泄水建筑物中的掺气技术研究与实践

周祁 杨霄 张书峰 袁福民 南军虎

摘 要：摻气技术是避免高水头泄水建筑物遭受空蚀破坏的重要手段，为明晰各类掺气技术在工程中的应用情况，对泄水建筑物中传统底部掺气技术、底部掺气新技术、环形掺气坎技术和旋流掺气技术等掺气技术的工作原理、工程应用及各自的适用条件进行了综述，总结了不同工程中体形尺寸和水力条件等对空腔长度、掺气浓度、通风量等掺气技术指标的影响。针对当前高水头、大流量泄水建筑物不断增多的情况，指出多种掺气技术的耦合应用、新型掺气技术的理论分析、气泡的微观机理研究是今后掺气技术研究的重点。

关键词：泄水建筑物;掺气技术;底部掺气;环形掺气坎;旋流掺气

中图分类号：TV65 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.027

Research and Practice of Aeration Technology in Discharge Structures

ZHOU Qi1， YANG Xiao2， ZHANG Shufeng2， YUAN Fumin2， NAN Junhu2

（1.Gansu Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Lanzhou 730000， China;

2.School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：Aeration technology is an important way to avoid the cavitation damage of high-head discharge structures. In order to clarify the application of various aeration technologies in engineering， the working principle of aeration technology such as traditional bottom aeration technology， bottom aeration technology， annular aeration technology and swirl aeration technology in the discharge structures， engineering applications and their respective applicable conditions were reviewed. The effects of body size and hydraulic conditions on the aerated technical indexes such as cavity length， aeration concentration and ventilation were summarized. In view of the increasing number of high-head and large-discharge outlet structures， it was pointed out that the coupling application of various aeration technologies， the theoretical analysis of new aeration technologies and the microscopic mechanism of bubbles were the focus of future aeration technology research.

Key words： discharge structure; aeration technology; bottom aeration; annular aeration; swirl aeration

随着国民经济的快速发展，大规模水电开发已成为解决我国能源问题的一个重要途径。目前，我国已经建成了许多高水头、大流量的水利水电工程，例如：龙滩水电站坝高216.50 m，表孔溢洪道最大单宽流量249.5 m3/（s·m）;溪洛渡水电站坝高285.5 m，泄洪洞单洞最大泄流量超过4 000 m3/s，4条泄洪洞最大泄流量达16 700 m3/s。同时从经济角度考虑，越来越多的工程将导流洞改建成了永久性泄水建筑物，如：沙牌水电站竖井旋流泄洪洞工作水头88.0 m，泄流量242 m3/s;清远抽水蓄能电站竖井泄洪洞设计最大泄量534.2 m3/s;黄河公伯峡水电站泄洪洞在校核水位2 008 m泄洪时，泄流量为1 132 m3/s。高水头、大流量泄水建筑物不断增多，与之相关的空蚀、雾化、下游河床及岸坡冲刷等问题愈发突出。如：二滩水电站泄洪洞反弧末端下游发生过严重的空蚀破坏，白山水电站泄洪雾化产生暴雨造成厂房被淹，长湖水电站下游河床及两岸岸坡曾遭受严重的冲刷。为保证工程的安全，必须采取必要的措施来解决相应的高速水流问题。

水利水电工程中泄水建筑物的过流表面在高速水流的作用下引起的空蚀破坏是高坝建设过程中必须重视的问题。掺气技术是避免高水头泄水建筑物遭受空蚀破坏的重要手段，通过在高水头泄水建筑物上设置掺气设施，强迫水流掺气，能有效减免局部低压区可能发生的空蚀破坏，经济效益、生态效益和安全意义均十分明显。掺气减蚀的机理就是在高速水流中掺入空气，水流掺气后，固壁附近的空气泡会溃灭，产生强烈的相互作用，减小冲击波压强，减弱传递到固壁的高强冲击，减免空蚀破坏[1-2]。研究表明[3]，当泄水建筑物近壁面水流掺气浓度为1.5%～2.5%时混凝土试件的空蚀破坏显著减少，掺气浓度为7%～8%时混凝土试件的空蚀破坏基本消失。半个多世纪的研究和工程实践使掺气减蚀技术有了很大的发展，从底部掺气发展到三维掺气，从平面（包括斜面）过水表面掺气发展到竖井纵向全断面掺气，很好地解决了工程问题。本文对不同的掺气技术及其适用条件、工作原理、工程应用进行了总结概述，并且对不同水力条件下掺气设施的应用进行了总结与展望。

1 传统底部掺气技术

在泄槽或溢洪道底部设置掺气挑坎、跌坎、掺气槽以及它们的组合形式是工程中常见的传统底部掺气技术，其基本原理是将水流与底部固体边界分离，形成掺气空腔，强迫水流掺气，从而达到减免空蚀破坏的目的。这类掺气设施的相关研究开展较早，成果已广泛应用于工程实际。

掺气坎（槽）设置合理的标志是各种水头下坎后均能形成稳定的空腔、无空腔回水等不利流态，因此坎高的选择至关重要。传统底部掺气技术中坎高的下限可按如下公式计算[4]：

（ΔR1）er≥23.5X-3（1）

式中：Δ为挑坎高度;R1为掺气坎上水流水力半径;X为组合参数;下标er表示坎高的下限。

X=（u/gR1）（1/cos α）cos θ（2）

式中：u为坎上水流速度;α为槽底坡角;θ为挑坎挑角;g为重力加速度。

空腔长度是验证掺气坎（槽）高度有效性最直接的参数，主要受来流条件、上下游边界条件及掺气设施体形参数的影响。工程设计中空腔长度可按如下经验公式估算[5]：

L=υ0cos θ+12gT2sin α（3）

T=υ0sin θg（cos α+pN）[1+1+2gΔ（cos α+pN）（υ0sin θ）2]（4）

式中：L为空腔长度;T为射流到达底板的时间;pN为空腔负压指数;υ0为挑坎末端端面射流初始流速。

文献[6]表明，空腔长度随泄槽底坡、挑坎高度及挑坎坡比的增大而增大，其中挑坎高度的影响最为显著，因此在特定流量下可通过增大挑坎高度或挑坎坡度来增大空腔长度。此外，当弗劳德数Fr增大时，空腔长度呈先增大、后减小、再增大的变化趋势;当水流的雷诺数Re和韦伯数We增大时，空腔长度增大，在相同的雷诺数Re和韦伯数We情况下，空腔长度随挑坎坡比增大而增大。

通气孔的通风量会影响泄洪洞底部掺气浓度，通风量的影响因素大致分为两类[7]：一是水体自身容纳气体的能力，主要受水深的影响;二是水流从空腔内吸纳空气的能力，主要由射流流速与底空腔长度决定。通风量可按如下半理论半经验公式[8]计算：

Qa=KQwcos α{Δhsin α+Frcos（α-θ）cos α[Frsin θ+

Fr2sin2θ+2Δhcos α]}（5）

式中：Qa为通风量;K为待定系数;Qw为来流流量;Fr为坎上水流弗劳德数;h为坎上水深。

根据乌江渡、冯家山和福兹杜阿里水电站原型观测资料，得到K值的经验公式为

K=0.018-0.000 065qw（6）

式（6）适用于单宽流量qw=7.5～163.0 m3/（s·m）的情况。

空腔积水是制约底部掺气效率的一个不利现象，影响掺气效果，严重时甚至掺不进气。其影响因素包括[9]掺气坎体形、坎上水流流速、单宽流量、坎前水深、坎后条件等。加大泄槽底坡对减轻空腔积水有利，但当泄槽底坡变幅达到某一值后，空腔长度反而会减小，容易产生积水，其原因是空腔负压达到了临界值，负压对水流施加一个向空腔方向的作用力，水流流向空腔产生积水[10]。

根据《溢洪道设计规范》（SL 253—2018）[11]，为避免发生空蚀破坏，掺气设施保护范围内近壁处的掺气浓度最低范围为3%～4%。

随着流量的增大，设置反弧段的溢洪道沿程各过流断面掺气浓度总体呈减小趋势，坎高越高，水舌落点后水流掺气浓度越大。掺气坎后水流掺气浓度沿程分布规律为先增大、后减小;在断面上的分布规律由水流表面到底部逐渐减小。水流在通过不同半径的反弧段时，反弧半径越小，受到的离心力越大，气泡越易消散;另外在离心力作用下，水流底部流速增大，沿程压力梯度降低，使得掺气浓度降低，容易引起空蚀[12-14]。从微观角度来看，气泡直径是影响空腔长度的因素，随着气泡直径的增大，掺气浓度降低[15]。文献[16]给出了减免空蚀最低掺气浓度与高速水流流速的关系式：

Cmin=0.026υ1.41 （7）

式中：Cmin为减免空蚀最低掺气浓度;υ为高速水流流速。

典型工程中底部掺气技术的掺气浓度见表1。

2 适用于底部掺气的新技术

隨着水利水电技术的进步和经济的发展，具有高水头、大流量、低弗劳德数等特点的高坝越来越多，传统的底部掺气技术存在一定的局限，如溢流反弧后仅有底部掺气，易出现边墙清水三角区，小底坡上的连续坎有时难以避免空腔回水。部分学者根据具体工程问题，改进和研究了适用于底部掺气的新技术，进一步提高了掺气效率。

凹形掺气坎是一种适用于缓坡条件的新技术，如图1（a）所示。在相同“当量坎高”（当量坎高是指沿掺气坎末端宽度方向上的平均坎高）的前提下，凹形掺气坎在空腔特性、掺气浓度、通风量等指标上优于平面凹形、平面凸形、平面梯形等掺气坎体形，并且对提高边壁角隅区域水流的掺气能力、减缓边墙的空蚀破坏具有一定的优势[17-18]。V形掺气坎是一种适用于“龙抬头”式泄洪洞泄洪的新技术，如图1（b）所示。试验表明，V形掺气坎能够使空腔射流落水点沿横向的分布前后错开，解决了坎后空腔回水的问题，并且三维扩散充分，水舌与空腔接触面积较大，有利于改善掺气条件[19-20]。U形掺气坎是一种适用于高流速、大单宽流量、小底坡明流泄洪洞条件的新技术，如图1（c）所示。U形掺气坎射流的冲击作用将空腔内回旋水流推向主流，能够有效抑制水流回溯，有利于消除空腔积水，增大水气交界面积，提高掺气效率[21]。各类底部掺气新技术的参数见表2。

3 环形掺气坎技术

掺气技术在半个多世纪的研究和工程实践中，逐渐从底部掺气发展到三维掺气，从平面过水表面掺气发展到竖井纵向全断面掺气，例如在导流洞改建成永久性泄水建筑物时，为解决竖井壁面空蚀破坏问题，往往会在竖井内设置掺气设施，达到竖向全断面掺气的目的。环形掺气坎（见图2）是适合于泄洪洞竖井的全断面掺气技术，其通常设置在WES溢流堰或者环形溢流堰下部。水流竖向运动时可在环形掺气坎孔口形成淹没射流，射流挟带空气使其周围的环状空腔内产生负压，在通气孔进出口压差作用下空气通过通气孔进入空腔，并由射流冲击竖井水体产生的大尺度旋涡挟带至水流中，达到竖井垂向全断面掺气的目的。黄河公伯峡水电站和新疆吉音水利枢纽的泄洪洞均为水平旋流泄洪洞，为保证旋流洞内的水流具有足够的掺气浓度，特在竖井段设置了环形掺气坎。大石门水电站和金平水电站的消能形式为消力井消能，其竖井段的环形溢流堰下部竖井段也设置了环形掺气坎。此外，为减免高水头作用下竖井旋流消能工竖井壁面的空蚀破坏，提高壁面掺气浓度，在竖井旋流进口段设置的环形掺气坎也是竖向全断面掺气的形式。

在溢流堰下端增设环形掺气坎有利于水舌掺气并促进竖井消能，有利于减小溢流堰面的负压、防止空蚀破坏[22]。通过公伯峡水平旋流泄洪洞原型、模型试验以及数值模拟，对环形掺气坎的通风和掺气特性进行研究，结果表明：设置环形掺气坎后竖井内水流的掺气效果明显;通气孔的通风量越大，水流掺气越多;掺气浓度沿高程呈乘幂规律衰减，竖井圆变方段及下游区域受冲击射流的影响较小，净输气量基本稳定，过流表面的掺气浓度保持在0.5%左右。竖井内设置环形掺气坎后能够形成分级消能的效果，与不设掺气坎相比，消能率大大提高，很大程度上减少了旋流洞空化空蚀和泄洪洞总体消能的压力;空腔长度越长，射流速度越快，其冲击力越强，竖井内旋涡尺度越大和紊动程度越高，则消能率越高[23-24]。

竖井式溢洪道多应用于河床狭窄、泄洪系统布置困难的高坝中，大石门水电站和金平水电站均采用了竖井溢洪道，这种消能设施主要是靠掺气水流从竖井跌入消能井中上下翻滚、相互冲撞进行消能，为防止气蚀现象的发生，需在溢流堰下端增设环形掺气坎。其中为解决大石门水电站峡谷河道工程布置困难的问题，采用了脱壁流竖井结构形式溢洪道泄洪，竖井式溢洪道由环形溢流堰进水口、竖井段、消力井段组成，在工程布置中加大了竖井直径，并以突扩方式将其与喇叭口下端连接起来，在突扩部位对称布置4个内径为0.45 m的通气管。设置通气管一方面使竖井内脱壁水流强迫掺气，减轻了空蚀破坏;另一方面满足了竖井底部消力井水跃消能的掺混需要。在设计与校核洪水位工况下，环形溢流堰进流流态良好，呈现为自由堰流流态;通气管最大风速为83.80 m/s，属于合理范围;水流均以脱壁流形式跌入消力井内，在消力井内形成强掺混、强紊动的水流流态，消能率分别为89.9%与78.7%[25-27]。在對金平水电站竖井溢洪道1∶45水工模型试验中观测到，设置环形掺气坎并在其周围增设4个孔径为0.45 m的通气孔后坎下水流紊动剧烈，在一定范围内形成了空腔，掺气效果良好，随着水位的升高，空腔范围减小;通气孔进气量随着下泄流量的增大呈增大趋势，最大进气量可达85.35 m3/s;竖井下落的水流与消力井中水体产生剧烈的碰撞，消除了大部分的能量，大大减轻了水流对下游河道的冲刷[28]。

典型工程中竖井段环形掺气坎的水力特性见表3。

4 旋流掺气技术

旋流消能工是生态环境友好的消能技术，不少学者对旋流内消能泄洪洞体形和流态、压力、流速、消能率等水力特性进行了研究，取得了丰硕的成果[29-32]。其通过在竖井进口或者水平段入口设置起旋装置，让水流轴向运动的同时叠加切向的旋转运动，从而在竖井或水平洞内形成中心为空腔、周围为旋转水流的空腔旋流，以达到增大壁面压强、延长水流流程、增大水流消能率的目的，其结构简单，能较好地适应复杂的地质条件。根据布置形式的不同，可将旋流消能工内的空腔旋流分为竖井旋流和水平旋流两种，水流运动时旋流内表面水流挟带空气致使空腔内形成负压，空气在压力差作用下随水流运动而掺气。

小湾水电站、猴子岩水电站、两河口水电站、清远抽水蓄能电站导流洞改建为永久泄水建筑物时，采用或论证了竖井旋流内消能工技术。但在高水头、大流量的运行情况下，竖井壁面会出现掺气不足而发生空蚀破坏的情况，因此如何使竖井内水流正常贯通、增大壁面掺气浓度成了需要解决的技术难点。通过在旋流竖井中增设环形掺气坎能够较好地解决空蚀破坏问题，增设环形掺气坎后，水流掺气效果好，下游竖井壁面不再有清水区，并且对下游井壁时均压强影响较小，加之井壁有充分的掺气保护，不会出现安全威胁[33]。双涡室掺气型旋流竖井是适用于高水头大流量条件的旋流竖井新型改建技术，试验研究结果表明，竖井壁面掺气浓度沿程略有降低，掺气浓度最高达11%、最低为4.8%，基本上可以减免竖井壁面空蚀破坏，并且旋流竖井底板压强较无掺气设施的有所降低，保证了结构的安全性，同时水流进入上涡室形成螺旋流，经过收缩段后水流的离心力突然释放，进一步增加了水流旋转圈数，使得水气混掺更加充分，消能效果显著[34]。壁面全程掺气旋流竖井能够较好地解决在流量比较大时，随着水流的旋转下落水流中空气溢出的问题，水流从收缩段进入竖井段，在竖井内螺旋向下流动，产生涡腔，涡腔内充满大量空气，水流在流动的过程中可以从涡腔内掺入空气，使得整个竖井壁面的掺气浓度都很高，同一高程竖井壁面掺气浓度分布较均匀，最高可达15%，最低也有1.2%。当流量较小时，随着流量的增大，掺气空腔长度有所增大;当流量较大时，随着流量的增大，掺气空腔长度变化不大，能够满足水利工程过流壁面掺气浓度的设计要求[35]。

竖井旋流掺气技术各类参数见表4。

黄河公伯峡水电站和新疆吉音水利枢纽的泄洪洞均为水平旋流的消能方式，由于在水平段水流高速旋转，为防止壁面发生空蚀破坏，因此在起旋室处设置通气孔进行掺气。公伯峡水平旋流洞1∶40及1∶60反演模型试验表明，1∶40模型起旋室通气孔通风量随上游水位的提高呈现出增大的趋势;在相同水力条件下，1∶60模型通风量随上游水位的提高呈现出减小的趋势。旋流空腔靠近泄洪洞壁面时，可观测到近壁面水流掺气，某一断面处的旋流流层越薄，该位置处掺气浓度越大。总体来看，掺气效果良好，能够起到掺气减蚀的作用，同时旋转水流能够加强局部水流紊动和相邻流层间的剪切力，延长水流流程，增大了沿程能量损失，经计算消能率高达84%[36]。在吉音水利枢纽模型试验研究中，观测到旋流洞水流绕洞轴线作旋转流动，并且通过通气孔往起旋室吸气，旋转流内空腔稳定，紧邻起旋室约27.0 m的旋流洞段水流内有明显掺气现象，该洞段水流呈乳白色。随着流量的增大，通气孔往起旋室吸气的通风量不断增大，最高可达91.3 m3/s[37]。

水平旋流掺气技术各类参数见表5。

5 结 语

对各种不同形式的掺气技术及其适用条件、工作原理、工程应用情况进行了总结概述，在当前高水头、大流量泄水建筑物不断增多的情况下，掺气设施对于消除高速水流带来的空蚀破坏问题显得愈发重要。目前，关于底部掺气技术的研究成果较为丰富并且技术已经趋于成熟。随着高坝建设的增多，寻求多种掺气技术的耦合应用是将来发展的趋势。但从目前国内外的研究情况看，以下问题仍需进一步深入探讨：

（1）对新型掺气技术的研究尚处于试验阶段，其各种物理指标还没有系统完整的结论与规律，可以作为一个新的研究方向。

（2）对泄水建筑物中掺气技术的研究主要立足于水气两相流宏观水力特性方面，而对掺气气泡微观机理如掺气泡与空化泡的作用机理等的研究尚需深入开展。

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【责任编辑 张华岩】