通气系统对竖井式溢洪道水力特性影响研究

王 丽 娟,张 晓 朋,贺 一 轩,韩 延 成,孙 双 科

(1.济南大学 水利与环境学院,山东 济南 250022; 2.中国水利水电科学研究院,北京 100038; 3.保定易县抽水蓄能有限公司,河北 保定 074200)

0 引 言

竖井式内消能工主要是靠泄洪建筑物内部的特殊型式,急剧改变水流形态,在水流内部形成强烈的紊动掺混或涡漩,从而集中消耗大量机械能,减少压力,降低水流速度,达到保护洞身和下游的目的[1]。高水头、大流量泄水建筑物过水时,总是伴随着高速水流的空蚀破坏问题,受到国内外学者的广泛关注[2]。国外对竖井内消能工的研究较早,20世纪40年代意大利学者提出了竖井内消能工的理念,50年代,在美国和西欧国家盛行,但大多数水头低、泄量小,水头高时,会出现高速水流,从而引起空蚀和振动破坏[3-6]。国内对竖井内消能工的研究起步于20世纪80年代,随着西部地区修建了诸多竖井溢洪道工程,学者们对竖井工程的水力特性进行了研究[7],并对消力井的深度和直径等进行了体型优化试验[8]。在以往的研究中,大多针对的是旋流式竖井[9-12],如曹双利[12]基于旋流竖井体型,将通气孔布置在水平泄水洞的起始位置,并对此处通气孔通风量的变化规律及各水力特性变化进行了研究,发现通气孔通风量对空腔直径和空腔内气体压强都有一定的影响。而学者们对跌流式竖井的研究则较少。跌流式竖井溢洪道井身段的垂向落差大,水流急剧加速后形成高速水流,竖井边壁存在空蚀破坏的潜在风险,环形溢流堰与竖井衔接段采用突扩布置形成脱壁流动结构是消除上述风险的有效措施,但突扩处通气系统的设置存在差异。例如在车马碧水库等竖井工程[13-15]中,竖井进口处为环形溢流堰,为保证环形溢流堰过水净宽,并未在溢流堰处布置通气设施。而在大石门竖井工程[16]中,考虑到大流量时水流会逐渐淹没溢流堰,中心空腔消失,缺少通气设施可能会影响竖井消能效果,在环形溢流堰与竖井衔接处突扩位置设置了通气管。

在突扩处布置通气系统对竖井段的水力特性和消能效果等水力学指标的影响,则需要进一步研究。本文依托易县抽水蓄能电站跌流式竖井溢洪道建立物理模型,在环形溢流堰与竖井衔接处突扩位置设置了通气管,通过控制通气管的开合,重点研究了环形溢流堰处通气系统的设置对该竖井溢洪道水力特性的影响,以期为跌流式竖井溢洪道的设计和优化提供参考。

1 试验设计与量测

图1 易县抽水蓄能电站竖井式溢洪道 (尺寸单位:m)

设H为具体工程中堰上水头,但为了使研究具有普遍意义能适用于多个工程,在此进行无量钢处理,以H/Hd表示堰上水头的变化,其中Hd为定型设计水头,取0.918 m。为了得到较为普适性的规律,本文研究了H/Hd在0.1～8.2范围内的水力特性,H/Hd在0.1～2.5范围内变幅约为0.15,在2.5～8.2范围内变幅约为0.7,共设计了24组试验工况。主要的测量内容包括水位、流量、流速、以及通气风速等。其中,水位通过安装在上游的库水位测针读取,精度为0.001 m;流量采用定制的三角堰测定,精度为0.001 m3/s;流速测量采用日本JFE电磁流速仪,精度为0.01 m/s;风速测量采用德国Testo德图425热敏风速仪,精度为0.01 m/s。

2 试验结果

针对跌流式竖井溢洪道通气与不通气条件下的水力特性分别展开试验研究,并按照水位由低到高进行,试验结果如下。

2.1 水流流态

试验范围内环形溢流堰共出现3种流态。① 在不通气条件下,H/Hd<1.88时,水流自环形溢流堰自由进入竖井,集中呈束状沿竖井中心下泄,此时称为自由堰流,如图2(a)～(b)所示。② 随着堰上水头的继续升高,H/Hd=1.88时,环形溢流堰下泄水流相互碰撞,转变为受阻堰流,如图2(c)所示,此时竖井上部仍维持稳定的脱壁流,但竖井下部水流随堰上水头的升高逐渐破碎分散,无集中落点,在消力井内形成强掺混、强紊动、强掺气的水流流态。③ 堰上水头升高至H/Hd=2.17时水流完全淹没竖井口,水流在淹没水头的压力作用下进入竖井,称为压力孔口出流,此时中心空腔被水流充满,通气管堵塞,通气完全缺失,竖井内完全被水流充满呈现管流现象,如图2(d)所示。

图2 溢流堰和竖井内水流流态(不通气)

而在通气条件下,堰上水头较低(H/Hd<0.88)时,环形溢流堰处均为自由堰流,竖井上部为脱壁环状水流,如图3(a)所示。H/Hd=0.88,1.67时,环形溢流堰下泄水流相互碰撞,转变为受阻堰流,如图3(b)～(c)所示。堰上水头升高至H/Hd=1.88时,完全发展为压力孔口出流,此时由于环形溢流堰与竖井衔接段的突扩设置,在通气管通气作用下竖井上部仍然能够保持脱壁流,如图3(d)所示。上述3种流态示意图如图4所示。

图3 溢流堰和竖井内水流流态(通气)

图4 跌流式竖井脱壁流不同流态示意

通过图2～3进一步对比分析,发现通气条件下有充足的通气量能够使竖井上部始终维持稳定的脱壁流,不会产生满管流的不利流态,且3种流态转捩的拐点均超前于不通气条件,这是由于不通气时水流与竖井井壁之间存在负压,导致水流更加贴向井壁,更难形成受阻堰流以及压力孔口出流,故而流态转捩点相对滞后。

2.2 泄流能力

自由堰流时根据堰流的水力计算公式(1)计算流量系数,而完全发展为压力孔口出流后则根据孔口出流计算公式(2)计算流量系数,受阻堰流则介于自由堰流与压力孔口出流之间,流态紊乱,流量系数目前还难以计算。

(1)

式中:μ为堰的综合流量系数;B为堰顶过水净宽;H为堰上总水头。

(2)

式中:A为竖井孔口面积;H0为孔口总水头。

根据试验数据绘制H/Hd～流量关系曲线和H/Hd～流量系数关系曲线(见图5)。可以发现:在不通气条件下,堰上水头H/Hd<2.17时泄流流量随H/Hd的升高而增大,H/Hd>2.17后趋于稳定;流量系数先增大后稳定于0.9左右。而在通气条件下,H/Hd<1.88时泄流流量随H/Hd的升高而增大,H/Hd>1.88后趋于稳定,并略低于不通气条件下泄流流量;流量系数先增大后稳定于1.1左右。分析发现H/Hd较小时,两种条件下流量曲线的上升段环形溢流堰均处于自由堰流和受阻堰流状态,随着堰上水头的升高,竖井进口流量逐渐增大,下游退水隧洞泄流流量随之增大,此时除通气管外中心空腔也能够发挥通气作用,所以两种条件下流量曲线和流量系数曲线相重合。而当H/Hd>2.17后,两种条件下环形溢流堰水流流态均完全发展为压力孔口出流,随着堰上水头的继续升高,竖井进口流量不再增大,下游退水隧洞泄流流量趋于稳定,此时不通气条件下竖井内部存在负压,受负压影响其流量系数超过1,而通气条件下通气管连通了大气压,消除了竖井内部的负压影响,水流下泄力度变弱,导致竖井泄流流量和流量系数均略低于不通气条件下。H/Hd处于1.88～2.17范围时,不通气条件下环形溢流堰仍然处于受阻堰流状态,而通气条件下已发展为压力孔口出流,因此不通气条件下泄流流量继续上升而通气条件下已趋于稳定。

2.3 通气量

对试验中通气管风速、下游城门洞出口处风速进行测量,分别获得通气管进气量和总进气量(流量增大到一定程度时,下游退水隧洞呈现明满流交替现象,总进气量无法测量)。小流量时竖井中心空腔也可以起到通气的作用,总进气量和通气管进气量两者之差即为溢流堰中心空腔进气量。

在不通气条件下(即通气管堵塞时),堰上水头较低时,环形溢流堰中心空腔可以提供通气量,此时中心空腔的进气量即为总进气量,随着H/Hd的上升,中心空腔进气量随之增大。中心空腔的进气量是由水流的携带作用导致的,随着流量的增大,这种携带能力变强,进气量增大,如图6(a)所示。H/Hd>1.88后流态开始转变为受阻堰流,此时下游退水隧洞呈现明满流交替现象,总通气量即中心空腔通气量无法测量,通过流态观察到直至H/Hd=2.17时完全发展为压力孔口出流,中心空腔被水流充满,不再通气。随着H/Hd的增大,总进气量的增大幅度小于泄流流量的增大幅度,因此气水比β(通气量与泄流流量之比)呈下降趋势,如图6(b)所示。

而在通气条件下,中心空腔通气量先增大后减小(图6(a)),H/Hd<0.88时,通气管与中心空腔通气量各占总通气量的50%左右,H/Hd>0.88后,随着H/Hd的继续增大,通气管通气量占比上升,中心空腔通气量占比下降(图6(c))。这是因为H/Hd<0.88时,水流为自由堰流,中心空腔的通气量是由水流的携带作用导致的,随着流量的增大,这种携带能力变强,通气量增大。H/Hd>0.88后,水流流态开始从自由堰流发展为受阻堰流,中心空腔的通气面积逐渐缩小,通气量减小,占比下降,直至H/Hd上升至1.88时完全发展为压力孔口出流,中心空腔被水流充满,此时仅通过通气管提供通气量。

通气条件下,通气管通气量随着H/Hd的增大呈现出先增大后减小的趋势(图6(d))。H/Hd<0.88自由堰流时,通气管的通气是由水流所形成的携带作用导致的,随着流量的增大,水流携带能力变强,通气量增大。H/Hd>0.88后,水流在竖井中开始出现交叉碰撞,变为受阻堰流,中心空腔通气量减小,直至H/Hd>1.88后,中心空腔完全被水流充满,通气主要是由通气管进出口压强差导致,但随着流量的增大,竖井内气体空间相对减少,通气量减小。气水比β随H/Hd的增大呈下降趋势(图6(b)),略高于不通气条件下β值,能够更好地满足竖井内环状脱壁水流自身挟气的需要和竖井底部消力井环状水跃消能的掺混需要。

2.4 消能率

根据消能率公式(3)计算竖井消能率[20]:

(3)

式中:η为消能率;计算断面1、断面2如图1(a)所示,z1,z2为计算断面的平均高程;h1,h2为计算断面的水深;v1,v2为计算断面的平均流速;α1,α2为动能修正系数,取1.0。

本次试验中以下游无压退水隧洞计算断面底板高程为基准面,z2=0。实际在泄水时,上游水库的流速微乎其微,在计算中v1≈0。消能率计算结果见图7。

可以看出:在不通气条件下,水流经竖井消能后消能率在69%～95%范围内。H/Hd<2.17时,竖井消能率随H/Hd的增大而降低,H/Hd>2.17后趋于稳定。这是因为H/Hd<2.17时泄流流量随H/Hd的增大而增大,退水隧洞内流速随之变大,消能率降低;H/Hd>2.17后,竖井溢洪道泄流流量逐渐稳定,退水隧洞内流速基本保持不变,消能率稳定于70%左右。

而在通气条件下,水流经竖井消力井后消能率可达75%～95%,高于相同H/Hd时不通气条件下。H/Hd<1.88时,竖井消能率随H/Hd的增大而降低,H/Hd>1.88后趋于稳定。这是因为H/Hd<1.88时泄流流量随H/Hd的增大而增大,退水隧洞内流速随之变大,消能率降低;H/Hd>1.88后,竖井溢洪道泄流流量逐渐稳定,退水隧洞内流速基本保持不变,消能率稳定于75%左右。相较于不通气条件下消能率提高了约5%。

3 结 论

(1) 试验中环形溢流堰流态主要分为自由堰流、受阻堰流和压力孔口出流3种,不通气条件下以H/Hd=1.88和H/Hd=2.17为流态转捩点;通气条件下以H/Hd=0.88和H/Hd=1.88为流态转捩点,相较于不通气条件下流态转捩点提前,且不会出现满管流等不利流态。

(2) 在试验过程中,随着堰上水头的升高,两种条件下泄流流量均呈现出先增大后稳定的趋势,H/Hd<1.88时两种条件泄流曲线重合,而H/Hd>1.88后,通气条件下泄流能力略低于不通气条件。

(3)H/Hd<0.88,流态开始转变为受阻堰流之前,通气管的存在对跌流式竖井各水力特性的影响不大;但H/Hd>0.88后,通气管的存在逐渐对提升竖井的消能率起到促进作用,并在一定程度上避免了竖井管流现象的出现。

(4) 根据研究结果,若工程在低水头范围内(H/Hd<0.88)可不设通气系统,设置通气系统反而会影响其泄流能力;若工程范围超出低水头范围(H/Hd>0.88),为保证其消能效果以及泄水建筑物安全,建议在溢流堰与竖井衔接处设置通气系统。