（水利工程专业论文）天生桥一级水电站溢洪道掺气减蚀研究.pdf

摘要 长期以来，空化现象被认为是一不易被解决的问题。空化与空蚀的研究，无论从国际或 国内动态来分析，近年来均呈现备受重视和日益深入的趋势。不仅国际国内学术交流频繁， 更重要的是工程问题较多，研究内容随之不断扩展，涉及领域拓宽，业已成为众多行业共同 关注的问题之一。 ， 国内外的研究情况表明，对空化和空蚀机理及其影响因素的认识和研究已取得很大进展。 应该指出的是，由于空化和空蚀是微观、瞬时、随机、多相的复杂现象，到目前为止，有关 空化和空蚀的理论及不少研究成果还不能令人满意，许多问题还有待进一步深入研究和探索。 工程经验表明，掺气减蚀是防止溢洪道空蚀的重要措施，根据国内科研机构几座在建或 已建大型工程的试验研究发现，合理掺气设施的设置可以达到比较理想的掺气效果。目前， 大多在建、拟建或已建的大型泄洪建筑物中，几乎都设置了掺气减蚀设施，但基本上都是掺 气设施的工程实践在先，而相应的掺气减蚀机理研究和模型试验则相对滞后。故目前有关掺 气设施的各项水力指标的设计和计算多依赖于经验关系和定性的研究，理论方面的研究比较 少。 本文针对溢洪道的空化空蚀及掺气减蚀问题，在前人工作的基础上，结合天生桥一级水 电站溢洪道工程实例，对高水头大泄量溢洪道的空化空蚀问题及掺气减蚀进行了研究，通过 模型试验，提出了合适的掺气槽体型，可以方便工程的施工，保证施工质量，最大限度减少 空化空蚀，提高了溢洪道泄槽的安全度。 关键字：溢洪道空化空蚀掺气减蚀掺气设施 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，t h ec a v i t a t i o np h e n o m e n o ni sc o n s i d e r e db e i n gap r o b l e mh a r dt ob es o l v e d c a v i t a t i o na n dt h er e s e a r c ho ni t , n om a t t e rw ea n a l y s ei tf r o mi n t e r n a t i o n a lo rd o m e s t i c i th a s b e i n gt a k e ns e r i o u s l ya t t e n t i o na n dh a sag r a d u a l l yt h o r o u g ht r e n do ni t n o to n l yt h ea c a d e m i c e x c h a n g ei sm o r ea n dm o r e ，b u ta l s ot h e r ea r em a n ye n g i n e e r i n gp r o b l e m so ni t , s t u d yc o n t e n to ft h e p r o b l e mi sb r o a d e n i n g ，e x p a n d i n g ，i th a sa l s ob e c o m i n go n eo ft h ep r o b l e mt h a tm a n yr e l a t i n g i n d u s t r yp a ya t t e n t i o n st o t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hc i r c u m s t a n c e si n d i c a t et h a t , s t u d yo nc a v i t a t i o na n d c a v i t a t i o ne r r o s i o nm e c h a n i s ma n dt h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r sh a v eg o tag r e a tp r o g r e s sa l r e a d y b u t w em u s tp o i n to u tt h a t , s i n c ec a v i t a t i o na n dt h ec a v i t a t i o ne r r o s i o ni sac o m p l i c a t e dp h e n o m e n o n s u c ha sm i c r o c o s m i c ，i n s t a n t ，r a n d o ma n dh e t e r o g e n e o u s , b yn o w , t h e o r ya n dm a n yr e s e a r c hr e s u l t a b o u tc a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o ne r r o s i o nc a nn o ta l lb ed e s i r e d ，al o to fp r o b l e mr e m a i n st of u r t h e r s t u d ya n dp r o b e di nad e e p g o i n gw a y t h ee n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e i n d i c a t e st 1 1 a t , a e r a t o ri sa l li m p o r t a n tm e a s u r et op r o v e n t c a v i t a t i o ne r r o s i o nf o rf l o o ds p i l l w a y , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha n dm o d e lt e s tt a k e nb yd o m e s t i c i n s t i t u t eo ns o m ei nb u i l d i n go ra l r e a d yb u i l d i n gl a r g e s c a l ef l o o ds p i l l w a y ，t h er e a s o n a b l es e t t i n g o fa e r a t o rc a ng e tap e r f e c ta e r a t i o ne f f e c t a tp r e s e n t ，a e r a t i o nf a c i l i t i e sa r es e tu pt oa l m o s ta l lt h e i nb u i l d i n go ra l r e a d yb u i l d i n gl a r g e - s c a l ef l o o dd i s c h a r g i n gb u l d i n g ，h o w e v e r , b a s i c a l l yt h ep r a c t i c e o fa e r a t o ri sp r i o r , t h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ha n dm o d e lt e s t s 。o fa e r a t i o nf a c i l i t i e sa r er e l a t i v e l a g g i n g a c c o r d i n g l y , t h ed e s i g no fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc a l c u l a t i o no fa e r a t i o nf a c i l i t i e si s m a i n l yd e p e n d e n to ne x p e r i e n c e a n dq u a l i t a t i v er e s e a r c h ，t h er e s e a r c hi nt h e o r ya s p e c ti s c o m p a r a t i v e l yf e w b a s e do nf o r m e rs t u d yo fo t h e r s ，t h i sp a p e ri sb a s i c a l l ya i ma tt h ep r o b l e mo fc a v i t a t i o na n d c a v i t a t i o ne r o s i o na n da e r a t i o nf a c i l i t i e sf o rp r o v e n t i n gc a v i t a t i o ne r o s i o n a s s o c i a t ew i t ht h e p r o j e c te x a m p l eo ft h ef l o o ds p i l l w a yo f t i a ns h e n g q i a olh y d r o p o w e rs t a t i o n ，c a r r i e do n ar e s e a r c h m a i n l yt ot h ec a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o ne r r o s i o na n da e r a t i o nm i t i g a t i o na n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h e f l o o ds p i l l w a yw i 廿lh i g hh e a da n dh u g ed i s c h a r g e t h ea p p l i e ds h a p e so ft h ea e r a t o r sw h i c hw e r e s u i t a b l et ot h ep r o j e c t ，t h i sk i n do fd e s i g ni sc o n v e n i e n tt op r o j e c tc o n s t r u c t i o n ，e n s u r et h e c o n s t x u c t i o nq u a l i t y , r e d u c e dt h ec a v i t a t i o ne r o s i o na n di n c r e a s et h es a f e t yd e g r e eo ff l o o ds p i l l w a y k e y w o r d s ：f l o o ds p i l l w a y ；c a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o ne r o s i o n ；a e r a t i o nm i t i g a t i o n ；a e r a t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得：苤鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位做作者繇柙莨 签字日期 叼年莎月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 辩明：节 签字 签字日期：沙年月日 | ，、侵 日 国 引朋 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近几年来，随着经济及科学技术的不断发展，我国已建或在建的大型水电工程项目越来 越多，高坝大坝相继上马，除已建成的我国目前最高2 4 0 m 的二滩拱坝及正在建设中的小湾 拱坝( 2 9 2 m ) 外，还计划兴建一批坝高2 0 0 - - - 3 0 0 m 、泄量2 0 0 0 0 - - 一5 0 0 0 0 m 3 s 、单宽流量2 0 0 , - - , 3 0 0 m 3 s 级的工程。这些高坝大库因其水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂 等特点，天然地占据着世界超级水平的地位，泄洪消能的水力学问题中有许多是超国际水平 的难题。 表1 - 1 为我国几个典型高坝主要泄洪参数对比。 表1 1国内几个典型高坝泄洪参数对比表 工程名称坝高m落差m泄洪流量所3 s泄洪功率n ( 埘所在河流 三峡 1 7 59 7 51 0 1 5 0 0 9 6 9 8 3 3长江 二滩2 4 01 6 6 31 6 3 0 0 2 6 5 0 0雅砻江 溪洛渡 2 7 81 9 3 6 73 0 0 0 05 6 7 7 0 金沙江 拉西瓦 2 5 02 0 9 96 0 0 01 2 3 0 0 黄河 小湾2 9 22 3 0 42 0 7 0 04 6 0 0 0 澜沧江 构皮滩2 2 51 4 82 7 4 7 03 9 0 9 0 乌江 糯扎渡2 6 01 7 43 3 7 0 03 8 4 0 0 澜沧江 锦屏一级3 0 52 2 49 6 3 62 1 6 0 0 雅砻江 天生桥一级1 7 81 2 5 92 1 7 5 02 7 4 0 0 南盘江 大型泄水建筑物工程都具有“高水头、大泄量”的特点，泄洪消能问题显然十分突出，泄 洪消能布置直接影响整体枢纽布置格局，成为工程设计中的控制问题。泄水建筑物一般分为 坝身孔口泄洪道( 表孔、中孔) 和岸边溢洪道( 滑雪式溢洪道、泄洪洞) 。泄洪消能方式的选 择与坝型、坝区地形、地质条件等诸多因素有关，而泄洪消能方式的选择直接决定泄洪消能 布置的合理性。 溢洪道是高水头水工建筑物常用的泄洪设施之一。它主要是用来减轻坝身泄洪及坝下消 能的负担。对于当地材料坝枢纽，大多数设置岸边溢洪道承担泄洪任务外，还有限制水库蓄 水期水位上升速度、防洪渡汛等其他任务。 一般来说，溢洪道大都由引水渠，闸体段，泄槽段及消能段等组成，在泄槽段由于流速 普遍较高，为了防止空蚀破坏，需要设置掺气设施，因此，泄槽段有关水力学问题、水流空 化数及空化特性、掺气设施的设置是否合理成为泄槽段设计中必需重点考虑的问题。 1 第一章绪论 从1 9 世纪的后期在螺旋桨的叶片上发现了空化现象以来，空化现象的理论及内涵已经有 了很大发展。空化现象涉及的领域也越来越广，如高速螺旋桨、高速鱼雷雷体、高速潜艇、 水泵、水轮机、水工泄水建筑物等。长期以来，空化现象被认为是一不易被解决的问题。 空化与空蚀的研究，无论从国际或国内动态来分析，近年来均呈现备受重视和日益深入 的趋势。不仅国际国内学术交流频繁，更重要的是工程问题较多，研究内容随之不断扩展， 涉及领域拓宽，业已成为水利、水电工程、核电工程、船舶工程、石油工程、机电工程以及 冶金工程等多方面共同关注的问题之一。 随着坝工技术的提高和水电建设事业的发展，我国高坝建设发展迅速，坝高不仅突破了 2 0 0 m ，而且已进入3 0 0 m 量级，高水头、大流量泄水建筑物不断增多，与之相关联的脉动、 振动、空化、空蚀、冲刷、雾化等一系列高速水力学问题日益突出，受到水利工程人员的广 泛关注。随着泄水建筑物水头越来越高，最大泄流速度高达4 0 m s ，有的甚至超过5 o m s ， 水流空化数较小，致使泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏【4 】，空蚀破坏的 强度大约与水流流速的5 7 次方成比例【5 】。空蚀不仅破坏泄流建筑物的过流表面，影响泄 流能力，严重时可导致泄流建筑物不能正常运行；甚至引起振动，导致工程破坏等。高水头 泄水建筑物空蚀破坏的部位常常发生在：溢洪道泄槽段；泄洪洞的反弧段及其下游；断面突 然扩大但又通气不顺畅的地方；边界突体下游；局部不平整的表面，特别是连接不光滑段下 游的粗糙段：消力墩侧面、背面以及附近底板；差动式挑坎的齿坎侧面；高水头底孔闸门下 游附近；闸槽下游面；高水头底孔出流与坝面溢流的交汇处。在高水头泄水建筑物中，特别 是龙抬头泄洪洞，遭受严重的空化空蚀破坏的实例在国内外有很多。 国内外已建或在建工程中有较多的“龙抬头”式泄洪洞。龙抬头泄洪洞泄洪时通常形成的 是明流流态，其突出的特点是：高流速、大单宽流量、低f r 数和小底坡。大单宽流量、低f r 数就意味着水深大、重力影响十分显著，反弧末端掺气坎后的底空腔区流线弯曲严重，容易 产生空腔回水，空腔回水的存在对掺气设施的水力特性及掺气特性有明显影响。底坡小意味 着掺气挑坎所形成的空腔末端的射流容易回流倒灌，阻塞气流。而长明流泄洪洞常需采用多 道掺气设施，为了保证整个洞内良好的流态，掺气挑坎的挑角又不宜太大。因此，在上述水 流条件下，掺气设施体型设计有一定困难；普通掺气设施往往难以满足掺气减蚀的要求，尤 其是位于反弧末端的掺气设施，其体型设计的难度较大。因此，很有必要对龙抬头泄洪洞内 的掺气设施类型作进一步的研究。在泄洪洞内设置掺气减蚀设施，其形式简单，减蚀效果明 显，对工程应用具有重要实用价值。我国已建的和在建的高水头泄水建筑物多采用了掺气减 蚀设施，其防蚀保护问题更为突出。由于掺气设施的工程实践在先，相应的掺气减蚀机理研 2 第一章绪论 究和模型试验则相对滞后；故目前有关掺气设施的各项水力指标的设计和计算多依赖于经验 关系和定性的研究，理论方面的研究比较少。 龙抬头泄洪洞是由导流洞改建而成，它是利用导流洞的后半段作为泄洪洞的的水平段， 从而可以大大节约工程投资，另一方面利用龙抬头可以抬高进水口的高程，减小了进水口工 作闸门的运行水头，既降低了对高压闸门的技术要求，又提高了闸门运行的安全性和灵活性。 因而在国内外大型水利工程中应用颇广，如墨西哥的英菲尔尼罗坝、美国的胡佛坝、黄尾坝、 格仑峡、苏联的努列克以及国内的刘家峡、碧口、冯家山、石头河等，都是采用龙抬头泄洪 洞或泄洪洞与溢流坝结合泄洪的典型工程。 表1 2 为国内外几个典型高水头大泄量泄洪洞水力特性参数对比表。 表1 2 国内外典型高水头大泄量泄洪洞水力特性参数表1 1 建成 泄洪建筑物尺 总泄量单宽 反弧末端 工程名国家寸( 孔数宽 布置方式最大泄洪 消能运行破坏 年份| 擎祗| 矗流量 方式年代部位 高) m 2水头m 1 9 4 1 年反 胡佛美国1 9 3 62 - - d 1 5 5 6 龙抬头 l l o o o ，5 5 0 01 7 0 4 挑流 弧末端 龙抬头1 9 8 3 年反 格兰峡美国1 9 6 62 一d 1 2 57 8 0 0 ，3 9 0 01 7 8 8 4挑流 导流洞改建弧末端 1 9 6 7 年反 黄尾美国1 9 6 8d 1 2 3 5 9 7 5 龙抬头 2 6 0 0 2 6 0 01 4 1 挑流 弧末端 龙抬头1 9 7 2 盔 刘家峡中国1 9 7 48 x 1 2 92 1 5 0 陀1 5 02 6 8 81 1 5挑流 导流洞改建反弧 1 9 8 0 年观 冯家山 中国1 9 7 87 2 x 1 1 3 龙抬头 1 1 4 0 1 1 4 01 5 8 挑流 测无卒蚀 左9 1 0 4 4 2 1 6 0 2 1 6 02 4 0 1 9 8 2 年后 乌江渡 中国1 9 8 3 龙抬头 7 7 2 挑流 右_ 9 1 0 4 42 1 6 0 2 1 6 02 4 0多次观测 l 。洞一1 3 x1 3 5 3 8 0 0 3 8 0 02 9 2 21 0 61 4 洞2 0 0 1 二滩 中国 1 9 9 9 龙抬头挑流 2 。洞一1 3 1 3 5 3 8 0 0 3 8 0 02 9 2 28 0 年反弧末 小湾中国2 0 1 2d 1 4 1 4 x1 4 5龙落尾3 8 1 l 3 8 l l2 7 2 28 0 5 3 3挑流在建 锦屏i 级中国 2 0 1 3d 1 4 1 4 1 2 龙落尾 3 7 8 0 ，3 7 8 02 7 01 9 5 2 挑流在建 溪洛渡中国 2 0 1 74 - d 1 7 龙落尾 1 6 5 0 8 4 1 2 72 9 4 51 6 5 挑流在建 工程中将导流洞改建为泄洪洞多采用龙抬头与原导流洞相连结，过高的流速是工程问题 发生的主要原因之一，随着坝高的增加，泄水建筑物的流速进一步增加，对高水头、大流量 龙抬头式泄洪洞易在反弧末端及其下游发生空蚀破坏1 4 ，如：美国的格仑峡( g l e nc a n y o n ) 、 胡佛( h o o v e r ，坝高2 2 0 m ) 等工程的导流洞改建为泄洪洞后，在反弧末端发生过空蚀破坏，国 内的刘家峡导流洞改建为泄洪洞后，也在反弧末端发生空蚀破坏。由于体型不合理，致使某 些局部区域的压强较低，在大流量时，水流流速较大，也会发生空蚀破坏，如巴拿马麦登坝 在水头为3 3 5 m 和流速为2 2 6 m s 作用下，坝的底孔发生了空蚀破坏，从而引起施工、设计、 3 第一章绪论 科研、运行管理等各方面对体型问题的普遍重视。 显然，溢洪道的掺气减蚀机理与泄洪洞是一致的，而且其设置更加灵活和方便。一方面 掺气条件更好，另一方面，通常调整的余地更大。只是对于较宽的泄槽，要保证整个过流面 掺气并有效保护难度稍大。 为了减轻或避免空蚀破坏，过去已做了很多的工作：如改善施工工艺，提高过流面的平 整度；采用抗空蚀性能较好的材料( 如硅粉混凝土) 提高建筑物的抗蚀性能等等。所有这些 措施，对减免过流建筑物的空蚀破坏都起到了积极的作用。对于高水头泄水建筑物仅靠上述 的措施，在工程实际中，往往很难达到标准。前人的研究成果表明，采用适当的掺气措施是 减免高速水流出现空化与空蚀破坏最有效的技术措施 6 h 刀，提出了给水流底部掺气的办法来 减免空蚀破坏，设置通气槽进行掺气减蚀以及研究选择合理的溢流面体型。水流掺气后，可 使空蚀破坏显著降低，当底部的掺气浓度达到或大于某一数值后，空蚀破坏可以完全避免。 美国的大古力坝泄水孔设置掺气槽首次取得成功后【8 】，掺气减蚀措施开始得到了水利工程界 的普遍认可。 总结目前泄水建筑物运行的成功经验，目前的水工设计规范s l 2 5 3 2 0 0 0 规定【9 1 ，当过流 表面的流速超过3 5 m s 时，应设置掺气减蚀设施。p e t e r k a 1 0 】等的试验研究表明，当水中的掺 气浓度为l 2 时，能大大减轻固体边壁的空蚀破坏，当掺气浓度为5 7 时，空蚀破坏完全 消失，还有一些研究表吲1 1 h 1 2 1 ，当水中近壁处的掺气浓度为1 2 2 5 时，混凝土的空蚀破 坏显著减少，当水中近壁处的掺气浓度达7 - 8 时，空蚀破坏基本消失。 国内外的研究情况表明，对空化和空蚀机理及其影响因素的认识和研究已取得很大进展。 应该指出的是，由于空化和空蚀是微观、瞬时、随机、多相的复杂现象，到目前为止，有关 空化和空蚀的理论及不少研究成果还不能令人满意，许多问题还有待进一步深入研究和探索。 在高速水流减蚀技术研究方面，现有的减蚀手段大致可归纳为优化过流体型、控制过流 表面不平整度、采用抗空蚀材料和掺气减蚀等。泄水建筑物过流流速小于3 0 m s 时，通过严 格控制表面不平整度和使用抗空蚀材料可以有效防止空蚀破坏，而当流速超过4 0 m s 时，即 使表面很平整仍可发生空蚀破坏。所以，结构形式简单、成本低、减蚀效果好的槽坎型掺气 减蚀方法自上世纪7 0 年代起得到广泛的应用，成为高坝工程中减免空蚀破坏的主要措施。国 内外许多学者在掺气减蚀设施的掺气特性方面做了大量研究，主要集中在：掺气减蚀机理和 临界含气浓度：射流掺气机理、掺气设施体型、空腔长度、空腔内负压和通气系统特性；掺 气减蚀保护范围；以及掺气水流的模型相似性问题等。但是，在已有成果中，缺乏对掺气减 蚀设施的防回水问题、清水三角区问题、侧墙掺气问题以及反弧段的掺气水流问题等的研究， 4 第一章绪论 而这些问题都是工程实践中暴露和发现的核心问题，对工程安全构成了严重威胁，有的直接 导致了泄水建筑物的严重破坏，这方面国内外均有不少工程实例。可见，目前水力学界对掺 气减蚀的基础研究急待深入，对于新的掺气减蚀技术，也急待不断加以开发和创新。 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室和中国水利水电科学研究院曾结合 二滩泄洪洞进行了新型掺气减蚀技术研究，先后提出了u 型掺气坎、v 型掺气坎、梯形凸形 掺气坎、三角形凸形掺气坎以及侧墙掺气坎等新型掺气型式。但由于是针对工程个案的研究， 加之研究时间仓促，研究的深入性和系统性还难以满足其它工程的需求，开展进一步的基础 研究十分迫切。最近又有学者提出动力强迫掺气方式，其可行性也有待进一步研究。 1 2 国内外泄水建筑物破坏实例及成功实例 1 2 1 前苏联布拉茨克水电站溢流面空蚀破坏 该电站溢流面施工结束拆除模板时，溢流面上留有突体、未填满的施工缝及其它不平整 体。溢流面经连续过水11 昼夜后，在溢流面上形成了深1 2 m ，体积约1 2 m 3 的冲蚀坑，在其 它溢流面上，冲蚀坑深度平均约为0 2 0 4 m 。主要部位在溢流坝面的较低部位、有棱角的高 突体之后。局部的不平整和混凝土缺陷的存在是形成破坏的原因。观察表明，空蚀破坏过程 存在着蜂窝“链”，这种链由分布在一条顺水流线上的一系列窝组成，蜂窝的深度和宽度顺流 逐渐增大，链的长度有时可达数米。这种链的形成过程是：当混凝土表面局部不平整引起的 原始空蚀破坏发展到一定阶段时，这个空蚀坑本身即成为诱导下一个空蚀坑产生的根源，在 前一个空蚀坑逐渐形成了次一个空蚀坑，一系列的空蚀坑形成链状。 1 2 2 前苏联的布赫塔而明电站泄水底孔空蚀破坏 电站设有3 个临时泄水底孔，压力段的断面尺寸为4 0 5 o m ，在5 4 m 水头下运行7 8 到2 5 0 昼夜后检查发现，各闸室的埋件及混凝土均受到空蚀破坏，形成深0 4 - - 1 2 m 的深坑。在泄 洪洞的水力学问题中首要解决的是泄洪洞的明满流交替和空化空蚀问题。 1 2 3 美国的胡佛重力拱坝泄洪洞空蚀破坏 胡佛坝高2 2 1 m ，1 9 3 6 年建成。该坝左、右岸各设有一条泄洪隧洞，直径1 5 2 m ，混凝土 衬砌。西岸泄洪隧洞1 9 4 1 年8 月6 日开始投入运行，低于设计流量运行4 个多月，于1 2 月 1 2 日进行洞内检查，发现弯段处洞底已被破坏，该处混凝土厚度为7 5 m ，并有7 年多龄期的 后期强度，但空蚀破坏仍很严重，不仅击穿了混凝土，并在岩基上形成一个深1 3 7 m 、长3 5 m 、 宽9 5 m 的大坑，从坑中冲走混凝土和岩石4 5 0 0 m 3 。 1 2 4 丰满水电站发生溢流面空蚀破坏 5 第一章绪论 丰满水电站溢流面全长1 9 4 m ，有1 1 个溢流孔，孔口尺寸为( 高宽) 6 x 1 2 m ，闸墩厚6 m 。 丰满电站溢流坝于1 9 4 4 年开始运行至1 9 5 0 年未安装闸门前均为自由溢流，长达6 年之久。 因混凝土强度低、施工质量差及表面不平整等原因，坝面及护坦连续遭受严重冲蚀破坏。反 弧起点上游，最深为0 6 - - 2 o m 。反弧末端破坏最严重，深达3 - - 一4 m ，护坦最大冲蚀深度达 4 5 m ，深入至岩基，影响了正常运行。 1 9 5 1 年至1 9 5 3 年对溢流面进行改建，保留原坝顶，坝面加厚3 0 c m ，溢流面使用加气剂 混凝土并用真空作业，2 8 天强度达2 2 m p a 以上。改建后，混凝土强度虽然较高，但坝面平整 度较差，溢流后，坝面仍然发生空蚀。 1 9 5 4 年以前共溢流8 次，以1 9 5 3 、1 9 5 4 两年连续过流时间最长，分别为8 3 天和6 9 天， 破坏面积l m 2 以上者，水上部分1 9 5 3 年为2 3 处，蚀深0 1 加5 m ，1 9 5 4 年增至2 8 处，蚀深 无大变化，面积有所扩展。水下部分，有7 处破坏面积较大，最大蚀坑深0 8 - - 1 2 m 。两年总 的破坏面积达到1 8 1 m 2 。 1 9 5 4 年汛后，对溢流面进行了修补，1 9 5 6 年最大过流量3 6 9 0 m 3 s ，总的破坏面积1 6 1 m 2 ， 坝段反弧段有两处最大破坏区分别为1 4 5 m 2 和2 5 m 2 ，最大蚀深0 1 卸4 m ，大部分破坏区为 1 9 5 4 年修补过的部位，少数为新发展的。 1 9 5 7 年汛前对1 9 5 6 年破坏处进行了修补，1 9 5 7 、1 9 6 0 两年连续过流，最大泄流量分别 为5 1 4 0 m 3 s 和2 2 8 0 m 3 s ，溢流时间较短( 分别为1 5 天和1 9 天) ，局部地区由于单宽流量较 大而空蚀严重，总的破坏面积为1 2 2 m 2 。1 4 # 坝段反弧末端附近最大破坏面积为3 5 m 2 ，蚀深 0 1 - - - 0 5 m 。 1 9 6 1 年汛前曾对上述破坏部位进行修补，1 9 6 3 、1 9 6 4 、1 9 7 1 年又经3 次溢流，1 9 6 4 年最 ， 大泄流量为4 0 3 7 m 3 s ，最大破坏区在1 6 坝段2 1 8 m 高程，发现是三角开突体造成的。最大破 坏面积l9 2 m 2 ，蚀深0 4 m - o 6 5 m ，并露出钢筋数十条。 经调查，发现溢流面上的空蚀破坏主要是表面不平整突体造成的。 1 2 5 刘家峡水电站泄洪洞明流反弧段空蚀破坏 刘家峡水电站泄洪洞由导流洞改建而成，1 9 6 8 年1 0 月，右岸导流洞封堵完成泄洪洞进口 的施工，当溢流面及斜井开挖后还未全部衬砌时，因下游用水需要，于1 9 6 9 年3 月1 2 日开 闸。从未全部衬砌的泄洪洞过水，历时1 7 2 小时，上游水位为1 6 9 5 6 m ，泄流量为9 8 0 1 0 0 0 m 3 s ， 到反弧末端的水头约8 0 m ，流速3 6 m s ，结果在斜井下游，桩号0 + 1 4 0 - - - 0 + 1 8 0 m ，冲成宽l o 余米，深6 - 一8 m 的大坑，整个导流洞底板表面遭受磨损破坏。修补时在原导流洞底板新加3 0 c m 厚钢筋混凝土底板，1 9 7 0 年底，泄洪洞的混凝土浇筑竣工后，由于环氧毒性较大，洞内潮湿， 6 第一章绪论 故只做了部分环氧砂浆护面。又因洞里积水，施工错台及堆渣并未全部处理和清除。 1 9 7 1 年9 月，进行一次2 个多小时的行水试验，当时库水位为1 7 2 9 2 m ，闸门开度从l m 9 5 m ，最大泄量为2 0 3 0 m 3 s 。当时停水后因洞内水深，未查明空蚀状况。1 9 7 2 年5 月9 日1 2 时起正式泄水，至2 5 日1 4 ：3 0 关闸，共泄水3 1 4 5 小时，最高库水位为1 7 2 0 6 5 m ，闸门开度 约在3 5 m ，泄流量5 8 0 - - 一6 0 0 m 3 s ，库水位至反弧末端落差1 0 4 5 m ，流速约3 8 5 m s ，泄流时 发现出口水跃回缩，进水塔补气不足，启闭机室抽水猛增犹如狂风，风速达2 4 m s ，洞内轰鸣， 犹如雷响，振动之猛，在地下厂房中都能听见犹如放炮的爆炸声，停水后发现由于空蚀破坏， 加上高速水流的冲刷，使反弧末端造成破坏，坑深达4 8 m ，宽达整个底板，下游约2 0 0 m 长 新加3 0 c m 厚的混凝土板大部分被掀起冲走，一基岩也被冲蚀。 泄洪洞的破坏是由空蚀引起的，但发展到如此严重的程度，则是空蚀、动水压力和水流 冲蚀的综合结果。 1 2 6 二滩水电站空蚀破坏 二滩水电站设两条泄洪洞，其中1 撑泄洪洞于1 9 9 8 年投入运用，至2 0 0 0 年共安全运行2 6 31 小时。2 0 0 1 年1 群泄洪洞在高水位下连续运行了6 2 天，汛后检查发现，自龙抬头反弧段末端 掺气坎以下遭受严重损坏。2 0 0 2 年- 2 0 0 3 年，二滩公司根据设计院的修复方案进行了全面修 复工作。根据2 0 0 3 年修复后的水力学原型观测及检查发现，反弧末端掺气坎下游两侧边墙仍 均存在局部空蚀现象。而2 撑泄洪洞运行至今，情况尚比较正常。 1 2 7 佛士杜阿里亚坝溢洪道 巴西佛士杜阿里亚( f o rd oa r e i n ) 坝，混凝土面板堆坝高1 6 0 m ，溢洪道宽7 0 6 m ，全长 4 0 0 m ，为了防止空蚀，在溢洪道陡槽上设3 道掺气挑坎。由巴拉那大学进行水工模型试验研 究，采用1 ：5 0 ，1 ：3 0 ，1 ：1 5 及1 ：8 系列模型。试验结果表明，1 ：8 及1 ：1 5 的模型试验 结果与原型资料对比没有明显的差别，以第二道掺气坎水头8 3 0 m 估算，1 ：8 和1 ：1 5 两个 模型挑坎上流速分别为1 l m s 和8 m s 。由此表明，模型坎上流速要在8 m s 以上，方可使 缩尺效应的影响减到最小。该工程8 6 年建成运行，多年运行表明，掺气减蚀效果明显，达到 预期效果。 多年来国内外在1 0 0 多项工程上应用了掺气减蚀设施，都取得了减蚀效果。我国首先在 冯家山隧洞中设置了掺气减蚀设施，也取得了减蚀效果，后来在丰满、乌江渡，六都寨、鲁 布革、漫湾、小浪底等工程中设置掺气减蚀措施，都取得了显著减蚀效果和社会经济效益。 7 第一章绪论 1 3 本文主要的研究内容 本文针对溢洪道的一系列问题，在分析了前人对掺气水流研究的基础上，从试验和理论 上进行进一步的探讨和研究。对高水头、大泄量溢洪道挑坎式掺气槽的水力特性进行较为全 面的试验研究，从改善体型及工程实际角度出发，研究掺气坎坎高、空腔长度、通气量、掺 气浓度等之间的关系，从而探求适合高水头、大泄量挑坎式掺气槽的体型；同时对其水力特 性进行研究，揭示空腔掺气的机理。 主要的研究工作如下： 一1 ) 总结前人对掺气坎体型的研究成果和研究方法，提出对掺气坎的体型和掺气坎后空腔 形态研究中，存在的问题和有待发展的研究方向。 2 ) 对高水头、大泄量挑坎式掺气槽的水力特性，进行较为全面的试验研究，从而探求适 合高水头、大泄量式挑坎式掺气槽的体型。 3 ) 对试验得出的新型掺气槽体型的一些主要水流特性，进行了研究和探讨。 4 ) 针对天生桥一级水电站溢洪道挑坎式掺气槽的水流特性，与模型试验结合，对溢洪道 掺气设施进行了研究，经多方案的对比，提出了适合于本工程的掺气设施。 8 第二章溢洪道空化空蚀研究 2 1 溢洪道空化问题 第二章溢洪道空化空蚀研究 对于溢洪道泄槽段，如果泄槽内水流流速高，设计不太合理，将可能引起空化空蚀。特 别是龙抬头泄洪洞的反弧段附近和下平段很可能出现空蚀破坏。这一问题已成为当前研究的 重点，“七五”、“八五”攻关课题中都列有该问题的研究。空化的产生是由于水的绝对压力降 至水的汽化压力所致，当空化水流通过高压区时，空泡瞬时破灭而面对过流面造成的破坏称 为空蚀破坏，空蚀将严重影响工程的安全运行。 体现当代较高水平的二滩1 群泄洪洞在采用了掺气减蚀设施后，其反弧段下游仍出现了严 重的空蚀破坏，这不得不引起我们的高度警惕，反弧段下游为什么会出现空蚀破坏，这不仅 是二滩1 舟泄洪洞面临的问题，也是我国在建或拟建的其他大型泄洪洞( 如瀑布沟泄洪洞、紫 坪铺泄洪洞、小湾泄洪洞、糯扎渡泄洪洞及溢洪道等) 迫切需要回答的问题。 天生桥一级水电站溢洪道泄槽采用槽坎型掺气设施的掺气减蚀研究成果，在工程实际中 取得了预期的效果，获得的成功经验值得其他类似工程参考和借鉴。 空蚀现象最早发现于1 8 9 1 年【1 1 ，当时英国驱逐舰“达令号”在作高速试航时，发现其螺旋 桨推进器叶片有异常现象，经检查叶片被剥蚀，以后又发现水力机械( 水泵、水轮机) 的叶 片上也有类似于螺旋桨上的剥蚀现象。自1 9 3 5 年巴拿马麦登坝输水道进口发生严重空蚀以后， 这一问题引起了水工建筑物行业的注意。空蚀的发生，直接影响建筑物的寿命，甚至造成整 个建筑物的失事，随着水工建筑物空蚀破坏的不断发生，空蚀问题已成为水利水电工作者十 分关心和重视的问题。 空化现象是水流在常温下，当局部压强降低到临界数值以下，水的内部剧烈地产生空泡 的现象。美国的k n a p p 等人【2 1 ，将空化按物理学的性质及其和边壁的相对运动状态分为游移 空化、固定空化、旋涡空化和振动空化。空化现象所造成的影响主要是： 造成建筑物的空蚀破坏；改变水动力学特性，降低泄水能力；引起结构 物振动；产生噪音。 以球形气核为例来阐述水流空化的机理，当其周围的液体压强为 气时，该气核的平衡半径为r 。，核的内部是未溶解气体和蒸汽，相应 的分压强分别是如和p v ，液体表面张力系数s ，如把球形气核切成两半， 如上图所示： 图名 9 第二章溢洪道空化空蚀研究 则在静平衡时有： 或 ( 既+ n ) 万r 2 = 儿碱2 + d r r o $ 2 s p g p v 2 p + 瓦 r 2 瓦而2 s 习 ( 2 2 2 ) ( 2 2 2 ) 若这个气核和液体一起运动，当液流系统中气核所在处的压强小于圪时，核半径增加， 气核生长，这时核内的气体压强足按照气体状态方程也相应的变小。当流体压强低于p ，时， 核表面的液体蒸发，进入核内的蒸汽一般足以保持核内的蒸汽压强恒等于只，这样核内的总 压强始终高于p ，。气核的生长过程一开始是非爆发性的，但当液体压强p 比核内总压强 ( 弓+ e ) 小到一定程度时，气核的生长速度突然加快，这就是所谓的“爆发性”生长，或叫做气 核的惯性失稳，而相应的气核也就转化成空化泡。若在流场的某一位置，每秒钟有一定数量 的气核发展成空泡。则就认为该系统出现了空化现象。当空泡再随液流进入高压区( p 一只 0 的区域) 时，空泡就会收缩，称为“溃灭”，并伴有发声或发光的现象【刀。 水流空化数6 是衡量实际水流发生空化可能性大小的指标，其表达式为： 6 ：鱼二( 2 2 3 ) ，y 2 9 或 ，一2 叭g ( p 7 0 一号) = 等( 日+ 也圳一以， 式中：风为水流未受到边界局部变化扰动处的绝对压强，k p a ； 风为汽化压强； 7 为水的容重，k n m 3 ； v 为水流未受到边界局部变化扰动处的流速，m s ； g 为重力加速度，m s 2 ； h 为参考点的压力水柱； 玩为大气压力水柱； 日，为水的汽化压力水柱，随温度的变化而变化。 当过流边壁几何形状一定，水流空化数小到某一临界值时，边壁某处出现空化，这时的 1 0 第二章溢洪道空化空蚀研究 水流空化数称为该体形的初生空化数a ，。在一般的情况下：当o o ，不会发生空化水流，当 然不会发生空蚀；当a a ，产生空化水流，就可能发生空蚀。但是，如何来确定泄洪洞的初 生空化数o ；呢? 目前，确定初生空化数o 。的方法有：( 1 ) 用减压试验的方法测定o ，或用水洞试验测定o ，。 ( 2 ) 对某些特定的建筑物体形，可以应用与该体型相似的那些体型的研究成果，对a i 值进行 估算。( 3 ) 用最小压强系数来估算初生空化数a 。在确定出初生空化数后，就可以与空化数 比较来判断发生空蚀的可能性 7 1 。 空蚀是指空化水流通过高压区时，空泡瞬时破灭而对过流面造成的破坏。人们对空蚀机 理的研究，迄今已有多年的历史。从1 9 1 7 年r e y l e g h 的“论液体中球体空泡空蚀溃灭时产生 的压力”一文开始，逐步形成了压力波模式，指出了在空泡溃灭时，溃灭中心辐射出来的压力 波具有很高的压力。1 9 4 4 年，鉴于在一些不具备冲击波的情况下出现了空蚀现象，k o m f i e d 和s u v a r o v 首次提出溃灭过程中有微射流存在，提出了微射流模式。这一机理的分析意见认 为：气泡溃灭时发生变形，变形会随压力梯度及靠近边界而增大，这种变形有时会促成流速 很高的微型液体射流，靠近边壁时形成空蚀破坏。l a u t e r b o m 应用每秒百万次高速摄影记录了 在空泡溃灭末期形成的水微射流，这项成果支持了微射流理论。 上述研究成果初步表明了空蚀机理的概况。但必须看到，尽管近年来在空蚀机理研究方 面有一定的进展，但对空泡溃灭的最终阶段与边壁壁面之间相互作用的机理，仍然缺乏坚实 而令人信服的理论基础。 总的来看，空化空蚀的研究大致可分为四个方面【3 ，4 】：空泡动力学，空化初生机理，空蚀 一机理，空蚀的防护措施。 2 2 空泡动力学 空泡动力学是研究空化空蚀的理论基础。空泡动力学的研究，最早可追溯到1 8 5 9 年 h w b e s a n t 5 1 ，他首先研究了空泡的球对称运动，而其发展则是从上世纪四十年代开始，其中 研究得最多，也最完善的，是单个球空泡动力学。1 9 1 7 年r a y l e i g h 6 】首次建立了均匀、不可 压缩、无粘性、无界的液体中单个球形空泡溃灭时的泡壁运动方程，并获得了精确解。1 9 4 9 年m s p l e s s e t 7 进一步考虑了液体粘性、表面张力和空泡内部所含的非凝性气体等因素对空泡 运动的影响，完善了空泡动力学，建立了著名的r a y l e i g h p l e s s e t 方程，它一直是空泡动力学 第二章溢洪道空化空蚀研究 的基本方程。随后，一些学者【弘1 3 1 研究了液体可压缩性对空泡溃灭的影响，研究表明，在空 泡溃灭的最后阶段，可压缩性是十分重要的。 以上都是单空泡球对称动力学的研究，实际上许多因素，如空泡溃灭后期泡面不稳定， 固体壁面的存在，流场中的压力梯度等都使空泡不能保持球形。非球对称空泡动力学的研究 始于1 9 6 1 年，c e n a u d e t l 4 】应用摄动法首次分析了附着于固体边界的蒸气空泡溃灭过程，揭 示了微射流的冲击造成固壁空蚀的可能性。 实际上空泡溃灭时不是单泡，而是空泡群，到底相互间有什么影响是人们感兴趣的问题。 1 9 6