沈 敏

(安徽省淮委水利科學(xué)研究院,安徽蚌埠 233000)

在高水頭泄水建筑物中,由于過流建筑物體形不合理或表面不平整,水流經(jīng)過該區(qū)域時(shí)發(fā)生脫離形成旋渦,水流速度越大,漩渦旋轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈,漩渦內(nèi)部壓強(qiáng)越低,當(dāng)漩渦內(nèi)部壓強(qiáng)降低到一定程度時(shí),溶解在水流中的氣核將膨脹變成氣泡,氣泡隨著水流流出漩渦區(qū),進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)潰滅,水體以極大的速度和沖擊力填補(bǔ)氣泡空間,如果氣泡在建筑物邊壁潰滅,就可能對(duì)建筑物造成破壞,這種現(xiàn)象稱之為高速水流氣蝕。就龍?zhí)ь^式泄洪隧洞而言,即使是合理的體型,由于高速水流的脈動(dòng),在隧洞進(jìn)口至反弧段末端處也難免發(fā)生氣蝕破壞。

為了減少和防止高水頭泄水建筑物過流面發(fā)生氣蝕破壞,早期的措施主要是控制過流面的不平整度,以提高水流的氣穴數(shù);采用高強(qiáng)度抗蝕材料,改善材料的物理性能[1]。這兩項(xiàng)措施都給施工工藝帶來非常高的要求,從而提高建筑物的造價(jià)。研究表明,當(dāng)水中的含氣濃度為 1%—2%時(shí),就可以在一定程度上減免氣蝕,而當(dāng)水中含氣濃度大于5%—7%時(shí),就可以完全避免氣蝕。

水工設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,水流速度在 25 m/s以上時(shí),應(yīng)考慮氣蝕問題,流速達(dá) 30 m/s以上時(shí),溢洪道或明流泄洪隧洞應(yīng)設(shè)置摻氣槽,以減免氣蝕破壞。

摻氣減蝕就是在容易發(fā)生空化區(qū)上游設(shè)置摻氣坎,利用通氣孔與大氣相通,當(dāng)水流在坎后形成空腔產(chǎn)生負(fù)壓時(shí),迫使空氣大量摻入水流中,形成摻氣水流保護(hù)區(qū),以達(dá)到減免氣蝕的作用。

目前世界上已經(jīng)有二十多座溢洪道或泄洪隧洞采用了摻氣減蝕設(shè)施,并且運(yùn)行良好。我國(guó)馮家山、烏江渡、魯布革、盤頭石等水庫(kù)和正在興建的安徽省白蓮崖水庫(kù)都采取通氣減蝕工程措施。工程實(shí)踐證明,通氣減蝕具有工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、減蝕效果好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是影響流態(tài),對(duì)于跳坎局部增加水深,這在工程上很容易采取措施加以克服。

1 白蓮崖大壩泄洪隧洞氣蝕特征

白蓮崖水庫(kù)位于安徽省六安市霍山縣境內(nèi),水庫(kù)流域?qū)儆诎不帐∥髂喜看髣e山北麓。壩址地處淮河南岸主要支流淠河的東源西支流漫水河上,距下游已建的佛子嶺水庫(kù) 26 km,距霍山縣城 42 km,水庫(kù)流域面積 745 km2,總庫(kù)容 4.60億 m3。水庫(kù)流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,降水隨地形抬升而遞增的現(xiàn)象較明顯。年平均氣溫 15.10℃,年平均日照時(shí)數(shù) 2084 h,流域多年平均面雨量 1540 mm,最大面雨量 2613.3 mm(1954年),最小面雨量 896.5 mm(1978年)。降水主要集中在汛期 (5—9月),占年平均降雨量 45.2%。多年平均徑流 10.62億 m3,最大年徑流 18.19億 m3(1969年),最小年徑流 4.24億 m3(1978年)。多年平均蒸發(fā)量 1349 mm。

大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩,最大壩高 104.6 m,泄洪隧洞位于大壩左岸,由導(dǎo)流洞改建為“龍?zhí)ь^”式明流洞,全長(zhǎng) 244.7 m,最大泄量約 900 m3/s。進(jìn)口底坎高程 160.0 m,設(shè)平板事故門和弧形工作門各一扇,工作閘門控制斷面尺寸為 5.7 m×4.0 m。進(jìn)口水平段長(zhǎng) 11.656 m,其中有壓段 8 m,水平段通過拋物線與反弧連接平洞段,曲線過渡段水平長(zhǎng) 75.68 m,平洞全長(zhǎng) 88.4184 m,底坡 0.5%,截面為 5.9 m×8.0 m(寬 ×高)的城門洞形。末端采用挑流消能,泄洪隧洞全程落差 27 m。

白蓮崖水庫(kù)汛限水位 205 m,設(shè)計(jì)水位 209.24 m,校核水位 234.50 m,泄洪水頭變化范圍在 70 m至 100 m。在設(shè)計(jì)水位下泄洪隧洞有壓水流進(jìn)入明流洞時(shí)水流流速超過 30 m/s,在校核水位下最大流速達(dá)到 40 m/s。白蓮崖泄洪隧道工程布置如圖1所示。

圖1 白蓮崖泄洪隧道工程布置圖

對(duì)于龍?zhí)ь^式明流隧洞摻氣水流和明流陡渠一樣分可為清水區(qū)、摻氣發(fā)展區(qū)和充分摻氣區(qū)。當(dāng)水流底部邊界層發(fā)展到水面時(shí),水流自由面開始波動(dòng),空氣卷入水體中開始摻氣,此處為摻氣發(fā)生點(diǎn),從明流段進(jìn)口至摻氣發(fā)生點(diǎn)為清水區(qū);由于水流的紊動(dòng)作用,空氣從水流表面摻入水體后,沿程向水流深處發(fā)展直至底部,此段為摻氣發(fā)展區(qū);這時(shí),水流中氣泡做兩種運(yùn)動(dòng)：一是水流的紊動(dòng)力把摻入的氣泡向下推進(jìn),二是浮力作用使氣泡達(dá)到最低點(diǎn)后向上浮起,逸出水面。開始階段氣泡向下?lián)饺肓看笥谙蛏细∑鹨莩隽?最后達(dá)到平衡,此段為充分摻氣區(qū)[2]。

模型試驗(yàn)資料表明,白蓮崖泄洪隧洞在設(shè)計(jì)水位條件下,摻氣發(fā)生點(diǎn)位于反弧段附近,也就是說明流洞陡坡段全為清水區(qū),摻氣發(fā)展區(qū)末端接近平洞出口。對(duì)于校核水位工況下由于流量大水深增加,摻氣發(fā)生點(diǎn)將向下游推移,清水區(qū)和摻氣發(fā)展區(qū)范圍亦相應(yīng)擴(kuò)大,以致整個(gè)明流洞底部和邊壁都處在清水范圍內(nèi),具備了高速水流氣化氣蝕破壞的必要條件。

氣穴數(shù)是判別氣穴發(fā)生的指標(biāo),當(dāng)氣穴數(shù)小于臨界氣穴數(shù)時(shí),水流即開始?xì)饣?氣穴數(shù)愈小愈容易氣化。氣穴數(shù) k的計(jì)算式如下：

式中：p和V為水流特征斷面絕對(duì)壓強(qiáng)和平均流速;pv為蒸汽壓強(qiáng)。

上式計(jì)算所得氣穴數(shù)值為平均氣穴ˉk數(shù)。由于高速水流的脈動(dòng)性,其瞬時(shí)氣穴數(shù)要比平均氣穴數(shù)小一個(gè)脈動(dòng)量 k′,而

根據(jù)前人試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于強(qiáng)烈紊動(dòng)水流底部氣穴數(shù)的脈動(dòng)量約為 0.14,因此

對(duì)于白蓮崖泄洪隧洞進(jìn)口段,選擇 0+00為特征斷面,該處設(shè)計(jì)和校核水位工況下底部壓強(qiáng)分別為 6.75 m和 8.48 m;平均流速分別為 30.7 m/s和37.4 m/s;取大氣壓強(qiáng) 10.33 m;查 15℃水溫的蒸汽壓強(qiáng)為 0.174 m,代入上式計(jì)算該處平均氣穴數(shù)分別為 0.35和 0.26;瞬時(shí)氣穴數(shù)為 0.21和 0.123。試驗(yàn)資料顯示水流邊壁上凸體和凹槽氣初生氣穴數(shù)一般都大于 1,很明顯,如果不采取防氣蝕措施,白蓮崖泄洪隧洞高壓閘門后直至明流洞出口皆處在氣蝕破壞危險(xiǎn)之中。

2 摻氣減蝕方案試驗(yàn)研究

根據(jù)以上分析白蓮崖泄洪隧洞必須采取摻氣保護(hù)措施以減免氣蝕破壞。摻氣減蝕措施可分為底板和進(jìn)口段側(cè)墻兩部分,摻氣坎形式和尺寸由試驗(yàn)確定,其標(biāo)準(zhǔn)是：(1)有足夠大空腔,以使摻氣充分保護(hù)范圍盡量大;(2)進(jìn)氣管道斷面大小要合適,以免空腔內(nèi)負(fù)壓過大,一般不超過 -1 m為宜;(3)盡量減少水面隆起沖刷洞頂,以避免明滿流過現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)過泄洪隧洞單體摻氣模型試驗(yàn)資料分析,底版摻氣減蝕方案為設(shè)兩級(jí)摻氣坎,即在高壓閘門出口水平段末端設(shè)一水平跌坎為一級(jí)摻氣坎,在反弧段末端設(shè)一跳坎為二級(jí)摻氣坎。

一級(jí)跌坎坎后下跌 1.5 m,下接 i=0.119陡坡,在與 00+041.060處圓弧段連接。為消除邊壁清水區(qū),在跌坎兩側(cè)設(shè)置側(cè)突擴(kuò),突擴(kuò)槽長(zhǎng) 3.0 m,上緣寬 1.0 m,下緣寬 0.625 m。突擴(kuò)下緣下接1∶12斜坡,坡長(zhǎng) 2.017 m通過半徑 R=60.0 m、圓心角Φ=4.76°的圓弧與下游邊墻連接。

二級(jí)通氣坎為挑跌坎結(jié)合,由于坎下游底坡很緩,為保證水舌下緣空腔不小于 10 m又不致造成水面線過分拱起,挑角取 6°。第二級(jí)坎后至 0+131.780為坡度 i=0.005的斜直段,后接坡度為 i=0.095的斜坡段至 0+141.919處,再續(xù)接 i=0.005長(zhǎng)坡直至泄洪洞出口。如此布置使水舌降落在陡坡上,以消除空腔內(nèi)回水。

一級(jí)通氣坎從高壓閘門工作豎井進(jìn)氣 (豎井通氣面積為 3×5.9 m),該進(jìn)氣豎井同時(shí)向水流上表面、底空腔和突擴(kuò)側(cè)空腔供氣。

利用針式摻氣儀測(cè)量相關(guān)摻氣濃度。對(duì)其模型試驗(yàn),按照相關(guān)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。先于試驗(yàn)開始時(shí),將摻氣傳感器置于試驗(yàn)水體中進(jìn)行清水調(diào)零,試驗(yàn)過程中間和試驗(yàn)完畢后,亦進(jìn)行調(diào)零復(fù)核。熱絲風(fēng)速儀在與模型相同氣溫條件下調(diào)零,試驗(yàn)過程中進(jìn)行調(diào)零復(fù)核。試驗(yàn)中觀測(cè)汛限工況和設(shè)計(jì)工況下?lián)綒饪采淞骺涨?6個(gè)特征斷面沿程含氣濃度的垂線分布,實(shí)測(cè)數(shù)值見表1。

表1 終結(jié)布置方案特征斷面摻氣濃度表

結(jié)果表明,摻氣分布規(guī)律相很典型。從肉眼觀察可以看出,水流摻氣比較充分,底部和邊壁處水體均變成乳白色。因此,可以認(rèn)為本方案摻氣效果較好,滿足了摻氣量的要求。

對(duì)于摻氣測(cè)量,目前尚無成熟手段,規(guī)范也未就近壁處量測(cè)給于明確規(guī)定,且指明模型中的摻氣濃度只供相對(duì)比較參考,為慎重起見,我們用同位素放射性摻氣儀與針式摻氣儀作了比較試驗(yàn),結(jié)果是前者比后者大 2%—4%,究其原因可能針式摻氣儀未能捕捉所有氣泡。比較試驗(yàn)表明,本次試驗(yàn)中所有摻氣濃度測(cè)量結(jié)果偏于安全。

從模型試驗(yàn)流態(tài)觀察可以看出,該方案洞內(nèi)水流平順,由于大量空氣摻入水流,水體變成乳白色,水流上部為不連續(xù)的離散體,沒有明顯的水面。在汛限、設(shè)計(jì)和校核水位下,一級(jí)通氣坎空腔長(zhǎng)度分別達(dá)到 15 m,20 m和 23 m;二級(jí)通氣坎空腔長(zhǎng)度分別達(dá)到 15.2 m,20.5 m和 15 m;側(cè)空腔長(zhǎng)度分別為5.0 m,5.5 m和 5.0 m,滿足摻氣設(shè)計(jì)要求。

從沿程實(shí)測(cè)含氣濃度的垂線分布曲線可以看出,摻氣分布規(guī)律相很典型。肉眼觀察水流摻氣比較充分,底部和邊壁處水體均變成乳白色。因此,可以認(rèn)為本方案摻氣效果較好,滿足了摻氣量的要求。各斷面含氣濃度分布曲線如圖2所示。

圖2 沿程含氣濃度分布曲線

3 主要結(jié)論

3.1 鑒于白蓮崖隧洞明流段由陡坡經(jīng)反弧過渡到平坡,流態(tài)復(fù)雜,流速大且自然摻氣不充分,全洞處在清水區(qū),應(yīng)采取摻氣減蝕措施加以保護(hù)。

3.2 根據(jù)水工模型摻氣保護(hù)長(zhǎng)度試驗(yàn)資料,底版設(shè)置兩級(jí)摻氣坎是合適的,進(jìn)口邊墻的壓力小較底版更容易發(fā)生氣蝕,因此,必須設(shè)置側(cè)突擴(kuò)摻氣槽,側(cè)空腔保護(hù)長(zhǎng)度最小達(dá) 5 m,符合規(guī)范要求。

3.3 通過各種方案試驗(yàn)研究得出摻氣減蝕優(yōu)化布置方案,試驗(yàn)表明,水體底部和側(cè)面摻氣充分并和水面自然摻氣融匯成乳白色摻氣,將起到有效的減蝕作用;除去不利因素影響,減蝕效果可達(dá) 28.5%,最高更可達(dá)到 44.5%。

3.4 在高壓閘門致一級(jí)坎不在摻氣保護(hù)范圍之內(nèi),此區(qū)段的空蝕問題同樣存在,因引起注意,建議采用C40以上高強(qiáng)度材料以抗氣蝕破壞。

[1] 韋盛國(guó).水工建筑物的空化與氣蝕[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008(16)：159-160.

[2] 賈德武.白蓮崖水庫(kù)泄洪洞摻氣減蝕優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江淮水利科技,2009(4)：10-12.