高水頭、小底坡泄洪中孔摻氣坎體形優(yōu)化與運(yùn)行實(shí)踐

羅永欽，諶東升，翟秉星，楊紅宣

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500；2.大唐觀音巖水電開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650033)

0 引 言

高水頭泄水建筑物水頭高、流速大，容易發(fā)生空化空蝕，須布置摻氣設(shè)施[1]。摻氣設(shè)施的體形優(yōu)化一直是工程師、科研人員關(guān)注的重點(diǎn)。王芳芳等[2]結(jié)合古水水電站泄洪洞小底坡?lián)綒饪搀w形研究，給出一種局部變坡消退空腔積水、改善折沖水翅的方法；劉軍等[3]基于猴子巖放空洞，進(jìn)行小底坡(i=5.28%)摻氣坎優(yōu)化，提出對(duì)上游段局部加陡變底坡設(shè)三級(jí)摻氣坎方案；劉少斌等[4]基于金川水電站泄洪洞(i=3%)，提出一種底板下彎式摻氣設(shè)施，該體形可形成穩(wěn)定摻氣空腔，并消除空腔回水；夏鵬飛等[5]針對(duì)傳統(tǒng)高水頭大流量的低弗勞德數(shù)、緩底坡明渠，提出一種布置于有壓進(jìn)口處的新型楔形摻氣減蝕設(shè)施；其他亦有許多學(xué)者針對(duì)側(cè)墻、平底、挑坎進(jìn)行了摻氣坎的優(yōu)化與進(jìn)展研究[6-9]。前述研究多提到摻氣坎下局部變坡對(duì)消除空腔回水的有利作用，工程的特點(diǎn)側(cè)重于高水頭、小底坡、水位變幅大的某一或兩方面。本文研究對(duì)象為某水電站雙泄中孔，最大泄洪水頭92.37 m，底坡為5%，運(yùn)行水位變幅為11.37 m，同時(shí)具有高水頭、小底坡、水位變幅大的特點(diǎn)[10]。高水頭要求摻氣量充分，但小底坡上布置的摻氣坎極易發(fā)生空腔回水，影響正常摻氣；若水位變幅大，要保證不同水位各級(jí)摻氣坎均能有效摻氣，設(shè)計(jì)難度又進(jìn)一步加大。因此，本文對(duì)該水電站雙泄中孔的摻氣坎進(jìn)行優(yōu)化，成果可為類(lèi)似特點(diǎn)的摻氣坎設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供借鑒。

圖1 雙泄中孔原設(shè)計(jì)體形(單位：m)

1 研究對(duì)象、方法

某水電站為大(1)型工程，裝機(jī)容量為3 000 MW，最大壩高159.0 m，電站泄水建筑物由岸邊溢洪道、明渠溢洪道、雙泄中孔組成，雙泄中孔布置在電站進(jìn)水口右側(cè)，原設(shè)計(jì)體形為：進(jìn)口高程為1 045.0 m，分左、右兩孔，工作弧門(mén)尺寸5.0 m×9.0 m，工作弧門(mén)后緊接泄槽，底坡為5.0%，每孔設(shè)突擴(kuò)突跌摻氣坎、1號(hào)摻氣坎、2號(hào)摻氣坎等3道摻氣坎，左右孔摻氣坎位置一樣。泄槽末端設(shè)舌形挑坎，挑坎反弧半徑為50.0 m，挑角為35°(見(jiàn)圖1)。

雙泄中孔最大運(yùn)行水頭92.37 m，泄槽最大設(shè)計(jì)流速超40.0 m/s，為研究雙泄中孔的水力特性及摻氣效果，建造1∶40的正態(tài)水工單體模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中空腔長(zhǎng)度采用鋼直尺測(cè)量，摻氣濃度采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的CQ6-2005摻氣濃度儀測(cè)量，通氣井風(fēng)速采用熱球式風(fēng)速儀 VT115測(cè)量，空腔負(fù)壓采用U形管測(cè)量，氣水比根據(jù)通氣量、泄流量計(jì)算。試驗(yàn)工況為死水位(H=1 126.0 m)、汛限水位(H=1 129.0 m)、正常水位(H=1 134.0 m)、校核水位(H=1 137.37 m)，閘門(mén)全開(kāi)運(yùn)行。

2 各級(jí)摻氣坎模型試驗(yàn)優(yōu)化過(guò)程

方案1(原體形)試驗(yàn)成果表明：不同泄洪工況下，泄流量均大于設(shè)計(jì)值，泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；進(jìn)口段、有壓洞段、明流段均未發(fā)現(xiàn)明顯負(fù)壓、水翅及槽身沖擊波等不良水力現(xiàn)象，明流段沿程水流平順，過(guò)流斷面橫向波動(dòng)較小。進(jìn)口、有壓洞室、出口壓坡的體形基本合理。各水位下雙泄中孔突擴(kuò)突跌、1號(hào)摻氣坎、2號(hào)摻氣坎底空腔均被完全淹沒(méi)，摻氣效果很差，因此各道摻氣坎優(yōu)化是重點(diǎn)。

共進(jìn)行3個(gè)方案優(yōu)化試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，根據(jù)大量其他工程經(jīng)驗(yàn)，高速水流過(guò)流面宜采用簡(jiǎn)單的體形解決高速水流諸如摻氣、空化空蝕、流激振動(dòng)等泄洪安全問(wèn)題，優(yōu)化方案仍采用“坎下局部變坡+小挑坎+摻氣槽”的形式，并將摻氣坎流態(tài)、摻氣空腔(空腔形態(tài)的長(zhǎng)短、穩(wěn)定性、空腔回水深度)作為摻氣效果首先保證的參數(shù)。

各摻氣坎體形優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)方案2在死水位、汛限水位運(yùn)行時(shí)，各道摻氣坎均有穩(wěn)定的摻氣空腔；設(shè)計(jì)水位、校核水位運(yùn)行時(shí)，突擴(kuò)突跌摻氣坎有間歇性回水，1號(hào)摻氣坎的空腔淹沒(méi)程度大；2號(hào)摻氣坎空腔穩(wěn)定，但坎后流態(tài)較差，體形基本能滿(mǎn)足摻氣要求。

圖2 各摻氣坎的體形優(yōu)化方案(單位：m)

表1 摻氣坎位置調(diào)整后的體形優(yōu)化過(guò)程(試驗(yàn)水位：死水位～校核水位)

表2 左邊孔摻氣坎體形優(yōu)化過(guò)程(試驗(yàn)水位：死水位～校核水位)

表3 右邊孔摻氣坎體形優(yōu)化過(guò)程(試驗(yàn)水位：死水位～校核水位)

(2)方案3的1號(hào)摻氣挑坎高增加至1.0 m(比方案2增加0.2 m)、2號(hào)摻氣坎坎高降低為0.8 m(比方案2降低0.2 m)。1號(hào)摻氣坎空腔形態(tài)不如方案2，需對(duì)該體形做進(jìn)一步修改；2號(hào)摻氣坎的空腔穩(wěn)定，流態(tài)有所改善。

(3)方案4突擴(kuò)突跌后的二級(jí)坡變成19%(以減小高水位的間歇性回水)，1號(hào)摻氣坎挑坎高度降低為0.4 m。1號(hào)摻氣坎在各工況下均出現(xiàn)嚴(yán)重的空腔回水，摻氣效果差；突擴(kuò)突跌、2號(hào)摻氣坎后空腔穩(wěn)定，無(wú)空腔回水，可滿(mǎn)足摻氣要求。

綜上，各方案突擴(kuò)突跌摻氣坎、2號(hào)摻氣坎基本達(dá)到摻氣要求，1號(hào)摻氣坎優(yōu)化是難點(diǎn)。因原底坡太小，各摻氣坎的坎下一級(jí)、二級(jí)坡調(diào)整余地不大。因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，對(duì)泄槽左、右邊孔的摻氣坎位置進(jìn)行了調(diào)整，基于前述試驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)行了摻氣坎體形重新設(shè)計(jì)，突擴(kuò)突跌坎主要參數(shù)見(jiàn)表1。摻氣坎位置與一、二級(jí)坡體形確定后，主要進(jìn)行各級(jí)摻氣挑坎14個(gè)體形的試驗(yàn)優(yōu)化，最終結(jié)果見(jiàn)表2、表3，摻氣坎的推薦體形見(jiàn)圖3。

圖3 各級(jí)摻氣坎推薦體形(單位：m)

在摻氣坎位置、坎下坡度一定的條件下，摻氣空腔對(duì)坎面坡度、坎高極為敏感，如右邊孔的1號(hào)摻氣坎，當(dāng)小挑坎高度在0.3～0.5 m范圍變化、坎面坡度在1∶8～1∶10范圍變化時(shí)，多種體形均不能達(dá)到良好摻氣效果，最佳體形只是挑坎高為0.3 m、坎面坡度為1∶10時(shí)，說(shuō)明小挑坎的微小差別會(huì)明顯影響摻氣空腔的形態(tài)、淹沒(méi)回水深度，因此在工程施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制小挑坎的施工精度，否則會(huì)影響泄槽正常摻氣。

該工程進(jìn)行了14組摻氣挑坎的優(yōu)化試驗(yàn)，雖能滿(mǎn)足工程需要，但仍未獲得理論上的最佳解。穩(wěn)定、足夠長(zhǎng)的摻氣空腔作為摻氣坎摻氣最重要的參數(shù)，其影響因素包括了邊界條件(摻氣坎體形與位置)、來(lái)流條件(水深、Fr數(shù)、流速、雷諾數(shù)等)，在工程特定運(yùn)行條件下，應(yīng)有理論上的最佳解。通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立摻氣空腔與這些影響因素的理論數(shù)學(xué)分析模型，獲得這個(gè)最佳解，并達(dá)到直接應(yīng)用于工程的效果，是下一步摻氣坎優(yōu)化的方向。

3 推薦體形試驗(yàn)成果分析

為詳細(xì)獲得摻氣坎推薦體形的水力特性，定量評(píng)價(jià)摻氣坎的摻氣效果，對(duì)摻氣空腔、通氣井風(fēng)速、空腔負(fù)壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)。

3.1 摻氣空腔

推薦體形(見(jiàn)圖3)在各泄洪工況下，各摻氣坎均有穩(wěn)定摻氣空腔，且隨水位變化較小。左邊孔突擴(kuò)突跌底空腔、1號(hào)摻氣坎、2號(hào)摻氣坎空腔長(zhǎng)度分別為25.80～27.68、24.52～26.20、24.40～26.52 m；右邊孔突擴(kuò)突跌底空腔、1號(hào)摻氣槽、2號(hào)摻氣坎空腔長(zhǎng)度分別為25.48～30.0、19.68～23.68、20.4～22.52 m。各水位左、右兩孔突擴(kuò)突跌段均擁有穩(wěn)定側(cè)摻氣空腔，側(cè)空腔長(zhǎng)度變化范圍分別為7.40～8.00、8.00～8.20 m，均小于底空腔的長(zhǎng)度，摻氣順暢，根據(jù)工程一般經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)認(rèn)為可滿(mǎn)足摻氣需求。

庫(kù)水位從低水位(H=1 045.00 m)到汛限水位，摻氣空腔形成的先后順序?yàn)椋和粩U(kuò)突跌段最先形成摻氣空腔，其次是左邊孔1號(hào)摻氣坎、右邊孔1號(hào)摻氣坎、左邊孔2號(hào)摻氣坎、右邊孔2號(hào)摻氣坎，若水庫(kù)需要進(jìn)行放空，則使用左邊孔放空更有利于泄槽的摻氣保護(hù)。

3.2 通氣井風(fēng)速、空腔負(fù)壓及氣水比

各摻氣坎左右通氣井風(fēng)速、進(jìn)氣量均勻，最大風(fēng)速為10.44 m/s，氣水比約1.05%～2.09%。摻氣坎空腔負(fù)壓最大值為3.53 kPa，出現(xiàn)校核水位運(yùn)行時(shí)左邊孔1號(hào)摻氣坎位置，風(fēng)速、通氣量等實(shí)測(cè)參數(shù)與空腔負(fù)壓值基本成正比關(guān)系，各參數(shù)實(shí)測(cè)值滿(mǎn)足規(guī)范要求。因模型比尺效應(yīng)，實(shí)際通氣井風(fēng)速、空腔負(fù)壓會(huì)比模型更大。

3.3 摻氣濃度

左、右邊孔的底部摻氣濃度分布符合沿程衰減的規(guī)律，因水下緣空腔自由面的摻氣及水舌沖擊點(diǎn)的卷氣作用，摻氣空腔末的摻氣濃度較高。隨著水體的紊動(dòng)及上浮力作用，氣泡上升至溢出水面，底板摻氣濃度隨之減小。各工況左邊孔突擴(kuò)突跌摻氣坎、1號(hào)摻氣坎、2號(hào)摻氣坎末端摻氣濃度分別為0.89%～2.63%、0.36%～2.01%、0.51%～2.63%；右邊孔突擴(kuò)突跌摻氣坎、1號(hào)摻氣槽、2號(hào)摻氣槽的末端摻氣濃度分別為0.36%～1.26%、0.34%～0.71%、0.58%～1.34%。泄槽各部位最小摻氣濃度接近1%，鑒于原型水流紊動(dòng)更強(qiáng)，摻氣效果會(huì)比模型更好，摻氣濃度能滿(mǎn)足工程摻氣需求。

3.4 空化數(shù)

泄槽底板空化數(shù)普遍小于0.3，最小空化數(shù)為0.11，出現(xiàn)在校核水位運(yùn)行工況下，泄槽明流段發(fā)生空化空蝕的可能性較大。根據(jù)以上的試驗(yàn)成果，在各級(jí)摻氣坎摻氣的作用，下泄水流有了一定的含氣量，可有效進(jìn)行底板摻氣保護(hù)，如能保證施工質(zhì)量，按規(guī)范嚴(yán)格控制混凝土表面不平整度，底板發(fā)生空蝕破壞的概率較小[11]。

4 實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐

2015年該水電站雙泄中孔開(kāi)始泄洪，泄洪頻次較高，運(yùn)行7年來(lái)，流道總體運(yùn)行效果較好，各道摻氣坎摻氣正常；但突擴(kuò)突跌后邊墻發(fā)生了局部空蝕破壞，經(jīng)過(guò)一次環(huán)氧砂漿修復(fù)后目前運(yùn)行正常。水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院組織專(zhuān)家組于2020年11月21日～25日在該水電站工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展樞紐工程專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)收前的現(xiàn)場(chǎng)檢查及技術(shù)預(yù)驗(yàn)收工作，提出如下意見(jiàn)：“原型觀測(cè)試驗(yàn)表明，雙泄中孔弧門(mén)突擴(kuò)下游側(cè)墻存在較強(qiáng)的空化水流，為確保雙泄中孔安全運(yùn)行，建議開(kāi)展單體減壓水工模型試驗(yàn)，運(yùn)行中加強(qiáng)檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理”。結(jié)合上述技術(shù)分析過(guò)程，因該工程的水頭高，側(cè)摻氣空腔水舌落水點(diǎn)后可能存在部分摻氣盲區(qū)，致使側(cè)墻發(fā)生局部空蝕，而空化問(wèn)題又無(wú)法在常壓水工模型中獲得充分體現(xiàn)，因此，對(duì)高水頭、大流速的泄洪深孔，宜同時(shí)進(jìn)行減壓模型試驗(yàn)，以保證流道空化特性的全面、充分研究。

5 結(jié)論與思考

(1)對(duì)于小底坡、高水頭、水位變幅大泄水建筑的摻氣坎設(shè)計(jì)，可采用“坎下變坡+小挑坎+摻氣槽”布置方式。

(2)摻氣空腔對(duì)坎面坡度、坎高極為敏感，須嚴(yán)格控制摻氣坎區(qū)域的施工精度。

(3)對(duì)高水頭的摻氣設(shè)施，在常壓模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，宜進(jìn)行減壓模型試驗(yàn)，以充分論證流道的空化特性。

(4)建立摻氣空腔與其影響因子的理論數(shù)學(xué)分析模型，獲得摻氣空腔的最佳解，并達(dá)到直接應(yīng)用于工程的效果，是下一步摻氣坎優(yōu)化的研究方向。