許傳勇

摘要：某抽水蓄能電站放空洞采有壓隧洞接無(wú)壓隧洞的型式，無(wú)壓隧洞陡坡段的水流流速接近40m/s，存在高速水流空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)規(guī)范要求[1]，應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施，以保障放空洞的運(yùn)行安全。試驗(yàn)以水工單體模型為依托，對(duì)有壓隧洞的出口體型進(jìn)行了優(yōu)化，改善了洞內(nèi)水流流態(tài)。通過(guò)摻氣減蝕試驗(yàn)研究，確定了摻氣設(shè)施的設(shè)置位置、設(shè)置數(shù)量及體型，為放空洞的設(shè)計(jì)選型提供了依據(jù)。

Abstract： The emptying tunnel of a pumping storage power station adopts the type of pressure tunnel connected with a free-flow tunnel， in which the flow velocity of the steep slope section of the free-flow tunnel is nearly 40m/s， and there is a risk of cavitation damage of high-speed water flow. According to the requirements of specifications and regulations， to ensure the operation safety of the emptying tunnel， the aeration facilities should be set up. Based on the 1：30 hydraulic unit model， the author optimizes the outlet shape of the pressure tunnel to improve the flow pattern in the tunnel. Through the experimental study of aeration and corrosion reduction， the author determines the location， number and detailed shape of aeration facilities， which provides the theoretical basis for the shape design of the emptying tunnel.

關(guān)鍵詞： 放空洞;摻氣減蝕;摻氣坎;摻氣空腔;水翅

Key words： the emptying tunnel;aeration-cavitation resistance;aerator;aerated cavity;water wing

中圖分類(lèi)號(hào)：TV732? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0126-03

1? 工程概況

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1400MW，為4臺(tái)單機(jī)容量350MW的可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組。樞紐建筑物主要有上水庫(kù)大壩，下水庫(kù)大壩、泄洪排沙建筑物和放空洞，輸水系統(tǒng)，地下廠房和開(kāi)關(guān)站等。

放空洞位于下水庫(kù)河床左岸山體內(nèi)，由引水渠、進(jìn)水口、有壓隧洞、閘門(mén)井、無(wú)壓隧洞和挑流鼻坎組成，進(jìn)水口底板高程578.00m。有壓隧洞為圓形斷面，直徑4m，出口布置弧形工作閘門(mén)，閘門(mén)孔口尺寸3.0m×2.5m（寬×高）。無(wú)壓隧洞為城門(mén)洞型，斷面尺寸4.0m×4.5m，出口采用挑流消能，見(jiàn)圖1。

校核洪水位（621.10m），放空洞的最大泄量為191m3/s，有壓洞出口至無(wú)壓洞緩坡段的平均流速在23.50～26.00m/s之間，陡坡段至挑流鼻坎間的平均流速在27.00～39.50m/s之間，高速水流問(wèn)題較為突出。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的防空蝕設(shè)計(jì)原則，當(dāng)流速超過(guò)30m/s時(shí)應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施[1]，因此，本工程有必要進(jìn)行摻氣減蝕試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，為正態(tài)模型，模型比尺為1：30。（圖1）

2? 有壓洞出口體型優(yōu)化

原方案有壓洞工作閘門(mén)的孔口尺寸為3.0m×2.5m，出口為突擴(kuò)突跌體型。無(wú)壓段邊墻向兩側(cè)各突擴(kuò)0.5m過(guò)渡至正常洞寬4.0m，底板突跌0.5m，見(jiàn)圖2。

正常蓄水位620.00m，放空洞全開(kāi)運(yùn)行時(shí)（188m3/s），下泄水流在出口跌坎處形成橫軸反向旋滾，水流側(cè)向擴(kuò)散沖擊洞室邊壁，激起 “水翅”拍打洞頂（見(jiàn)圖3），此流態(tài)會(huì)威脅放空洞的運(yùn)行安全，故有壓洞出口的過(guò)渡體型需要優(yōu)化。

由于無(wú)壓洞緩坡段的水流流速未超過(guò)26.00m/s，底板空化數(shù)在0.32～0.48之間，大于0.3，該段隧洞發(fā)生空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)不大，可取消出口跌坎。另外，應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，工作閘門(mén)的孔口尺寸變更為2.5m×3.0m（寬×高），試驗(yàn)擬在出口后采用邊墻漸擴(kuò)的方式過(guò)渡至無(wú)壓洞標(biāo)準(zhǔn)洞寬。

修改方案分別對(duì)比了邊墻擴(kuò)散角度α=2.862°和α=1.193°兩種體型，成果見(jiàn)表1。正常蓄水位，兩修改方案均未出現(xiàn)“水翅”現(xiàn)象。邊墻擴(kuò)散角為1.193°時(shí)，緩坡段的水面線(xiàn)較擴(kuò)散角為2.862°的修改方案更為順暢，水面起伏更小，水深在2.0～3.0m之間，最大水面波動(dòng)不超過(guò)0.2m，因此，α=1.193°的邊墻擴(kuò)散角對(duì)改善洞內(nèi)流態(tài)更有利。

3? 摻氣試驗(yàn)成果

3.1 摻氣坎位置及體型

試驗(yàn)在樁號(hào)0+275.087m、0+359.820m布置兩道挑、跌坎組合摻氣設(shè)施。比較了坎坡i′1=3.7%（摻氣挑坎相對(duì)于底板的坡度）、挑坎？駐h1=0.3m;i′2=5%、？駐h2=0.4m和i′3=6.25%、？駐h3=0.5m三種型式，跌坎高度均為1.0m，第二種體型見(jiàn)圖4。正常蓄水位三種不同高度的摻氣坎后均能形成摻氣底空腔，空腔內(nèi)無(wú)回水。其中，第一種體型空腔長(zhǎng)度為7.6m，平臺(tái)后空腔高度不足0.5m，不利空腔內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng);第三種體型空腔長(zhǎng)度11.5m，空腔高度1.25m，挑射水流局部水面超過(guò)洞室斷面直墻0.3m，洞頂余幅不足13%，不滿(mǎn)足規(guī)范要求[2]。第二種體型的空腔長(zhǎng)9.6m，空腔高度0.9m，挑射水流未超過(guò)洞室直墻，洞頂余幅滿(mǎn)足要求，空腔后水流可見(jiàn)明顯摻氣，因此，①#、②#摻氣坎均采用該體型。

3.2 流態(tài)、水深及壓強(qiáng)

放空洞在工作水頭范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，有壓洞出流緊貼漸擴(kuò)段洞壁，未發(fā)生“水翅”，洞內(nèi)水面順暢，流態(tài)良好。校核洪水工況（621.10m）無(wú)壓洞內(nèi)的沿程水深在1.65～3.30m之間，最小洞頂余幅為20.7%，滿(mǎn)足規(guī)范要求[2]。

無(wú)壓洞底板壓強(qiáng)隨著下泄流量的增加而增大。①#、②#坎的挑射水流落點(diǎn)附近存在明顯的壓強(qiáng)峰值，局部壓力曲線(xiàn)呈單峰分布，落點(diǎn)區(qū)域的最大壓力梯度接近24kPa/m，應(yīng)注意合理留置隧洞結(jié)構(gòu)縫。①#、②#坎后的摻氣空腔內(nèi)存在負(fù)壓，最大負(fù)壓值為-2.65kPa，滿(mǎn)足規(guī)范負(fù)壓不超過(guò)-5kPa的要求[1]。底板過(guò)流面上的其它測(cè)點(diǎn)為正壓，壓強(qiáng)在0.1～68.87kPa之間，最大值出現(xiàn)在校核洪水工況的挑流鼻坎中段，分析為受水流離心力影響所致。

3.3 空腔長(zhǎng)度、摻氣濃度與風(fēng)速

無(wú)壓洞陡坡段的底坡i=57.74%，加之該段下泄水流的傅汝德數(shù)Fr在6～14之間，基本上屬于高Fr數(shù)流動(dòng)，水力條件對(duì)形成摻氣空腔較為有利。在不同水位條件下，①#、②#坎均能形成有效的摻氣底空腔，①#坎的空腔長(zhǎng)度在6.6～9.6m之間，②#坎的空腔長(zhǎng)度在7.5～10.4m之間，其長(zhǎng)度與運(yùn)行水位呈正相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表2。

摻氣設(shè)施的保護(hù)長(zhǎng)度分別為98m和89m，摻氣濃度成果見(jiàn)表3。由表中試驗(yàn)成果可知：摻氣坎保護(hù)范圍內(nèi)，下泄水流的臨底摻氣濃度呈衰減趨勢(shì)，數(shù)值在1.1～19%之間，絕大部分觀測(cè)斷面的摻氣濃度在2%以上。以正常蓄水位為例，①#、②#坎之間的摻氣濃度從12%衰減至2.7%，②#坎下游的摻氣濃度由空腔尾部的19%衰減至挑流鼻坎末端的1.1%，洞內(nèi)水體基本呈乳白色，摻氣充分，可以達(dá)到摻氣減蝕的目的。

摻氣設(shè)施兩側(cè)邊墻埋有直徑0.6m的通風(fēng)井，引至摻氣坎下方通氣孔向空腔內(nèi)補(bǔ)氣，井內(nèi)實(shí)測(cè)風(fēng)速為5.00～42.76m/s。由于摻氣模型與工程原型存在一定的縮尺效應(yīng)，在目前的技術(shù)條件下，可按式（1）計(jì)算模型摻氣坎處的雷諾數(shù)ReL，參考馮家山水庫(kù)溢洪洞、巴西福茲杜阿里亞溢洪道的系列摻氣試驗(yàn)成果與工程原型觀測(cè)成果的研究資料進(jìn)行修正[3]。

4? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于放空洞有壓隧洞接無(wú)壓隧洞的過(guò)渡體型，采用邊墻漸擴(kuò)方案可以有效減輕或消除因水流側(cè)向擴(kuò)散沖擊邊壁導(dǎo)致的“水翅”現(xiàn)象，為放空洞的安全運(yùn)行創(chuàng)造有利條件;若有壓隧洞出口的平均流速超過(guò)30m/s，應(yīng)根據(jù)具體情況考慮設(shè)置底部與側(cè)摻氣設(shè)施。無(wú)壓隧洞陡坡段布置兩道挑、跌坎組合摻氣設(shè)施，在較高流速條件下即可獲得穩(wěn)定的摻氣空腔，向下泄水體形成持續(xù)通氣，能夠有效地防止或減輕空蝕破壞。試驗(yàn)成果表明，在放空洞體型布置合理的前提下，試驗(yàn)所采用的摻氣減蝕方案可行。因模型與工程原型之間存在縮尺效應(yīng)，可對(duì)類(lèi)似已建工程的摻氣坎體型和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究總結(jié)，深入了解此類(lèi)體型的摻氣機(jī)理及水力、空化特性。另外，摻氣坎挑射水流落點(diǎn)附近底板的壓力梯度變化較大，應(yīng)避免在此區(qū)域設(shè)置隧洞結(jié)構(gòu)縫。

參考文獻(xiàn)：

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