动区和弱紊动区，其中强紊动区包括附壁射流区、上涌水突、回淹水流区、表面漩滚；弱紊动区为栅后流速较小、水流相对平稳的区域，如图4所示[15]。

图4 格栅式底流消力池水流结构分区Fig.4 Water flow structure division of grid-type underflow stilling pool

潜射水流：入射水流进入消力池，受底板约束，流线发生偏转，水流转向，主流沿底板急速前行。

附壁射流区：潜射水流受下游淹没水体作用，尽管流速沿程减小，但仍然可见较为明显的异于回淹水流方向的附壁射流。

上涌水突：附壁射流受格栅阻挡，流线急剧偏转，一部分沿铅直格栅爬升，穿过水平格栅形成上涌水突。

回淹水流区：消力池进口水流流速大，水面较低，上涌水突受下游水流顶托，形成往上游方向的回淹水流(消力池进口可见表面漩滚)。回淹水流在紊动过程中不断卷吸周围空气，再叠加入射水流自掺气，进一步加剧了消力池内水体的水气掺混。

2 格栅对掺气浓度的影响

2.1不设置格栅的消力池掺气浓度

不设格栅情况，流量Q=9 L/s时，测得1#断面(0+000.050)、6#断面(0+000.300)和7#断面(0+000.510)轴线位置包括掺气浓度在内的水力特性，如表2所示。

表2 未设格栅的消力池水力特性

由表2可知，1#断面、6#断面和7#断面的测点临底流速分别为20.30、16.76和13.55 m/s，轴线底板近壁掺气浓度均<1.20%，消力池进口段存在发生空蚀破坏的可能性。

2.2设置格栅的消力池掺气浓度

2.2.1纵向掺气浓度

在消力池内增设圆孔Γ形格栅，得到栅前及栅后不同开孔率情况下测点的纵向掺气浓度变化。

未设置格栅时，由于下游水深不足，消力池内水流呈急速流动，水体主要为自掺气，沿程测点掺气浓度均很小(最大仅为1.19%)。设置格栅以后(图5)，在栅前形成强迫水跃，靠近固体边界附近栅前回淹水体和潜射水流之间的相互碰撞、摩擦、剪切明显加剧，栅前水体掺气浓度大幅提升(开孔率为22%时，由0.83%提高到20.32%以上)；同时受气体迁移扩散(逃逸)作用，附壁射流区栅前水体掺气浓度均沿程递减。此外，格栅位置水体掺气浓度出现明显下降，其原因在于格栅对附壁射流水体存在一定的消能作用，位于弱紊动区的栅后水体流速下降后(最小仅为2.03 m/s)，有利于空气逸出。

图5 不同开孔率下纵向掺气浓度分布Fig.5 Vertical aeration concentration distribution under different open porosity

无论是栅前还是栅后，消力池内掺气浓度均随开孔率减小而降低(栅前20.32%，栅后最小仅为8.78%)。说明开孔率减小，栅前壅水增加，包括各水流结构分区在内的消能水体体积增大，水气混掺更为充分，水体流速降低，空气出逸加快，近底掺气浓度下降；而开孔率大，格栅对水流的切割减弱，主流相对集中，近底掺气浓度较高。

2.2.2横向掺气浓度

扩散式泄槽入池水流并不完全顺边墙有序扩散，主流两侧存在的反向水流对消力池横向掺气浓度有影响。考虑到格栅栅后水流流速小，过栅水流中的气泡向水面扩散加快，栅后仅选择靠近格栅的7#测点进行分析。通过测试，得到包括栅前测点在内的横向掺气浓度，如图6所示。不同开孔率下，测点断面横向掺气浓度均沿中间(轴线偏右)向两侧递减，其原因在于：入池水流主流集中于轴线附近，流速较大，面滚回流区与潜射水流交汇处卷吸空气的能力最强，气体纵向迁移速度快，空气还来不及逸出；而两侧水体受反向水流作用，水流流速减小，水体掺入气体速率小于出逸速率，因此掺气浓度较小。

图6 不同测点横向掺气浓度分布Fig.6 Distribution of lateral aeration concentration at different measuring points

受泄水建筑物进口体型和泄槽高速水流冲击波的共同作用，入池水流在平面上出现左右偏移现象客观存在，致使试验得到的横向掺气浓度峰值偏于轴线一侧。

2.2.3竖向掺气浓度

根据测试，得到不同测点在水深方向(竖向)的掺气浓度变化，如图7所示。格栅上游侧淹没水深范围之内的测点断面竖向掺气浓度分布趋势基本一致，开孔率的大小对掺气浓度影响不明显。靠近底部掺气浓度值为20%～35%，1/2水深以下，掺气浓度增加速率大，水深超过一半以后，掺气浓度增加趋势减小，在靠近水面附近达到最大值(接近100%)。格栅下游侧掺气浓度变化相对均匀：开孔率越小，栅后竖向掺气浓度值变化越小，最大仅为47.12%；随开孔率增大，栅后竖向掺气浓度值的变化趋同于栅前，但数值有降低(最大81.12%)。原因在于格栅对水体的消能作用使得栅前气体已经部分出逸。此外，由于格栅前后掺气水体内不同高度的气泡在上涌水突附近汇聚，致使栅后靠近底部掺气浓度较小(8.78%)。

图7 不同开孔率下竖向掺气浓度分布Fig.7 Vertical aeration concentration distribution under different open porosity

2.3掺气浓度变化对空穴水流的影响

对于山区峡谷型泄水建筑物，水头差较大。传统的底流消能，入池水流的流速仍然较大，可能诱发一定范围内的底板发生空蚀破坏。增设格栅，一方面，有利于提高消力池消能效率；另一方面，不同开孔率下的格栅都能够大幅提高栅前水体掺气浓度(相比不设格栅，掺气浓度由0.83%提高到20.32%以上)，栅后水体在靠近底板附近的掺气浓度也能够满足减蚀要求(掺气浓度由0.22%提高到8.78%以上)。也就意味着，格栅式底流消能工能够避免或者减轻可能产生的空蚀破坏。

3 结论

消力池内增设格栅后，栅前水体掺气浓度大幅提升(超过20%)；栅后水体掺气浓度也有增加(8.78%)。为满足消能要求，格栅开孔率不宜太大。尽管随开孔率减小，栅前水体流速降低，空气出逸加快，栅前、栅后近底掺气浓度均出现下降，但仍然大于减蚀要求，能够在保证消能情况下，避免格栅和底板发生空蚀破坏。