陳振軍

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

JK水庫(kù)表孔溢洪洞采用豎井水平旋流的消能形式，最大泄流量達(dá)623 m3/s，上下游落差最大達(dá)120 m以上，其中豎井高度接近100m，其結(jié)構(gòu)體型及過(guò)流邊界較為復(fù)雜，水流空化問(wèn)題突出，需要通過(guò)減壓模型試驗(yàn)，對(duì)表孔溢流洞的各個(gè)關(guān)鍵部位的空化特性進(jìn)行深入研究。論證水平旋流洞的抗空化特性，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧詼p免表孔溢流洞在高水頭、大流量泄流條件下發(fā)生空化空蝕的可能性，為表孔溢流洞的安全運(yùn)行提供依據(jù)。

JK水庫(kù)由攔河壩、表孔泄洪洞（導(dǎo)流洞改建，豎井水平渦旋流消能形式）、底孔泄洪-沖沙-放空洞、發(fā)電引水洞、地面廠房及電站尾水渠等組成?？値?kù)容1.21億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.71億m3，電站裝機(jī)30 MW，年發(fā)電量2.14億kW·h，為Ⅱ等工程。工程建成后，可控制灌溉面積70.73萬(wàn)畝，將下游防洪堤防洪標(biāo)準(zhǔn)由5年一遇提高到30年一遇[1-2]。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

JK水庫(kù)表孔溢洪洞（見(jiàn)圖1）減壓模型試驗(yàn)以常壓試驗(yàn)的推薦體型為基礎(chǔ)，對(duì)豎井進(jìn)流水平旋流洞關(guān)鍵部位的空化特性進(jìn)行研究，對(duì)比觀測(cè)常壓狀態(tài)和減壓狀態(tài)洞內(nèi)的水流流態(tài)和壓力分布，監(jiān)測(cè)不同運(yùn)行條件下溢流進(jìn)口段、豎井、起旋室等關(guān)鍵部位的水流空化噪聲，分析其水流空化特性[3-4]，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出結(jié)論或修改建議。其主要試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）減壓狀態(tài)下，觀測(cè)不同泄流條件下溢流進(jìn)口段、豎井段的水流流態(tài)，觀察摻氣設(shè)施水流形態(tài)和穩(wěn)定性，并與常壓狀態(tài)下的水流流態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）根據(jù)實(shí)測(cè)壓力資料，計(jì)算表孔溢洪洞不同泄流部位的水流空化數(shù)，初步分析水流的空化特性。

（3）測(cè)試不同特征水位下溢流進(jìn)口、豎井、起旋器各個(gè)關(guān)鍵部位的水流空化噪聲，通過(guò)對(duì)空化噪聲的頻譜分析，結(jié)合目測(cè)及洞內(nèi)壓力分布，分析水流的空化特性。

圖1 表孔泄洪洞布置圖

1.2 模型設(shè)計(jì)

表孔泄洪洞常壓水工模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型幾何比尺為1∶30，原型與模型的比尺關(guān)系如為長(zhǎng)度比尺：λL=30，速度比尺：λV=λL0.5=5.477，時(shí)間比尺：λt=λL0.5=5.477，壓強(qiáng)比尺：λp=λL=30，流量比尺：λQ=λL2.5=4929.503，糙率比尺：λn=λL1/6=1.763。

為便于觀察流態(tài)，模型的引渠段、進(jìn)口溢流控制段、豎井段全部采用透明有機(jī)玻璃精細(xì)加工制作。有機(jī)玻璃糙率系數(shù)nM為0.008，根據(jù)曼寧公式按照模型比尺換算得到原型糙率np為0.0141，與混凝土表面糙率0.014接近，基本滿足糙率相似條件。

2 水流空化特性

2.1 水流空化數(shù)

水流空化數(shù)是反映水流空化特性的重要指標(biāo)，在不考慮脈動(dòng)壓力影響的條件下，水流空化數(shù)用式（1）表示：

式中：Pa為工程所在地的大氣壓力（kPa）；P為泄洪建筑物表面的時(shí)均壓力（kPa）；Pv為汽化壓力（kPa）；這里按照水溫 20℃時(shí)的汽化壓力計(jì)，即：Pv=2.29 kPa；V為過(guò)流斷面的平均流速。

閘門全開(kāi)，在設(shè)計(jì)水位和校核水位泄流工況下，進(jìn)口溢流堰面最小水流空化數(shù)分別為1.40和1.09。設(shè)計(jì)工況下溢流堰段平均流速8.5 m/s～10.0 m/s，堰面沒(méi)有出現(xiàn)較大的負(fù)壓，計(jì)算得到的水流空化數(shù)均大于1.0。

2.2 水流空化噪聲分析

2.2.1 水流空化噪聲分析方法

水流噪聲能量比值E/E0。水流噪聲能量也是衡量水流是否發(fā)生空化的重要物理參數(shù)。試驗(yàn)中同樣取真空度為η=0.85ηm時(shí)的水流噪聲能量作為背景噪聲能量，然后逐級(jí)增加減壓箱內(nèi)真空度，每增加一級(jí)待水流穩(wěn)定后均測(cè)試一組水流噪聲能量，直到真空度超過(guò)相似真空度為止。水流空化噪聲能量E按下式計(jì)算：

式中：fi為頻帶的中心頻率（Hz）；（BL）i為頻帶的聲壓級(jí)（dB），噪聲能量的分析頻率范圍取10 kHz～200 kHz的高頻段。一般來(lái)說(shuō)，水流自身流動(dòng)的噪聲在高頻段的能量隨真空度的變化緩慢，而水流空化噪聲隨真空度的升高而迅速增大。噪聲相對(duì)能量表示實(shí)測(cè)噪聲能量與背景噪聲能量的比值E/E0，試驗(yàn)中以噪聲相對(duì)能量隨真空度的變化過(guò)程和增長(zhǎng)幅度來(lái)判斷水流是否發(fā)生空化。

2.2.2 水流初生空化的判別標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)E/E0～η的關(guān)系曲線的曲率發(fā)生突變，且相似真空度時(shí)水流噪聲能量（Em）與背景噪聲能量（E0）的相對(duì)比值（Em/E0）比值達(dá)到2.0左右時(shí)，一般認(rèn)為滿足以上兩個(gè)條件即可以判斷水流發(fā)生了初生空化，再對(duì)可能發(fā)生空化水流部位附近的水流內(nèi)部進(jìn)行目測(cè)觀察，分析判斷水流的空化狀況。

對(duì)于設(shè)置了摻氣設(shè)施的泄洪建筑物，由于水流摻氣影響空化現(xiàn)象的目測(cè)和觀察，主要根據(jù)監(jiān)測(cè)水流噪聲來(lái)分析和判斷水流是否發(fā)生空化，結(jié)合水流的摻氣效果和水力特性綜合評(píng)價(jià)其空化的危害程度。

2.3 水流空化噪聲測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表孔溢洪洞的體型布置和運(yùn)行特點(diǎn)，減壓模型在進(jìn)口溢流堰面段、豎井與溢流進(jìn)口連接及環(huán)形摻氣坎段、豎井段、起旋室附近分別布置了水聽(tīng)器（測(cè)點(diǎn)編號(hào)N-01～N-04），利用水聽(tīng)器監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的水流噪聲，判斷水流是否發(fā)生空化。

閘門全開(kāi)，減壓試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了表孔溢洪洞進(jìn)口至水墊塘段各個(gè)關(guān)鍵部位的水流噪聲，圖2～圖4給出了相似真空狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的水流噪聲頻譜曲線及相應(yīng)的背景噪聲頻譜曲線，各測(cè)點(diǎn)相似真空度狀態(tài)下的水流噪聲與背景噪聲在30 kHz～200 kHz高頻段內(nèi)的聲壓級(jí)差（△SPL）統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同特征水位下水流空化噪聲聲壓級(jí)差(△SPL)（dB）

2.3.1 溢流進(jìn)口（N-01測(cè)點(diǎn)）附近水流空化特性

N-01測(cè)點(diǎn)布置在溢流堰面及末端摻氣跌坎上游邊墻附近，閘門全開(kāi)，不同泄流工況下實(shí)測(cè)水流噪聲頻譜特征結(jié)果如下：

1）在設(shè)計(jì)水位和校核水位的運(yùn)行條件下，N-01測(cè)點(diǎn)在相似真空度狀態(tài)下的水流噪聲與背景噪聲比較，在大于30 kHz高頻段的最大聲壓級(jí)增量分別為4.3 dB和4.6 dB，水流噪聲聲壓級(jí)增量隨庫(kù)水位升高、泄流量增大而略有增大，但均小于非摻氣水流空化初生臨界判別下限值5.0 dB；

2）在校核工況下，N-01測(cè)點(diǎn)水流噪聲能量隨真空度的增加而增長(zhǎng)緩慢，在相似真空度時(shí)（ηm）實(shí)測(cè)水流噪聲能量（Em）為背景噪聲能量（E0）的1.75倍，相對(duì)噪聲能量比（Em/E0）也低于通常認(rèn)為會(huì)發(fā)生空化初生的判別值2.0。

2.3.2 豎井與進(jìn)口連接段及環(huán)形摻氣坎附近（N-02測(cè)點(diǎn)）水流空化特性

1） 不同泄流工況下，豎井與進(jìn)口連接段外側(cè)邊墻N-02測(cè)點(diǎn)在高頻段的最大聲壓級(jí)增量處于4.1 dB～4.7 dB之間，均略小于非摻氣水流空化初生判別標(biāo)準(zhǔn)的臨界下限值5.0 dB；校核工況下，N-02測(cè)點(diǎn)在相似真空度時(shí)的水流噪聲能量與背景噪聲能量的相對(duì)比值（Em/E0）為1.92，也低于空化初生的臨界值2.0；

2）不同泄流工況下，豎井與進(jìn)口連接段內(nèi)側(cè)處于溢流跌坎后的摻氣空腔范圍；溢流水舌與豎井交匯的角度較小，未對(duì)豎井外側(cè)井壁形成較強(qiáng)的沖擊現(xiàn)象，表面旋滾穩(wěn)定，并具有一定卷吸氣體的摻混作用，且環(huán)形摻氣挑坎收縮來(lái)流，對(duì)井壁也起到一定的增壓作用，肉眼觀測(cè)連接段井壁沒(méi)有出現(xiàn)水流分離及空化云現(xiàn)象，結(jié)合水流噪聲結(jié)果可以判斷，豎井與進(jìn)口連接段及環(huán)形摻氣坎附近也沒(méi)有發(fā)生空化水流。

2.3.3 豎井段（N-03測(cè)點(diǎn)）附近水流空化特性

1）不同泄流工況下，豎井段N-03測(cè)點(diǎn)在高頻段的最大聲壓級(jí)增量處于4.0 dB～4.6 dB，均小于非摻氣水流空化初生判別標(biāo)準(zhǔn)的臨界值；校核工況下，N-03測(cè)點(diǎn)在相似真空度時(shí)的水流噪聲能量與背景噪聲能量的相對(duì)比值（Em/E0）為1.72，也低于空化初生的臨界判別值；

2）不同泄流工況下，豎井環(huán)形摻氣坎后四周空腔均較長(zhǎng)，內(nèi)側(cè)摻氣空腔與溢流堰跌坎后空腔貫通一體，通氣順暢，目測(cè)豎井內(nèi)為摻氣充分的下泄水體，豎井下部及收縮段洞壁均為較大的正壓；不同泄流工況下實(shí)測(cè)水流噪聲均處于水流空化初生判別標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，綜合水流流態(tài)、壓力及噪聲結(jié)果可以判斷，豎井段水流不至發(fā)生空化。

2.3.4 起旋室（N-04測(cè)點(diǎn)）附近水流空化特性

1）在泄量分別為設(shè)計(jì)和校核水位的運(yùn)行條件下，起旋室N-04測(cè)點(diǎn)在高頻段的最大聲壓級(jí)增量分別為4.1 dB和4.3 dB，均小于臨界值5.0 dB；

2）校核工況下，隨著真空度的增大，起旋室N-04測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)水流噪聲能量的增長(zhǎng)緩慢，噪聲能量沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變，在相似真空度時(shí)實(shí)測(cè)水流噪聲能量?jī)H為背景噪聲能量的1.37倍（Em/E0=1.37），遠(yuǎn)低于空化初生的臨界判別值2.0；

3）不同泄流工況下，豎井下泄水流經(jīng)起旋室均形成穩(wěn)定的空腔旋轉(zhuǎn)流，起旋室上游洞壁設(shè)置通氣孔和旋流空腔正常連通，通氣順暢；在高速旋轉(zhuǎn)水流離心力作用下，起旋室洞壁壓力大幅度升高；另一方面，導(dǎo)流坎與旋流洞連接部位采用削坡處理，同時(shí)起旋室與旋流洞采用收縮連接方式，避免了體型連接段出現(xiàn)負(fù)壓；且豎井來(lái)流摻氣充分，對(duì)起旋室過(guò)流邊界能起到較好摻氣保護(hù)作用，目測(cè)起旋室各關(guān)鍵體型部位沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水流分離及空化云現(xiàn)象，實(shí)測(cè)水流噪聲均處于水流空化初生判別標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，表明起旋室段也不至發(fā)生空化水流。

圖2 常遇洪水流量：303 m3/s

圖3 設(shè)計(jì)水位：H=2509.13 m

圖4 校核水位：H=2510.77 m

3 結(jié)論

（1）不同特征泄流工況下，進(jìn)口與豎井連接段及豎井段水流噪聲的聲壓級(jí)增量及相對(duì)噪聲能量均低于初生空化的臨界判別值，進(jìn)口溢流水舌與豎井銜接良好，環(huán)形摻氣設(shè)施運(yùn)行正常，豎井段水流摻氣充分，豎井連接段、環(huán)形摻氣坎及豎井段均不至發(fā)生水流空化。

（2）不同特征泄流工況下，起旋室段實(shí)測(cè)水流噪聲在高頻段的最大聲壓級(jí)增量小于4.5 dB，校核工況下水流噪聲相對(duì)能量比值僅為1.37，豎井來(lái)流經(jīng)起旋室能形成穩(wěn)定的空腔旋流，通氣順暢。在導(dǎo)流坎采用尾部削坡以及起旋室與旋流洞收縮連接的體型設(shè)計(jì)下，有效避免了銜接部位出現(xiàn)負(fù)壓，也沒(méi)有出現(xiàn)水流邊界分離及空化云現(xiàn)象，邊壁水流摻氣明顯，減壓試驗(yàn)結(jié)果表明起旋室具有較好的抗空化性能。