蔡勇平，蔡曉鴻

（1.江西省吉安市水利水電規(guī)劃設計院，江西 吉安，343000；2.江西省吉安市水利局，江西 吉安，343000）

0 引言

江西省吉安市吉州區(qū)中型水利工程官溪水庫大壩控制集水面積18.5 km2，正常蓄水位79.53 m，總庫容1 510萬m3，興利庫容1 170萬m3，設計灌溉面積0.16萬ha。水庫輸水建筑物為進水口設閘控流的無壓流鋼筋混凝土壩下涵管，閘門過流孔口尺寸為1.2 m×0.8 m（寬×高），壩下涵管內(nèi)徑1.8 m，底坡i=1/300，孔口斷面底板高程70.8 m，壩下涵管以正常蓄水位為設計工況，工作閘門后涵管長46 m，管后接灌溉渠道。

2017年6月12日，有關人員進入涵管檢查發(fā)現(xiàn)，距閘門孔口11～43 m長32 m中間管段頂部與側壁混凝土有嚴重剝蝕破壞現(xiàn)象，蝕損深度10～30 mm，剝落混凝土手捻呈粉末狀，粗骨料大面積裸露。設閘控流的無壓流涵管出現(xiàn)如此嚴重蝕損破壞現(xiàn)象，引起了主管部門、設計單位與水管單位的高度重視，立即組織工程技術人員分析了原因，及時提出加固處理設計方案。據(jù)美國統(tǒng)計，在上游壩面或上游壩面附近設置閥門（閘門）控流的輸水建筑物，幾乎都遭到了嚴重的氣蝕破壞［1］。鑒于問題的普遍性，特以官溪水庫壩下涵管空蝕（也習稱氣蝕）破壞為例，計算分析產(chǎn)生的原因，并提出相應防空蝕破壞措施，為水工設計人員提供借鑒。

1 空化與空蝕

進水口設閘控流壩下涵管流態(tài)主要與涵管過流量及庫水位、涵管斷面型式及尺寸、涵管底板高程及底坡、涵管長度及通氣孔設置等因素有關。當涵管內(nèi)水流未與閘門底、管頂接觸時，管內(nèi)水流為無壓流；當水流接觸閘門底，管內(nèi)水面仍處于管頂以下，管內(nèi)水流為孔流；當管內(nèi)已有局部斷面充滿水流，管內(nèi)水流為半有壓流；當全涵管被水流充滿時，管內(nèi)水流為有壓流。

鑒于影響涵管流態(tài)的因素非常多且甚為復雜，目前，對涵管流態(tài)的轉化界限尚無成熟的計算方法，但有一點在水工界是明確的，那就是封閉管道內(nèi)應避免水躍現(xiàn)象的發(fā)生，應避免明滿交替半有壓不穩(wěn)定流態(tài)的出現(xiàn)。因為封閉管道內(nèi)的水躍或明滿交替半有壓流流態(tài)內(nèi)空氣與氣核的存在，均有可能在管道內(nèi)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，并形成空蝕破壞等嚴重問題。

以往，人們關注的是如何防止空蝕破壞，但是對空蝕的成因機理不太重視，致使水工建筑物往往因設計、施工或運行不當?shù)仍?，不斷發(fā)生空蝕破壞問題。

所謂“空化”現(xiàn)象，就是指溫度一定時，若水體所受的壓力降低到該溫度下水的蒸汽壓力值時，水體內(nèi)就會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，產(chǎn)生空泡。有必要指出，水的空化與水的沸騰形似而質(zhì)異?？栈a(chǎn)生的空泡隨高速水流帶向下游壓力較高區(qū)域后，泡中的蒸汽重新凝固，空泡便瞬間突然破裂潰滅，形成高強度沖擊壓強與微射流壓強，其強度可達數(shù)百兆帕級［2］。顯然，這種高強度沖擊荷載與微射流荷載若直接且連續(xù)地作用于壩下涵管管壁上，將導致涵管壁面出現(xiàn)蝕損破壞，這種現(xiàn)象被工程界稱為“空蝕”，輕則出現(xiàn)斑點麻面，強度喪失；重則形成蜂窩孔洞，片狀剝落；更嚴重者，可產(chǎn)生深大蝕坑，混凝土甚至巖塊被掀起沖移。顯見，空蝕的破壞程度既取決于水流的空化強度，又與結構材料的抗蝕能力密切相關。

2 壩下涵管空蝕破壞原因分析

前面對中型工程官溪水庫壩下涵管產(chǎn)生空蝕破壞的原因、機理進行了定性探討，下面從理論上進行定量計算分析，以查明壩下涵管發(fā)生嚴重空蝕破壞的主要原因。

2.1 壩下涵管收縮斷面水深計算

據(jù)壩下涵管運行資料，水庫正常蓄水位工況下的閘門開度為0.27 m，相應涵管過流量為2.44 m3/s。經(jīng)計算，出口管段均勻流正常水深為0.88 m，過流面積為1.24 m3，流速為1.97 m/s。此時，閘門孔口處流速為7.53 m/s。據(jù)水力學，由閘門孔口處急流過渡到管內(nèi)緩流，必將出現(xiàn)水躍這一局部水力現(xiàn)象，實現(xiàn)水流間的銜接。

利用式（1），可求算出閘孔后壩下涵管的收縮斷面水深，即第一共軛水深[3]：

式中：T0為相對于壩下涵管底板的進水口總水頭，在正常蓄水位運行工況下，T0=79.53-70.8=8.73 m；

hc為收縮斷面水深；

Q為壩下涵管設計灌溉引用流量，Q=2.44 m3/s；

φ為流速系數(shù)，取φ=0.95；

ωc為收縮斷面過流面積。

采用試算法求得壩下涵管的收縮斷面水深：hc=0.24 m，相應圓心角θc=85°40′，收縮斷面過流面積ωc=0.20 m2，流速Vc=12.20 m/s。

2.2 壩下涵管第二共軛水深計算

圓形涵管內(nèi)發(fā)生有壓水躍現(xiàn)象時，其第一共軛水深斷面、第二共軛水深斷面的壓力動量和守恒方程式為[3]：

式中：A1=ωc，A2=別為第一、第二共軛水深斷面的過流面積重心在水面以下的深度；h2為第二共軛水深，可取躍后斷面的壓坡線至管底的壓力水頭值。

Z1的計算式為[4]：

將 d=1.8 m，θ=85°40′代入式（3），求算得Z1=0.14 m。

于是，將A1=ωc=0.20 m2、Z1=0.14 m、A2=π×1.82=2.5447 m2、Z2=h2-=h2-0.9代入式（2），求算得壩下涵管第二共軛水深h2=6.84 m。

以上計算表明，壩下涵管第二共軛水深h2=6.84 m，遠大于壩下涵管過流斷面內(nèi)徑1.8 m，即壩下涵管在正常蓄水位79.53 m、閘門開度0.27 m運行工況條件下，閘門孔口射流所形成的涵管內(nèi)有壓水躍將充滿涵管過流斷面，從而在涵管內(nèi)出現(xiàn)明滿交替半有壓流不穩(wěn)定流態(tài)，閘孔與躍后斷面間的氣體不斷被水流帶走，產(chǎn)生負壓及不穩(wěn)定氣囊，以致出現(xiàn)空化空蝕破壞現(xiàn)象。也就是說，壩下涵管內(nèi)所出現(xiàn)的不良運行流態(tài)，是導致中間管段頂部及側壁混凝土疲勞蝕損破壞、失去其應有強度的主要原因。

2.3 壩下涵管有壓水躍計算

壩下涵管管內(nèi)有壓水躍躍首斷面的平均水深：

式中：B為過流斷面的水面寬度。

其弗汝德數(shù)：

即在此運行工況條件下，壩下涵管將產(chǎn)生強烈有壓水躍。

采用《水力計算手冊（第二版）》（武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室）所推薦9.0＜Frc＜16時的水躍長度計算式，進行壩下涵管有壓水躍長度計算：

式中，i為壩下涵管底坡。將hc=0.24 m，F(xiàn)rc=9.74，i=1/300代入式（4），求算得L=33.24 m。

水躍長度計算結果與壩下涵管實測蝕損管段長約32 m基本吻合。閘門孔口后壩下涵管長46 m，蝕損長度占閘門后涵管總長度的70%。官溪水庫壩下涵管蝕損破壞長度甚長，與壩下涵管底坡較緩有關。

2.4 管內(nèi)有壓水躍與閘門相對開度

綜上，以官溪水庫壩下涵管在正常蓄水位閘門開度為0.27 m時的運行工況為例，對進口設閘控流的壩下涵管出現(xiàn)有壓水躍不利流態(tài)造成空蝕破壞進行了計算分析。據(jù)此可知，為確保壩下涵管的運行安全，很有必要提出庫水位、流量及開度關系曲線，以確定不同運行工況條件下的閘門開度，避免管內(nèi)不良流態(tài)的發(fā)生。但鑒于問題的復雜性，目前，對封閉式管流流態(tài)的轉化界限尚缺乏成熟的計算方法，但對設閘控流的圓形壩下涵管，可據(jù)有關試驗研究成果[5]，按相對水頭H/d≥4（H為上游庫水位，d為進口孔口高度）、相對開度e/d≤0.3（e為閘門開啟度）時，管內(nèi)將可能產(chǎn)生有壓水躍進行把控。也就是說，對進口設閘控流的壩下涵管，應據(jù)相對水頭值，避免在上述相對開度工況條件下運用。對各具體運行工況，如需進一步分析認定管內(nèi)是否出現(xiàn)有壓水躍，則可按前述計算方法予以計算確認。

3 設閘控流壩下涵管防空蝕措施

進水口段設閘控流壩下涵管發(fā)生空蝕破壞，原因是多方面的，但現(xiàn)象卻具普遍性，只是在破壞程度上存有差異。因此，有必要研究可行的防空蝕措施，下面僅就設閘控流壩下涵管設計及運行中常被忽視卻不容忽視的若干問題做一粗淺分析，以期引起水工設計人員與運行管理單位的重視。

（1）水工設計人員應如重視壩下涵管結構設計一樣，重視其水力設計，在水力設計中應避免水力不協(xié)調(diào)現(xiàn)象的存在，應驗算在各級設計流量過流條件下，管內(nèi)不產(chǎn)生水躍。眾所周知，水躍是一種局部不穩(wěn)定流現(xiàn)象，水躍的產(chǎn)生將引發(fā)水流中的氣核在低壓區(qū)集聚結團，繼而在高壓區(qū)破碎潰滅，出現(xiàn)空化空蝕現(xiàn)象。特別是躍尾斷面觸及管頂?shù)挠袎核S所表現(xiàn)出的躍前斷面不穩(wěn)定遷移現(xiàn)象、躍尾斷面強烈壓力脈動現(xiàn)象，將加劇水躍水流的紊動，增大其破壞性。因此，封閉管道的水力設計應避免管內(nèi)水躍現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（2）水工試驗表明，閘門孔口斷面采用突變式體形與涵管連接易產(chǎn)生負壓，以致出現(xiàn)空化空蝕破壞；壩下涵管過流壁面不平整，將導致過流能力的降低及高速水流下的空蝕破壞。因此，在壩下涵管設計時，閘門孔口與涵管間應采用漸變流線形體型連接；在施工作業(yè)時，應確保體型合理、壁面平滑，以提高管身結構的抗空蝕破壞能力。

（3）壩下涵管緊靠閘門后設置通氣管，是常用的減蝕設施，但一旦壩下涵管過流時產(chǎn)生有壓水躍，管內(nèi)將引起強烈的自由摻氣與強迫摻氣，此時，通氣管的進氣風速將遠高于水流流速，摻氣使水流的初生空化數(shù)加大，從而使空蝕破壞更易發(fā)生，這是設置通氣管的弊端。因此，對于有可能出現(xiàn)有壓水躍的壩下涵管，其通氣量與通氣管面積應通過計算擬定，并留有安全裕度。

（4）應重視設閘控流壩下涵管調(diào)度運用設計，計算給出庫水位、流量所對應的開度曲線，以指導調(diào)度運行管理，確保壩下涵管運行安全。

如前所述，進水口段設閘控流按無壓流設計運用的壩下涵管，遇不當閘門開度，涵管內(nèi)有可能出現(xiàn)有壓水躍，形成明滿交替半有壓流流態(tài)，產(chǎn)生空化空蝕破壞。對進水口段設閘控流按有壓流設計運用壩下涵管，則隨著閘門開度減小或加大，管內(nèi)過流量也將相應地減少或增大，從而涵管內(nèi)將可能出現(xiàn)有壓流向無壓流，或無壓流向有壓流轉變的明滿交替半有壓流過渡流態(tài)。因此，在壩下涵管運行管理中應合理掌控閘門開度，避免有壓水躍或明滿交替半有壓流流態(tài)的發(fā)生，特別應避免壩下涵管長時間處于不良流態(tài)下工作，及時消除或減輕有壓水躍及明滿交替流對壩下涵管的空蝕破壞危害。

（5）根據(jù)壩下涵管結構設計狀態(tài)，可將進水口段設閘控流無壓流設計壩下涵管，采用涵管末端設置工作閘門并采取相應水力與結構處理措施，將其變更為有壓流壩下涵管，以消除管內(nèi)水躍現(xiàn)象。

據(jù)上述防空蝕措施，為確保官溪水庫壩下涵管在各級設計灌溉流量下不再出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，經(jīng)方案比較，取用的加固處理設計方案為：按有壓流運行工況內(nèi)襯鋼管，并在涵管末端設置工作閘門及消力池。

4 結語

中型工程官溪水庫無壓流設計壩下涵管，壁面產(chǎn)生大面積蝕損破壞的原因是設閘控流的開度不當，閘后涵管段出現(xiàn)有壓水躍，形成明滿交替流，產(chǎn)生空化空蝕破壞。而對于中小型水庫工程，在壩下涵管進水口段設閘控流，企求管內(nèi)恒為無壓流流態(tài)，這一設計理念廣為水工設計人員所認同。然工程運行實際表明，這一工程結構設計理念對流態(tài)的掌控并不可靠，且按此理念設計的眾多壩下涵管普遍存在程度不同空蝕破壞現(xiàn)象。因此，為防止類似蝕損破壞現(xiàn)象發(fā)生，除重視防空蝕水力設計外，對水力條件較復雜的中型工程壩下涵管，尚應進行水工模型試驗，論證其布置與水力設計的合理性?！?/p>