孔板式消能工消能研究

张志刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

我国高山峡谷众多，大多数水利枢纽位于峡谷之中，往往坝高超过100m，泄洪洞均采用“龙抬头”或“龙落尾”式布置。峡谷建坝受地形条件制约，在泄洪洞外布置泄洪消能建筑物较为困难，而采用挑流式消能，不仅带来严重的冲刷问题，泄洪雾化问题对高坝边坡稳定造成巨大影响。相比之下，将导流洞变成泄洪消能隧洞，通过内消能方式将能量耗散，不仅很好的解决了库区雾化问题，与传统消能方式对比，更是具有结构简单、流态稳定、水流参数易于控制等许多优点[1-3]。

1 孔板消能工的分类

孔板是一种新型的内消能工，洞内高速流动水流在消能工的阻滞作用下，流线发生突变，并在孔板下游出现明显漩涡区，局部水流在此发生紊动、混掺并形成强烈的内部剪切作用。研究表明孔板式内消能工能量耗散主要集中于孔板下游漩涡区水流剪切流动造成的能量耗散[4-6]。并且由于过水断面尺寸突然改变，局部压力发生突变，受水流紊动影响，脉动压力的突然增加消耗大部分能量。

根据孔板布局形式，大体可将该内消能工划分为单级孔板消能工和多级孔板消能孔板消能工两大类。多级消能结构在实际工程运行中具有更好的适用性，例如我国著名的小浪底枢纽工程，利用三级孔板结构，成功将导流洞转变为泄洪洞，不仅大幅度降低工程投资，更是有效避免了传统消能工占地大，施工难度高的问题[7-9]。在国内外学者的共同努力下，孔板结构衍生出多种变形，改变孔板下游水流特性。例如附加消涡环、对孔板边缘形态的优化。各种不同形状的孔板如图1所示。

图1 各种不同形状的孔板

2 孔板的研究现状

孔板消能工通过局部断面的收缩在短距离内形式巨大水损，达到消能目的。国内外学者对孔板水流流态、空化特性进行大量研究。波达(Borda) 通过实验研究提出著名的计算突扩水流水头损失的公式，为今后孔板式内消能工推广奠定了基础。早在突扩(缩)式消能工应用于工程实践之前, 国外的M.Fossa、Joseph Katz、B.C.Kim、Guohui Gan Keiichi Sato 以及M.Stieglmeier等众多学者对水力特性及空化影响做出大量研究，并提出雷诺数是影响孔板式内消能工消能率重要因素之一。

孔板式内消能工(见图2)在实际工程中成功运用，不仅推进了国内对突扩(缩)结构水力特性的研究，更关注到孔板锐缘结构对局部流态的影响。

图2 孔板消能工示意图

孔板式内消能工的收缩比是影响消能效率的重要因素之一，张建民对收缩比0.4-0.7的收缩水流数值模拟研究中提出突缩比ζ和收缩段相对长度η与消能率的相关关系。

倪汉根在其实验中捕捉到孔板下游的环状空化云，并利用解析算法对空化问题进行了大量研究，提出孔板式消能工局部脉动压力及初生空化数的半经验关系式,才君眉、赵慧琴分别对孔板收缩段流速场与压力场进行了研究，分析了孔板流场特性,并深入研究了孔板内缘型式对流场影响规律，论证了脉动压力振幅概率分布的正态性和最大振幅取值范围。向桐、李中义、陈霞、陈美法、许唯临等诸多学者或通过水工模型试验和理论分析的方法,或通过数值模拟的方法, 都对孔板消能工的水力特性进行过大量研究[10-12]。

3 孔板消能工在实际工程中的运用

小浪底水利枢纽为世界首次在高水头泄洪洞中运用孔板消能的设计，同时也是当今世界上规模最大的孔板式洞内消能工。工程位于三门峡水利枢纽下游130km、河南省洛阳市以北40km的黄河干流上，最大坝高154m，属于典型的峡谷河道水库。由于黄河含沙量巨大，高速下泄水流容易对泄洪建筑物造成冲刷破坏。小浪底工程3条孔板泄洪洞，洞径14.5m，采用三级孔板消能结构，使洞内流速大幅度降低，有效缓解了减缓了高速含沙水流对衬砌的磨蚀, 延长了隧洞的安全运用期和检修周期。整体来看，小浪底水利枢纽工程不仅是导流洞重复利用的良好范例,而且对推动洞内消能工的发展有积极意义[13-15]。

山西省万家寨引黄入晋工程北干线输水流量为22.2m3/s，其压力洞段总长约290m，总水头差约154m，工程在压力洞平直段设置多级孔板消能工，孔板段整体坡度仅为1/500。与小浪底水利工程相比，大梁水库放水洞具有高水头小泄量的特点,其放水水头约155m，最大下泄流量为20m/s。

两个工程分别代表了，多级孔板在高水头，大小流量条件下洞内消能的运用。小浪底导流洞改建为永久孔板泄洪洞为具有高水头、高流速和高含沙水流的泄洪建筑物的消能方式开创一条新途径，也验证了在泄洪洞，面对大流量孔板结构消能效果显著、消能率高、消煞的能量大多数转化为热能被水带走，并因孔板消能大大降低洞内断面的平均流速，可减轻高含沙水流对衬砌边壁的磨损；放水洞是常年泄水建筑物，并具有高水头，小泄量的特点，同时高水头,小泄量问题具有一定的普遍性和典型性。

4 孔板空化特性

根据实际工程观测结果，孔板式内消能工在下游低尾水位条件下运行具有一定风险，同时需要严格控制上游闸门运行水位，否则易在泄洪洞内形成不稳定气团。多级孔板消能结构下，末级孔板下游或孔塞内低压区易形成空蚀，对结构造成破坏，这对工程运行管理提出更高要求[16-18]。国内外学者针对这一问题对孔板空化特性展开大量研究。

研究成果表明，因过水断面急剧缩小，孔板消能工造成局部水流发生分离，其特殊结构迫使局部形成低压区，极其容易引起空蚀破坏。整体来看，孔板的主要空化源有两个，一个为孔板上游角隅处的漩涡空化，到下游后立即溃灭；另一个为孔板下游射流的剪切层。国内外学者对孔板结构优化过程中发现，当孔板阻力系数增加的同时，下游水流的紊动也愈发强烈，虽可大幅度提高消能效率，空化发生几率也大幅增高。并提出初生空化数是孔径比和阻力系数的函数，并随孔径比的增大而减小。

5 脉动压力特性

孔板流动是一个近似轴对称的分离流动，其流场具有显著的分区特性。在孔板下游侧边壁附近,存在狭长的回流区。由于水流的漩滚造成消能工下游产生强烈的紊动。孔板下游具有不均匀性与高紊动性，迫使主流与回流区之间形成不稳定界面，并随着向下游推移不停摆动，在局部形成脉动压力变化。

国内外学者针对孔板附近洞内脉动压力的研究中提出，下游孔板附近为脉动压力峰值点，随着远离孔板压力逐渐下降，并最终呈现全断面均化。多级孔板消能结构由于存在多个孔板结构，会呈现波动性趋势。受结构影响，孔径比、孔板体型是影响脉动压力变化的重要因素，为减小脉动,孔径比≤0.75。诸多研究表明孔板锐缘的角度弧度越大，水流紊动约弱，脉动压力也随之减小。

6 结 语

小浪底水利枢纽工程孔板消能结构的成功运用，为高水头、高含沙条件下的泄洪建筑物的消能提供新的思路。我国中西部地区，受地形条件制约，往往无法在布设大规模消能建筑物，孔板消能工不仅解决了大单宽流量泄洪建筑物投资过大的问题，尤其内消能结构布置简单，不受条件制约，是中西部地区峡谷高坝泄洪消能的选择之一，具有较为广阔的发展空间。