丁浩鐸， 牛爭鳴， 楊 健， 鮑 莉， 陳 軍

（1.大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司,昆明 650011；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048；3.成都水利水電勘察設(shè)計研究院,成都 610072）

高壩建設(shè)過程中，如何將施工期廢棄的導(dǎo)流隧洞改建為永久性泄洪洞是近年來國內(nèi)外水力學(xué)界研究的重點[1-2]。本文參考黃河小浪底水電站和黃河公伯峽水電站內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計研究經(jīng)驗[3-4]，結(jié)合雅礱江兩河口水利樞紐3#導(dǎo)流洞 （后期導(dǎo)流洞）改建為非常溢洪道的設(shè)計需要，提出了復(fù)合式大坡降水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的體型設(shè)計方案，即采用在水平旋流段末端設(shè)置阻塞的方式增大起旋器低壓區(qū)的壁面壓強；并針對水平旋流段末端設(shè)置阻塞后形成的旋轉(zhuǎn)擴散水流如何與后期導(dǎo)流洞銜接問題，通過試驗，研究該體型阻塞擴散段的最優(yōu)水流銜接方式。

1 模型設(shè)計與測點布置

1.1 模型設(shè)計與制作

試驗?zāi)Ｐ桶凑昭诺a江兩河口水電站3#導(dǎo)流洞 （后期導(dǎo)流洞）改建為大坡降復(fù)合式水平旋流內(nèi)消能泄洪洞體型進(jìn)行模型設(shè)計，其中，水平旋流洞坡降i=0.08，導(dǎo)流洞坡降i=0.09807，模型比尺1∶42，制作材料為有機玻璃。針對旋流擴散段的水流銜接，本次試驗共提出了2種旋流擴散體型，即阻塞突擴體型與阻塞漸擴體型。阻塞突擴體型是將阻塞末端直接與導(dǎo)流洞相連，而不采取任何過渡措施；阻塞漸擴體型是通過一定的漸變連接方式將阻塞孔口和下游導(dǎo)流洞相連。

本次試驗阻塞突擴方案起旋器喉口收縮比取為n=0.52，阻塞孔口收縮比取為m=0.82；阻塞漸擴體型起旋器喉口收縮比取為n=0.57，阻塞孔口收縮比取為m=0.91，具體體型如圖1所示，符號含義見表1。

表1 主要物理量符號表

1.2 量測內(nèi)容與測點布置

試驗選取三組不同上游水位，即h/D=1.98，h/D=1.38，h/D=1.17。試驗時控制上游水位h/D，對旋流擴散段的壁面壓強pw、摻氣濃度Φ以及旋流擴散軌跡進(jìn)行量測。其中，壁面壓強pw采用測壓管進(jìn)行量測；摻氣濃度Φ采用CQ6-2004型摻氣濃度儀進(jìn)行量測；旋流擴散軌跡采用觀測水流跡線進(jìn)行量測[5]。為了方便試驗觀測，試驗時在導(dǎo)流洞內(nèi)各壁面設(shè)定坐標(biāo)系，坐標(biāo)系中每個方格模型尺寸為3cm，原型長度1.26m，如圖2所示。

圖1 模型試驗各部分體型

圖2 阻塞擴散段測壓孔布置

1.2.1 壁面壓強測點布置

阻塞突擴方案的壁面壓強測點共173個，阻塞漸擴方案壁面壓強測壓點共61個，具體測點布置如圖2示。由于阻塞擴散段水流摻氣濃度較高，故量測數(shù)據(jù)有一定誤差，但基本可以滿足初步研究的要求。

1.2.2 摻氣濃度斷面測點布置

阻塞擴散段旋轉(zhuǎn)水流的摻氣濃度量測斷面沿導(dǎo)流洞軸線布置，位置選擇在L/D1=3.43、5.33、7.24三處，摻氣濃度以 “%”形式表示。

1.2.3 旋流擴散軌跡的測點布置

旋流擴散軌跡的觀測主要是依據(jù)導(dǎo)流洞壁面劃分的網(wǎng)格記錄通過各壁面定點的旋流擴散軌跡跡線。其中，導(dǎo)流洞左岸定點選擇在L/D1=1.146、 Lh/D1=0.605，L/D1=2.932、Lh/D1=0.419，L/D1=4.959、Lh/D1=0.068處；導(dǎo)流洞右岸定點位置選擇與左岸相同；導(dǎo)流洞頂部定點位置選擇在 L/D1=1.338、 Lw/D1=0.000， L/D1=3.124、 Lw/D1=0.000， L/D1=4.910、 Lw/D1=0.000處。

2 阻塞擴散段的流態(tài)

2.1 阻塞突擴方案的流態(tài)

當(dāng)上游水位h/D=1.98時，旋轉(zhuǎn)水流通過阻塞孔口后直接沖擊導(dǎo)流洞壁面，水流打擊點附近流態(tài)紊亂，部分水流在打擊點附近產(chǎn)生逆向飛濺，打擊點附近水氣摻混充分，打擊點后導(dǎo)流洞壁面形成附壁運動的氣水兩相流，流態(tài)如圖3所示。

2.2 阻塞漸擴方案的流態(tài)

當(dāng)上游水位h/D=1.98時，由于阻塞漸擴段斷面尺寸逐漸變大，附壁水流水層厚度在阻塞出口較短范圍內(nèi)急劇變薄，氣水摻混充分。當(dāng)旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入導(dǎo)流洞段，水流旋轉(zhuǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿奖趻伾錇橹鞯倪\動形式，且在導(dǎo)流洞右壁面形成水翅，導(dǎo)致導(dǎo)流洞下游水面波動較大，其流態(tài)如圖4所示。

圖3 阻塞突擴方案導(dǎo)流洞附壁擴散段流態(tài)

圖4 阻塞漸擴方案導(dǎo)流洞附壁擴散段流態(tài)

3 旋流擴散段的水力特性

3.1 旋流擴散段的壁面壓強特性

3.1.1 阻塞突擴方案旋流擴散段的壁面壓強

對阻塞突擴方案旋流擴散段的壁面壓強而言，由于旋轉(zhuǎn)水流直接打擊到導(dǎo)流洞壁面，水流垂直于導(dǎo)流洞壁面的動能瞬時轉(zhuǎn)化為導(dǎo)流洞壁面的壓能，故水流打擊點處壁面壓強較大，而打擊點附近壁面壓強則急劇減小，部分測點產(chǎn)生虛負(fù)壓。在此，我們假定量測到的導(dǎo)流洞壁面壓強最大點即為水流在導(dǎo)流洞壁面的打擊點，圖5所示即為上游水位h/D=1.98時阻塞突擴方案旋轉(zhuǎn)水流在導(dǎo)流洞各壁面的打擊點位置，以及打擊點處壁面壓強最大值。

圖6為各級庫水位下旋轉(zhuǎn)水流附壁打擊點處壁面壓強最大值隨壁面位置的變化規(guī)律，壁面壓強用無量綱數(shù)pw/(γD1)表示。由圖可見，各級庫水位下導(dǎo)流洞右壁面的沖擊壓強在0.05＜Lh/D1＜0.22之間隨高度Lh/D1的上升呈減小趨勢，在0.22＜Lh/D1＜1.3之間隨高度Lh/D1的上升呈逐漸增大趨勢，部分測點量測值略有波動；左側(cè)壁面、底部壁面的沖擊壓強最大值均呈中間大兩邊小的變化趨勢；而頂部的壁面沖擊壓強最大值則呈波動狀變化。

圖5 旋流突擴體型導(dǎo)流洞壁面水流打擊點處壁面壓強

圖6 阻塞突擴方案導(dǎo)流洞各壁面壓強最大值位置的變化

3.1.2 阻塞漸擴方案旋流擴散段的壁面壓強

對阻塞漸方案壁面壓強進(jìn)行量測，由量測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，大部分阻塞漸擴段的測壓孔均呈無壓或虛負(fù)壓的狀態(tài)。對產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析可知：當(dāng)水流運動至阻塞漸擴段，水流旋轉(zhuǎn)角已經(jīng)很小，故其環(huán)向流速產(chǎn)生的壁面壓強也很小，且由于旋轉(zhuǎn)水流在此處大量摻氣，故大部分測壓孔均處于無壓或虛負(fù)壓的狀態(tài)。

3.2 摻氣濃度的分布規(guī)律

量測斷面水流摻氣濃度則既可概化性地了解兩方案導(dǎo)流洞內(nèi)附壁水體的摻氣程度，還可以進(jìn)一步驗證導(dǎo)流洞內(nèi)部水流流態(tài)。其中，以 “n=0.52，m=0.82”表示阻塞突擴方案， “n=0.57，m=0.91”表示阻塞漸擴方案。

圖7即為導(dǎo)流洞內(nèi)L/D1=3.43、L/D1=5.41和L/D1=7.29位置各級庫水位下阻塞突擴方案和阻塞漸擴方案旋流擴散段水流摻氣濃度的比較。由圖可見，各級庫水位下兩方案導(dǎo)流洞附壁水流段摻氣濃度均較大，實測數(shù)據(jù)基本都大于80%。根據(jù)測量結(jié)果，L/D1=3.43斷面處存在一較大體積的空腔，且頂部水層仍然較為明顯；而在位置L/D1=3.43處，兩方案導(dǎo)流洞底部均已經(jīng)形成厚度較厚的摻氣水流層；隨著量測斷面位置的向下推移，氣體逐漸溢出，摻氣濃度逐漸減小。

3.3 旋流擴散段的擴散軌跡

本次試驗對上游水位h/D=1.98、h/D=1.38和h/D=1.17時兩種體型旋流擴散段通過定點的附壁水流擴散軌跡進(jìn)行了記錄。

3.3.1 相同體型不同上游水位擴散軌跡

圖6 阻塞突擴方案導(dǎo)流洞各壁面壓強最大值位置的變化

圖8 阻塞漸擴與阻塞突擴方案各級庫水位導(dǎo)流洞附壁水流跡線

圖9 庫水位h/D=1.98時兩種方案導(dǎo)流洞附壁水流跡線對比

圖10 各級庫水位下兩種方案導(dǎo)流洞附壁水流落點分布

圖8即為相同阻塞擴散體型各級庫水位下導(dǎo)流洞各壁面旋流擴散軌跡對比。由圖可見，相同體型各級庫水位下導(dǎo)流洞左岸、頂部壁面附壁擴散水流跡線相差不大，且L/D1越小，其跡線相差越小；導(dǎo)流洞右側(cè)附壁水流運動軌跡差異較大，在上游水位h/D較高時，附壁水流在獲得較大的初速度，水流在沿壁面上升至導(dǎo)流洞右壁面頂部時，其垂直導(dǎo)流洞軸線方向上仍具有較大的速度，致使其脫離右壁面，沿導(dǎo)流洞頂部擴散；當(dāng)上游水位h/D較低，附壁水流的初速度較小，附壁水流還未上升至導(dǎo)流洞右壁面頂部時，垂向流速分量已衰減完畢，隨后程拋物線狀回落，與此同時，導(dǎo)流洞軸線方向流速衰減也較大，造成導(dǎo)流洞右岸附壁水流流線差異較大。

3.3.2 不同阻塞擴散體型相同上游水位擴散軌跡的比較

以上游水位h/D=1.98為例，對兩種阻塞擴散體型導(dǎo)流洞附壁擴散段的水流跡線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示。由圖可知，導(dǎo)流洞左岸附壁水流擴散軌跡趨勢基本相同，且阻塞漸擴體型旋轉(zhuǎn)水流跡線與導(dǎo)流洞軸線所呈的交角度略??；導(dǎo)流洞頂部的旋流擴散軌跡與左岸基本類似；導(dǎo)流洞右壁面兩方案旋流擴散軌跡相差較大，其差異主要由垂向流速大小決定。

3.3.3 不同阻塞擴散體型附壁水流落點比較

根據(jù)對兩種旋流擴散體型附壁擴散水流的落點來看，在同一庫水位下阻塞突擴方案和阻塞漸擴方案附壁水流落點是不相同的；且相同體型下隨著上游水位的上升，附壁擴散水流擴散距離的增量也呈減小趨勢，具體各級庫水位下阻塞突擴和阻塞漸擴方案導(dǎo)流洞左、右壁面附壁水流落點如圖10所示。

4 結(jié)論

1）阻塞突擴方案的旋轉(zhuǎn)水流通過阻塞孔口后直接沖擊導(dǎo)流洞壁面，然后水流仍繼續(xù)向下游旋轉(zhuǎn)擴散，導(dǎo)流洞內(nèi)快速形成穩(wěn)定、均勻的氣水混合流，水流波動較小。而阻塞漸擴方案水流壁擴散，并在導(dǎo)流洞壁面形成水翅，造成導(dǎo)流洞下游水面波動較大，故其流態(tài)仍需優(yōu)化[6]。

2）對阻塞突擴方案而言，在上游水位一定時，導(dǎo)流洞各壁面的沖擊壓強較大，且分布略有不同。牛爭鳴教授等對旋流阻塞突擴體型導(dǎo)流洞打擊點處的脈動壓強特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：導(dǎo)流洞水流打擊點附近進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固或體型優(yōu)化，可避免產(chǎn)生共振[7]。對阻塞漸擴方案而言，阻塞漸擴段壁面壓強呈無壓或虛負(fù)壓的的狀態(tài)。

3）對阻塞突擴方案和阻塞漸擴方案而言，兩方案附壁擴散水流摻氣濃度均很高，且旋流擴散段內(nèi)部存在較大體積的空腔。由于兩方案摻氣濃度均較大，故導(dǎo)流洞附壁擴散段產(chǎn)生破壞的可能性很小。

4）旋流擴散軌跡的研究有助于確定旋流擴散段的長度。相同體型各級庫水位下導(dǎo)流洞左岸、頂部壁面附壁擴散水流跡線相差不大，右岸附壁水流跡線差異較大。對兩種不同體型的旋流擴散跡線進(jìn)行對比，阻塞漸擴體型的旋流擴散跡線較為平緩，導(dǎo)流洞頂部的旋流擴散軌跡與左岸基本類似，導(dǎo)流洞右壁面兩方案的旋流擴散軌跡相差較大。

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