李 靜 胡國毅

(長江科學院 a.水力學研究所;b.研究生部，武漢 430010)

1 研究背景

我國目前及未來一段時期在建并即將新建一大批大型水電站，其中高水頭大流量泄洪洞的水力學問題十分突出，一直以來都是水力學界關注的重要問題之一。泄洪洞是水利水電樞紐工程中一種十分重要的岸邊泄水建筑物，也是因高速水流引發(fā)空蝕破壞案例數量相對比較多的一種泄水建筑物。在實際運行中，有一部分高水頭工程的泄洪洞發(fā)生了不同程度的空蝕破壞，對于高水頭泄洪洞而言，不論其泄流量大小都存在高速水流問題，如水流摻氣脈動空化空蝕等。摻氣減蝕技術的應用大大地推動了泄洪洞高速水流問題的研究和發(fā)展，已成為國內外廣泛采用的解決高速水流空蝕破壞的一項有效工程措施?？茖W合理地設置摻氣減蝕設施可以對泄洪洞邊墻和底板起到良好的保護作用，以保證工程的安全并節(jié)省工程投資。

對于摻氣減蝕設施體型，目前主要從摻氣坎體型本身及坎下設施方面著手，進行了減輕空腔回水的研究［1－8］。對于泄洪洞而言，在一定條件下會出現空腔不穩(wěn)定和空腔消失等不利流態(tài)，使摻氣設施的減蝕功能難以發(fā)揮。本文以長河壩水電站泄洪洞摻氣設施為例，研究減輕泄洪洞摻氣減蝕設施空腔回水的措施。

2 試驗模型

長河壩水電站深孔式泄洪洞由短有壓進口段、無壓隧洞段和出口挑流鼻坎段組成。泄洪洞布置成平直且一坡到底的無壓泄洪洞。進口底高程1 650.00m，上游設計洪水位1 690m，校核洪水位1 694.6m。

泄洪洞洞身總長度1 362.00m，隧洞縱坡為i=0.102 79，最大泄量3 692m3/s。第1道摻氣坎設置在樁號0+300，每200m設置一個摻氣槽，共設置6道摻氣坎。

模型模擬范圍包括泄洪洞進水口及閘門段、洞身、泄洪洞出口等。模型根據重力相似準則設計，長度比尺為30，模型上游布置于8 m×5m×8 m(長×寬×高)的水箱內。泄洪洞模型泄水建筑物部分全部采用有機玻璃制作。

3 摻氣設施比較

因泄洪洞3#—6#摻氣設施摻氣坎后均可形成穩(wěn)定空腔，試驗主要針對1#和2#摻氣設施，重點比較了摻氣設施的坎高和下游底坡形式。比較方案見表1、圖1和圖2。其中方案1至方案3比較了挑坎高度;方案4至方案7比較了坎后底坡的坡度和長度;方案8下游底板采用圓弧。

4 試驗成果

各方案空腔特征值試驗成果見表2。方案8空腔形態(tài)見圖2。

方案1中1#及2#摻氣坎坎后水舌挑距約6～10m，空腔為回水淹沒，沒有形成空腔。

表1 試驗方案Table 1 Test schemes

圖1 摻氣設施布置示意圖Fig.1 Sketch of aerator structures

圖2 圓弧底板方案摻氣設施空腔形態(tài)Fig.2 Cavity of aerator structures in the scheme of arch bottom

方案2和方案3中1#及2#摻氣坎坎后水流挑距增加。方案2中，1#摻氣坎后水舌挑距約7～16m，2#摻氣坎后水舌挑距約8～18 m。但1#及2#摻氣坎坎后仍無法形成穩(wěn)定空腔，坎下積水較多。

方案4中1#摻氣坎后水流挑距約12～19.8 m;2#坎后水流挑距約16.5～21.6m。1#坎后空腔回水較多，間歇封堵空腔，坎下空腔高度在0.3～1.35m之間變化;2#坎后，空腔回水間歇封堵空腔，坎下空腔高度在0.3～1.2m范圍之間變化。

方案 5中 1#摻氣坎后水流挑距約7.5～19.8 m，2#摻氣坎后水流挑距約10.2～21m。兩摻氣坎仍無法形成穩(wěn)定的空腔。

方案6中兩摻氣坎后回水仍很嚴重，無法形成穩(wěn)定空腔。試驗觀察到1∶5的陡坡長度不夠及坡比不合適，部分出挑水流未落在陡坡上，挑射水流與下游坡夾角過大，從而導致回水。

方案7摻氣坎后空腔內回水仍很嚴重。

方案8挑坎后水舌基本落在圓弧面上，空腔內基本無回水，空腔穩(wěn)定。

造成摻氣坎水舌下緣反向漩滾和空腔回水的原因，主要是摻氣水舌下緣與下游坡交匯處的夾角過大。而交匯處夾角的大小，與摻氣坎的高度、體型、坎上水流特性(流速、水深)及下游坡比等因素有關。在摻氣坎高度、體型和下游坡比一定時，不同工況條件下，坎上水流的特性將有所變化，從而水舌交匯處的夾角的大小也將隨之發(fā)生變化，因此單一調整下游坡比只能適應某一特定工況下的水流特性。而在實際工程應用中情況絕非如此，單一下游坡比要滿足各種工況下摻氣設施均可發(fā)揮良好效果實屬困難。若在下游挑距的變動區(qū)間內采用可變斜率的底板體型，則可滿足不同工況條件下水流特性的需要。圓弧型底板各點的斜率是連續(xù)可變的，正好適應不同工況條件下水流特性的需求，從而達到摻氣坎水舌與下游段連接夾角大小可控的目的，較好地解決了摻氣坎水舌下緣反向漩滾和空腔回水的問題。

表2 設計水位條件各方案空腔特征值Table 2 Characteristic values of cavity in each scheme under designed water level

5 結論

(1)有空腔的水舌運動是復雜的氣、水兩相流運動，其軌跡影響因素眾多，目前還無法從理論上完全解決水舌夾角的計算問題，還只能依賴于物理模型試驗效果。

(2)摻氣設施下游圓弧型底板是對傳統(tǒng)單一坡度底板的一種拓展，明顯具有以下優(yōu)點:增大下游的局部底坡;減小了水舌與底板的夾角，使得底部回流長度減輕，甚至完全避免，從而大大增大了有效空腔長度;可以適應多種工況。對于水深大、回水區(qū)長的摻氣坎水舌形態(tài)，圓弧形底板可較好地適應水舌形態(tài)，使得空腔回水減輕，甚至完全避免，是一種減輕空腔回水的有效措施。

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