掺气减蚀在白莲崖泄洪隧洞中的应用

沈 敏

(安徽省淮委水利科学研究院,安徽蚌埠 233000)

在高水头泄水建筑物中,由于过流建筑物体形不合理或表面不平整,水流经过该区域时发生脱离形成旋涡,水流速度越大,漩涡旋转越强烈,漩涡内部压强越低,当漩涡内部压强降低到一定程度时,溶解在水流中的气核将膨胀变成气泡,气泡随着水流流出漩涡区,进入高压区时溃灭,水体以极大的速度和冲击力填补气泡空间,如果气泡在建筑物边壁溃灭,就可能对建筑物造成破坏,这种现象称之为高速水流气蚀。就龙抬头式泄洪隧洞而言,即使是合理的体型,由于高速水流的脉动,在隧洞进口至反弧段末端处也难免发生气蚀破坏。

为了减少和防止高水头泄水建筑物过流面发生气蚀破坏,早期的措施主要是控制过流面的不平整度,以提高水流的气穴数;采用高强度抗蚀材料,改善材料的物理性能[1]。这两项措施都给施工工艺带来非常高的要求,从而提高建筑物的造价。研究表明,当水中的含气浓度为 1%—2%时,就可以在一定程度上减免气蚀,而当水中含气浓度大于5%—7%时,就可以完全避免气蚀。

水工设计规范规定,水流速度在 25 m/s以上时,应考虑气蚀问题,流速达 30 m/s以上时,溢洪道或明流泄洪隧洞应设置掺气槽,以减免气蚀破坏。

掺气减蚀就是在容易发生空化区上游设置掺气坎,利用通气孔与大气相通,当水流在坎后形成空腔产生负压时,迫使空气大量掺入水流中,形成掺气水流保护区,以达到减免气蚀的作用。

目前世界上已经有二十多座溢洪道或泄洪隧洞采用了掺气减蚀设施,并且运行良好。我国冯家山、乌江渡、鲁布革、盘头石等水库和正在兴建的安徽省白莲崖水库都采取通气减蚀工程措施。工程实践证明,通气减蚀具有工艺简单、造价低、减蚀效果好等优点。缺点是影响流态,对于跳坎局部增加水深,这在工程上很容易采取措施加以克服。

1 白莲崖大坝泄洪隧洞气蚀特征

白莲崖水库位于安徽省六安市霍山县境内,水库流域属于安徽省西南部大别山北麓。坝址地处淮河南岸主要支流淠河的东源西支流漫水河上,距下游已建的佛子岭水库 26 km,距霍山县城 42 km,水库流域面积 745 km2,总库容 4.60亿 m3。水库流域属亚热带湿润季风气候,降水随地形抬升而递增的现象较明显。年平均气温 15.10℃,年平均日照时数 2084 h,流域多年平均面雨量 1540 mm,最大面雨量 2613.3 mm(1954年),最小面雨量 896.5 mm(1978年)。降水主要集中在汛期 (5—9月),占年平均降雨量 45.2%。多年平均径流 10.62亿 m3,最大年径流 18.19亿 m3(1969年),最小年径流 4.24亿 m3(1978年)。多年平均蒸发量 1349 mm。

大坝为碾压混凝土双曲拱坝,最大坝高 104.6 m,泄洪隧洞位于大坝左岸,由导流洞改建为“龙抬头”式明流洞,全长 244.7 m,最大泄量约 900 m3/s。进口底坎高程 160.0 m,设平板事故门和弧形工作门各一扇,工作闸门控制断面尺寸为 5.7 m×4.0 m。进口水平段长 11.656 m,其中有压段 8 m,水平段通过抛物线与反弧连接平洞段,曲线过渡段水平长 75.68 m,平洞全长 88.4184 m,底坡 0.5%,截面为 5.9 m×8.0 m(宽 ×高)的城门洞形。末端采用挑流消能,泄洪隧洞全程落差 27 m。

白莲崖水库汛限水位 205 m,设计水位 209.24 m,校核水位 234.50 m,泄洪水头变化范围在 70 m至 100 m。在设计水位下泄洪隧洞有压水流进入明流洞时水流流速超过 30 m/s,在校核水位下最大流速达到 40 m/s。白莲崖泄洪隧道工程布置如图1所示。

图1 白莲崖泄洪隧道工程布置图

对于龙抬头式明流隧洞掺气水流和明流陡渠一样分可为清水区、掺气发展区和充分掺气区。当水流底部边界层发展到水面时,水流自由面开始波动,空气卷入水体中开始掺气,此处为掺气发生点,从明流段进口至掺气发生点为清水区;由于水流的紊动作用,空气从水流表面掺入水体后,沿程向水流深处发展直至底部,此段为掺气发展区;这时,水流中气泡做两种运动：一是水流的紊动力把掺入的气泡向下推进,二是浮力作用使气泡达到最低点后向上浮起,逸出水面。开始阶段气泡向下掺入量大于向上浮起逸出量,最后达到平衡,此段为充分掺气区[2]。

模型试验资料表明,白莲崖泄洪隧洞在设计水位条件下,掺气发生点位于反弧段附近,也就是说明流洞陡坡段全为清水区,掺气发展区末端接近平洞出口。对于校核水位工况下由于流量大水深增加,掺气发生点将向下游推移,清水区和掺气发展区范围亦相应扩大,以致整个明流洞底部和边壁都处在清水范围内,具备了高速水流气化气蚀破坏的必要条件。

气穴数是判别气穴发生的指标,当气穴数小于临界气穴数时,水流即开始气化,气穴数愈小愈容易气化。气穴数 k的计算式如下：

式中：p和V为水流特征断面绝对压强和平均流速;pv为蒸汽压强。

上式计算所得气穴数值为平均气穴¯k数。由于高速水流的脉动性,其瞬时气穴数要比平均气穴数小一个脉动量 k′,而

根据前人试验结果,对于强烈紊动水流底部气穴数的脉动量约为 0.14,因此

对于白莲崖泄洪隧洞进口段,选择 0+00为特征断面,该处设计和校核水位工况下底部压强分别为 6.75 m和 8.48 m;平均流速分别为 30.7 m/s和37.4 m/s;取大气压强 10.33 m;查 15℃水温的蒸汽压强为 0.174 m,代入上式计算该处平均气穴数分别为 0.35和 0.26;瞬时气穴数为 0.21和 0.123。试验资料显示水流边壁上凸体和凹槽气初生气穴数一般都大于 1,很明显,如果不采取防气蚀措施,白莲崖泄洪隧洞高压闸门后直至明流洞出口皆处在气蚀破坏危险之中。

2 掺气减蚀方案试验研究

根据以上分析白莲崖泄洪隧洞必须采取掺气保护措施以减免气蚀破坏。掺气减蚀措施可分为底板和进口段侧墙两部分,掺气坎形式和尺寸由试验确定,其标准是：(1)有足够大空腔,以使掺气充分保护范围尽量大;(2)进气管道断面大小要合适,以免空腔内负压过大,一般不超过 -1 m为宜;(3)尽量减少水面隆起冲刷洞顶,以避免明满流过现象发生。

经过泄洪隧洞单体掺气模型试验资料分析,底版掺气减蚀方案为设两级掺气坎,即在高压闸门出口水平段末端设一水平跌坎为一级掺气坎,在反弧段末端设一跳坎为二级掺气坎。

一级跌坎坎后下跌 1.5 m,下接 i=0.119陡坡,在与 00+041.060处圆弧段连接。为消除边壁清水区,在跌坎两侧设置侧突扩,突扩槽长 3.0 m,上缘宽 1.0 m,下缘宽 0.625 m。突扩下缘下接1∶12斜坡,坡长 2.017 m通过半径 R=60.0 m、圆心角Φ=4.76°的圆弧与下游边墙连接。

二级通气坎为挑跌坎结合,由于坎下游底坡很缓,为保证水舌下缘空腔不小于 10 m又不致造成水面线过分拱起,挑角取 6°。第二级坎后至 0+131.780为坡度 i=0.005的斜直段,后接坡度为 i=0.095的斜坡段至 0+141.919处,再续接 i=0.005长坡直至泄洪洞出口。如此布置使水舌降落在陡坡上,以消除空腔内回水。

一级通气坎从高压闸门工作竖井进气 (竖井通气面积为 3×5.9 m),该进气竖井同时向水流上表面、底空腔和突扩侧空腔供气。

利用针式掺气仪测量相关掺气浓度。对其模型试验,按照相关规范严格执行。先于试验开始时,将掺气传感器置于试验水体中进行清水调零,试验过程中间和试验完毕后,亦进行调零复核。热丝风速仪在与模型相同气温条件下调零,试验过程中进行调零复核。试验中观测汛限工况和设计工况下掺气坎射流空腔 6个特征断面沿程含气浓度的垂线分布,实测数值见表1。

表1 终结布置方案特征断面掺气浓度表

结果表明,掺气分布规律相很典型。从肉眼观察可以看出,水流掺气比较充分,底部和边壁处水体均变成乳白色。因此,可以认为本方案掺气效果较好,满足了掺气量的要求。

对于掺气测量,目前尚无成熟手段,规范也未就近壁处量测给于明确规定,且指明模型中的掺气浓度只供相对比较参考,为慎重起见,我们用同位素放射性掺气仪与针式掺气仪作了比较试验,结果是前者比后者大 2%—4%,究其原因可能针式掺气仪未能捕捉所有气泡。比较试验表明,本次试验中所有掺气浓度测量结果偏于安全。

从模型试验流态观察可以看出,该方案洞内水流平顺,由于大量空气掺入水流,水体变成乳白色,水流上部为不连续的离散体,没有明显的水面。在汛限、设计和校核水位下,一级通气坎空腔长度分别达到 15 m,20 m和 23 m;二级通气坎空腔长度分别达到 15.2 m,20.5 m和 15 m;侧空腔长度分别为5.0 m,5.5 m和 5.0 m,满足掺气设计要求。

从沿程实测含气浓度的垂线分布曲线可以看出,掺气分布规律相很典型。肉眼观察水流掺气比较充分,底部和边壁处水体均变成乳白色。因此,可以认为本方案掺气效果较好,满足了掺气量的要求。各断面含气浓度分布曲线如图2所示。

图2 沿程含气浓度分布曲线

3 主要结论

3.1 鉴于白莲崖隧洞明流段由陡坡经反弧过渡到平坡,流态复杂,流速大且自然掺气不充分,全洞处在清水区,应采取掺气减蚀措施加以保护。

3.2 根据水工模型掺气保护长度试验资料,底版设置两级掺气坎是合适的,进口边墙的压力小较底版更容易发生气蚀,因此,必须设置侧突扩掺气槽,侧空腔保护长度最小达 5 m,符合规范要求。

3.3 通过各种方案试验研究得出掺气减蚀优化布置方案,试验表明,水体底部和侧面掺气充分并和水面自然掺气融汇成乳白色掺气,将起到有效的减蚀作用;除去不利因素影响,减蚀效果可达 28.5%,最高更可达到 44.5%。

3.4 在高压闸门致一级坎不在掺气保护范围之内,此区段的空蚀问题同样存在,因引起注意,建议采用C40以上高强度材料以抗气蚀破坏。

[1] 韦盛国.水工建筑物的空化与气蚀[J].企业科技与发展,2008(16)：159-160.

[2] 贾德武.白莲崖水库泄洪洞掺气减蚀优化设计[J].江淮水利科技,2009(4)：10-12.