宋恒文，張 東（.本溪多益資源開(kāi)發(fā)有限公司，遼寧 本溪 700；.遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)700）

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水電站下坡長(zhǎng)引水隧洞氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)危害性分析

宋恒文1，張 東2
（1.本溪多益資源開(kāi)發(fā)有限公司，遼寧 本溪 117200；2.遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)117200）

［摘 要］引水式水電站長(zhǎng)輸下坡引水隧洞運(yùn)行過(guò)程中如有氣團(tuán)存在將會(huì)影響隧洞及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行安全，甚至可能導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。本文結(jié)合案例充分分析了氣團(tuán)引發(fā)的事故的嚴(yán)重性，并針對(duì)隧洞內(nèi)氣團(tuán)的生成原理、運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其危害性進(jìn)行了詳細(xì)的分析、論述。

［關(guān)鍵詞］引水遂洞；氣團(tuán)；運(yùn)動(dòng)機(jī)理 ；危害分析

引水式電站的引水系統(tǒng)主要由進(jìn)水閘門、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、調(diào)壓井事故閘門、壓力鋼管、機(jī)組前端進(jìn)水球閥等組成，其引水隧洞長(zhǎng)度為幾百米至十幾千米不等，運(yùn)行過(guò)程中引水隧洞如有氣團(tuán)存在，將直接影響其安全運(yùn)行，嚴(yán)重者可能造成設(shè)備損壞，引水隧洞開(kāi)裂或坍塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，能全面了解氣體在隧洞中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、充分認(rèn)識(shí)其危害性并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，便能預(yù)防惡性性事故的發(fā)生，保證引水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 隧洞內(nèi)形成氣團(tuán)的氣體來(lái)源

引水隧洞中可能的氣體來(lái)源主在有3種方式。

1）隧洞進(jìn)口在電站運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)氣。

2）溶解在水中的氣體析出，隨水運(yùn)動(dòng)形成的氣泡或氣團(tuán)。

天然水中溶解的氣體最大含量為2%，研究表明在其隨水運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)壓力降低至某一值時(shí)，氣體才能從水中析出，而水在下坡引水隧洞中運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力是不斷增大的，因此溶解氣體不可能析出。再者實(shí)驗(yàn)表明，小直徑汽泡在流速大于1 m/s的水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，與水的相對(duì)滑移速度可忽略不計(jì)，即沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)、與水速度相同。因此，不具備形成大的氣泡和氣團(tuán)的條件?？梢?jiàn)溶解于水中的氣體不會(huì)對(duì)引水隧洞產(chǎn)生不良影響。

3）充水過(guò)程中隧洞中的留存氣體

引水系統(tǒng)充水過(guò)程中未嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程規(guī)定，充水水流過(guò)大造成個(gè)別部位的氣團(tuán)存在；或水未充滿便大開(kāi)度提進(jìn)水口閘門，造成隧洞內(nèi)混入大量氣體。充水過(guò)程中形成的氣團(tuán)大小、數(shù)量取決于隧洞復(fù)雜程度、隧洞直徑、充水方式、充水流量等諸多因素。

2 氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)機(jī)理及危害分析

2.1 充水過(guò)程中的流態(tài)分析

美國(guó)水錘專家馬丁的研究理論，較平坦管洞充水過(guò)程中存在6種典型氣水兩相流狀態(tài)，見(jiàn)圖1。 水電站引水隧洞充水之初多為層狀流和波狀流，電站引水隧洞直徑較大，采用小流量充水時(shí)，管洞內(nèi)空氣會(huì)在隧洞上層由高壓井及進(jìn)水口緩慢排出，隧洞內(nèi)水面平穩(wěn)上升不會(huì)形成氣團(tuán)。反之如引水隧洞直徑小，或充水流量相對(duì)較大時(shí)，其流態(tài)會(huì)由初始的層狀流轉(zhuǎn)為波狀流、進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?、最終轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)狀流。

圖1 氣水兩相流狀態(tài)圖

2.2 滯留氣團(tuán)形成的原理分析

下坡引水隧洞中氣團(tuán)所受力包括：Ff——水的浮力；Fn——?dú)鈭F(tuán)與水流間的粘滯阻力；Fm——?dú)鈭F(tuán)與管洞壁間的摩擦力。氣團(tuán)受到的浮力使氣團(tuán)與流動(dòng)的水體之間產(chǎn)生較大的滑移速度，且氣團(tuán)體積越大越明顯，甚至可使其逆水而行。氣團(tuán)受到的粘滯阻力與氣團(tuán)和水流間的速度梯度有關(guān)，速度梯度越大，粘滯阻力也就越大。氣泡及小氣團(tuán)受到的粘滯阻力比浮力要小得多，會(huì)被水流以較快速度帶走（與水流間的滑移速度較?。鈭F(tuán)越大，其受到的浮力就越大，前進(jìn)的速度就越小。這樣在隧洞足夠長(zhǎng)的情況下，小的氣泡或氣團(tuán)必定會(huì)追上大的氣團(tuán)形成更大的氣團(tuán)，這是氣團(tuán)體積變大的原因之一。再者，當(dāng)氣團(tuán)體積達(dá)到一定程度形成氣阻后，為維持固定流量，水流流經(jīng)氣團(tuán)時(shí)，流速會(huì)增大，而水壓會(huì)降低，溶解于水中小氣泡將在一定程度上被釋放。這是氣團(tuán)體積變大的又一原因。但這并不是說(shuō)氣團(tuán)體積可一直持續(xù)增大：當(dāng)氣團(tuán)形成氣阻后，氣團(tuán)下方的水流速度增快，水體與氣團(tuán)間的粘滯阻力會(huì)增大，氣團(tuán)體積很難維持不變，氣團(tuán)有可能會(huì)被水流沖散并帶向下游，并最終由高壓井排出。下坡隧洞中，當(dāng)氣團(tuán)體積適當(dāng)，維持不變，也就是當(dāng)補(bǔ)充的氣體與水流攜走的氣體達(dá)到平衡時(shí)，且各受力的合力達(dá)到平衡時(shí)，氣團(tuán)便能在隧洞某一部位滯留。

發(fā)電過(guò)程中，如隧洞進(jìn)氣量小，形成一個(gè)滯留氣團(tuán)后被水?dāng)y帶沖向下游的氣體體積不足以形成一個(gè)穩(wěn)定的滯留氣團(tuán)時(shí)，則此部分氣體將最終由調(diào)壓井排出，這樣隧洞內(nèi)將只有一個(gè)滯留氣團(tuán)存在。反之，如隧洞進(jìn)氣量大，則極有可能有多個(gè)氣團(tuán)滯留在隧洞內(nèi)。氣團(tuán)的體積大小、數(shù)量及滯留的位置情況與隧洞長(zhǎng)度、隧洞形狀、隧洞直徑、隧洞坡度、隧洞壁的粗糙度及水流速度等諸多因素有關(guān)，因此無(wú)法進(jìn)行定量分析。

電站長(zhǎng)輸下坡引水隧洞中的滯留氣團(tuán)是在動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的，機(jī)組停運(yùn)、隧洞內(nèi)水無(wú)流速的情況下，氣團(tuán)不可能長(zhǎng)時(shí)間存在，會(huì)在浮力的作用下從進(jìn)水口或調(diào)壓井排出水面。

2.3 氣團(tuán)的危害影響分析

2.3.1 影響隧洞的輸水效率，影響機(jī)組出力

氣團(tuán)在隧洞內(nèi)如形成氣阻，將改變水流通過(guò)該區(qū)段的流態(tài)，使輸水效率受到不同程度的影響；再者，如隧洞內(nèi)氣體的總體積較大，會(huì)使機(jī)組進(jìn)水口處壓力下降，降低機(jī)組運(yùn)行的有效水頭，使機(jī)組在開(kāi)度不變的情況下，出力降低。

2.3.2 氣團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生高壓，危害隧洞洞體安全

當(dāng)引水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變，氣團(tuán)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。一種情況：電站機(jī)組突然大幅度增加負(fù)荷。此時(shí)機(jī)組的過(guò)機(jī)流量突然增大，隧洞內(nèi)水體流速亦增大，一定時(shí)間內(nèi)氣團(tuán)下游側(cè)水體的流速大于其上游側(cè)水體流速，氣團(tuán)體積變大，氣團(tuán)內(nèi)壓力突然降低，并形成負(fù)壓；之后，其上游側(cè)水體在重力及負(fù)壓作用下作加速運(yùn)動(dòng)，擠壓氣團(tuán)，使氣團(tuán)體積遠(yuǎn)小于其原有體積，其內(nèi)部產(chǎn)生極具破壞力高壓，其周圍水體也在負(fù)壓及氣團(tuán)移動(dòng)過(guò)程中反復(fù)拍擊洞壁，并發(fā)出巨大聲響。另一種情況：電站機(jī)組突然大幅度減負(fù)荷（或甩負(fù)荷）。在此情形下，也會(huì)出現(xiàn)上述的往復(fù)振蕩沖擊現(xiàn)象，所不同的是，首先出現(xiàn)的是上、下游水體擠壓氣團(tuán)所形成的高壓。著名的美國(guó)水錘專家V.L.Streeter在其著作《瞬變流》中有一個(gè)算例：一個(gè)水位為30 m的水池，底部引出60 m長(zhǎng)的水平管，其直徑為1 m，在距管末端12 m一段存有空氣，空氣初始絕對(duì)壓力為102 kPa，當(dāng)在0.95 s內(nèi)打開(kāi)管道端閥門時(shí)，在接近2.5 s時(shí)空氣壓力猛增至2 331 kPa，可見(jiàn)由于氣團(tuán)存在所引起管道壓力振蕩的嚴(yán)重程度。

2.3.3 氣團(tuán)高速上浮引起的沖擊危害

當(dāng)下坡引水隧洞中流動(dòng)水體停止流動(dòng)時(shí)，滯留的氣團(tuán)受到的粘滯阻力減小，在浮力的作用下開(kāi)始上升。專家針對(duì)氣泡在水中的上浮情況進(jìn)行過(guò)針對(duì)性的研究論證，得出了水泡上浮時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這些規(guī)律在一定程度上對(duì)大體積的氣團(tuán)也是適用的：①直徑大的氣泡上升速度快。②氣泡越大，其上升過(guò)程中所達(dá)到的最大穩(wěn)定速度越高。③氣泡上升過(guò)程中由于所受水壓力減小，其體積逐漸變大。④運(yùn)動(dòng)中遇到阻力會(huì)變成規(guī)避阻力的流線型（胖黃瓜形狀），不但能減小阻力，而且可獲得更大的加速度。⑤氣泡可能會(huì)在上浮到某個(gè)階段發(fā)生破裂。其破裂只是由一個(gè)較大的氣泡分裂成幾個(gè)較小的氣泡，破裂的直接原因不是壓強(qiáng)減小，而是由于壓力減小，氣泡的體積逐漸變大，氣泡越大。所以，上升速度加快。但是由于氣泡的體積增大，氣泡接觸水的面積也增大，其受到的阻力也增大了。在氣泡較小時(shí)，其表面張力相對(duì)集中，不易分裂。但在氣泡變大后，表面張力不足以維持住大型氣泡的水的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在迎面水流的阻力下分

裂成幾個(gè)小部分。

電站機(jī)組突然甩負(fù)荷或停機(jī)時(shí)，引水隧洞內(nèi)水體在很短時(shí)間內(nèi)由流動(dòng)轉(zhuǎn)為靜止，位于隧洞末端的調(diào)壓井水位在此時(shí)間段內(nèi)達(dá)到最高，產(chǎn)生水錘效應(yīng)，之后洞內(nèi)水體在水錘作用下作加速的反向流動(dòng)，此時(shí)滯留于洞內(nèi)的氣團(tuán)在浮力作用下借助水流速度向進(jìn)水口作加速上浮運(yùn)動(dòng)。氣團(tuán)由進(jìn)水口排出時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，體積受到壓力及洞體限制的氣團(tuán)在排出的一瞬間，其內(nèi)部壓力得到釋放，加之其極高的運(yùn)行速度，因此會(huì)產(chǎn)生類似爆炸的效果，對(duì)進(jìn)水口設(shè)備造成破壞。

氣團(tuán)造成的危害性事故de發(fā)生，與進(jìn)氣量多少、氣團(tuán)數(shù)量、氣團(tuán)體積、氣團(tuán)滯留位置、進(jìn)水口形式、隧洞長(zhǎng)度、隧洞形狀、隧洞直徑、隧洞坡度、隧洞壁的粗糙度、水流運(yùn)行狀態(tài)改變的程度、改變的速度快慢等諸多因素有關(guān)，只有在各種條件組合滿足的情況下才能引發(fā)事故。

3 案例分析

禮河3組水電站1971年1月8日事故：電站1號(hào)機(jī)組試運(yùn)行時(shí)，在球閥下游未充水而為氣柱的情下，發(fā)出開(kāi)動(dòng)球閥信號(hào)。幾秒時(shí)間內(nèi)突然一聲巨響，水壓表瞬時(shí)下降至40 kg/cm2，而后又突升到90 kg/cm2。停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)：1號(hào)高壓平洞的34號(hào)和36號(hào)管段爆裂，其中34號(hào)管段裂縫長(zhǎng)2.15 m、寬2~3 mm；36號(hào)管段裂縫長(zhǎng)4.4 m，寬4~5 mm。此事故屬典型的壓力水流沖擊大體積氣團(tuán)引發(fā)的高壓危害事故。

4 結(jié)論

引水式電站隧洞內(nèi)氣體可能來(lái)源有：溶解空氣析出、充水未完成、進(jìn)水口進(jìn)氣。條件具備時(shí)，氣團(tuán)能在隧洞的流動(dòng)水體中滯留，如進(jìn)氣量大有可能在不同部位形成多個(gè)滯留氣團(tuán)。在一定條件下，氣團(tuán)的存在會(huì)影響輸水效率、會(huì)降低機(jī)組出力；氣團(tuán)部位會(huì)產(chǎn)生極具破壞力的高壓及振蕩；氣團(tuán)由進(jìn)水口排出時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。案例充份展示了由于氣團(tuán)引發(fā)的事故的嚴(yán)重性，因此建議相關(guān)發(fā)電企業(yè)要積極采取針對(duì)性措施，杜絕此類事故的發(fā)生。

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［中圖分類號(hào)］TV554

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）06－0063－02

[收稿日期]2015-12-20