小浪底工程明流洞掺气减蚀设计研究

1、水力发电2001年第2期文章编号:055929342(2001)022002320423小浪底工程明流洞掺气减蚀设计研究朱春英,凌霄,刘杰,李刚(黄河水利委员会勘测规划设计研究院,河南郑州450003)关键词:明流洞;掺气;减蚀;掺气坎;体形设计;保护长度;摘要:小浪底枢纽明流洞水头高、流速大,根据类似工程的经验,、布置、保护长度等进行了充分的论证,中图分类号:B1工程概况小浪底水利枢纽是一座以防洪减淤为主,兼顾)等工程。供水、灌溉、发电等综合利用的大(1)型(枢纽泄水建筑物由3条孔板洞、3条排沙洞、3条明流泄洪洞、6条发电洞及正常溢洪道组成。3条明流泄洪洞是枢纽主要泄洪建筑物,承担枢纽的泄洪

2、、排沙、排漂等任务。根据水库运用要求,3条明流泄洪洞进口高程分别为195、209、225m;最大泄量分别为2600、2110、1790m3/s;最大流速分别为35、31、3115m/s。洞的掺气设施进行论述。1号明流洞全长1092174m,由进水塔、隧洞、泄槽及出口挑流消能段4部分组成。其中隧洞洞长630m,底坡i=0102,城门洞形,断面尺寸为1015m13m(宽高)。泄槽段长374164m;底坡i=011172;鼻坎段长1811m;挑角30,反弧半径为301595m。2掺气设施的设置要求(1)掺气设施应设置在容易产生空蚀部位的上游;(2)掺气设施应有足够的通气量,保证水流有足由于1号明流洞

3、流速较高,设计采用了掺气设施,在泄槽部位设置了7道掺气坎;2、3号明流洞除泄槽末端流速超过30m/s以外,其他部位流速均小于20m/s,属于可设掺气可不设掺气的范围,为了防止水流扰动的影响,没有设置掺气设施。按小浪底咨询专家的意见,在2、3号明流洞泄槽部位需分别设置7道和6道掺气坎。模型试验证实,2、3号明流洞大够的掺气浓度;(3)在掺气设施的保护范围内,临近保护面的掺气浓度不低于3%4%,特别高的部位不低于5%;(4)掺气设施对水流流态无不利影响;(5)附近的水层底面或空腔内不出现较大的负收稿日期:2000211220),女,河南荥阳人,教授级高工,从事作者简介:朱春英(1939),男,河南

4、淅川人,高级工程师,从水工建筑设计工作;凌霄(1963),女,安徽宿州人,工程师,从事事水工建筑设计工作;刘杰(1969部分掺气坎效果不佳。在招标设计阶段,根据世行水力学专家的意见(见后),将1、2、3号明流洞的掺气坎分别改为4道、2道和2道。施工设计中又将2、3号明流洞掺气坎取消。因此本文仅对1号明流水工建筑设计工作1 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 24水力发电2001年第2期图11号明流洞纵剖面1压;(6);(7)在宣泄设计流量以下各级流量时,通气空腔4掺

5、气设施的位置选择及保护长度的确定411掺气坎的位置选择保持稳定,并应防止通气孔和掺气槽堵塞,以保证通气顺畅。小浪底1号明流洞最大水头80m,最大流速35m/s,水流空化数012013,尤其是高含沙水流磨损在初步设计时,曾研究在1号明流洞洞内设掺气坎,并进行了浑水模型试验,由于洞内水深较大,掺气效果不佳,而且,坎高沿程增加,洞内水流扰动较大。因此,在优化设计中取消了洞内掺气坎。确定在泄槽中水流突变处、反弧段上游、泄槽陡坡段水流流速大于2226m/s、水流空化数小于013的范围内设置掺气坎。首道掺气坎的位置一般情况下根据断面流速、初生空化数、佛氏数和底坡边界综合考虑确定。沃尔卡特(1986年)建议

6、第一道掺气坎处的最小佛氏数Fr为4。1号明流洞在桩号0+720m为变坡点,在正常高水位250m时,V=25m/s,水流空化数=0155;在最高库水位275m时,V=2917m/s,水流空化数=0141,佛氏数Fr=313。根据工和空蚀的混合作用对建筑物的损害更大。为了减免空蚀破坏,在泄槽范围内采用了掺气设施。3掺气设施的形式选择311掺气设施的布置形式选择1号明流泄洪洞水头高、泄量大、流速高、含沙量大,底部气蚀的可能性最大,为了防止底板气蚀,而且又具有较好的水流流态,选用底部掺气形式。312掺气设施的结构形式选择掺气设施的结构形式有掺气挑坎、掺气跌坎和掺气槽。考虑到小浪底水库含沙量较大,采用掺

7、气槽或与掺气槽组合形式,存在泥沙淤堵问题,且槽内淤积物不易清除,影响通气效果。若采用单纯的挑坎或跌坎,由于坎高较大,对泄槽的水流扰动较大。为了减少泥沙淤积的影响,并获得较好的水流条件,选用挑坎和跌坎相结合的组合形式,两侧墙上设通气孔,引至坎底部进气(见图2)。程实践经验,该处水流在高流速作用下易脱离边界,产生空蚀。因此,将第一道掺气坎设在底坡变坡处;最后一道坎布置在反弧段鼻坎上游桩号1+060m处;在首坎与末坎之间按其保护长度在优化设计中布置了5道坎,共计7道坎;在招标设计阶段将7道坎减为4道坎;即减去了2、4、6号掺气坎。412掺气坎的保护长度许多试验研究和工程实例表明,当水流中掺入 199

8、4-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 朱春英,等:小浪底工程明流洞掺气减蚀设计研究表11号明流洞掺气坎主要参数坎号123425桩号/m0+7200+8300+9501+060掺气坎高/m挑坎高跌坎高014016014014014014013013挑坎坡度-18-18-18-18保护长度/m5512011032174最大通气量/(m/s)53125312531228918通气孔尺寸/m22(115110)2(115110)2(115110)2(214018)注:表中的1、2、

9、3、4号掺气坎分别对应于原1、3、5、7号掺气坎。1%8%的空气,即可减轻或防止空蚀破坏,当掺气浓度达8%时,一般情况下可完全防止空蚀破坏。临界免蚀掺气浓度约2%左右。掺气坎的保护长度,一般情况下,坎下游为反弧段的约为70100m;坎下游为直线段的约为170200m。如果上述距离内底部掺气深度满足不了设计要求,可在其中间增设掺气坎。1号明流洞泄槽掺气坎的保护长度按崔陇天根据经验公式和工程类比确定,最终依靠水工模型试验验证。国内已建工程掺气坎的高度在7685cm之间,坎坡在15115之间(其中泄洪洞多采用18110)。小浪底明流洞的坎高根据时启燧等提出的临界坎高确定。临界坎高即是保持过流壁面上出

10、现稳定空腔,为了通气良好,014m,跌坎高6其中挑坎高013m,跌坎高118,挑坎挑角70730。在坎坡和据原型和模型提出的经验公式估算,约为5060m(见表1)。按其保护长度在泄槽布置了7坎。施工阶段将2、4、6、5,观测,以总结经验。陡坡交界处采用反弧连接,反弧半径10m,夹角70730。跌坎底部和坎下陡坡相连(见图2)。6通气量和通气孔面积设计611通气量估算5掺气坎的体形设计511掺气坎的设计水位通气量的大小和泄流量、流速、水深、掺气坎尺寸和水舌参数有关。对于同一个坎高来讲,泄流量越大,流速越高,挟气量越大;对相同流量和流速来讲,掺气坎越高,空腔长度越长,挟气量越大;对于同一个流量,流

11、速越高,空腔长度越长,挟气量越大。为满足各级水位、流量下的通气要求,小浪底明流洞掺气坎的通气量按最高水位27510m、最大流量2608m3/s进行估算,估算方法采用韩立的计算图计一般情况下,水库的最高洪水位和最低水位出现的机率是比较少的,正常高水位出现的机率较多。如果掺气坎按设计洪水位或校核洪水位控制设计,则流量大、流速高,相对设计坎高较低,在低水位运用时,不能很好地发挥掺气作用;如果采用低水位控制设计,则流量小、流速低,相对设计坎高较大,在其以上各级水位运用时,掺气坎均能很好地发挥掺气作用,但由于坎高较大,在中、高水位运用时,坎下水流紊乱,水舌对底板衬砌的冲击力较大,脉动压力也大。为了使掺气

12、坎既能发挥良好的掺气作用,又能保持较好的流态,使底板上的冲击力和脉动压力不致过大,1号明流洞掺气坎的体形按正常高水位250m作为控制工作状态进行设计,以确保掺气坎在250m以上水位能够充分发挥掺气作用,在250m以算。估算结果见表1。612通气孔面积设计通气孔的面积应能保证在各种泄洪条件下,掺气坎的挑射水流不致封堵通气孔,以保证通气无阻,并使掺气沿泄槽横向均匀分布,以利形成稳定的空腔。为此,通气孔面积按275m水位时的最大通气量设计,通气孔的风速采用50m/s。通气孔面积见表1。模型试验中实测通气井内最大风速为42137m/s,小于设计风速。下水位也能够形成稳定的空腔,较好地发挥掺气作用。51

13、2掺气坎高和坎坡的确定7试验研究结论为了验证掺气坎设计的合理性,进行了140的目前还没有坎高的准确计算方法,多数工程根 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 26水力发电2001年第2期单体水工模型试验。试验结果表明:7道掺气坎均能很好地发挥作用,所选的掺气坎角度是合理的,既能达到人工掺气的目的,又不致于过大增加衬砌的动水压力及加大浑水的磨蚀作用;所拟定的掺气坎间距也是合理的,能保证陡坡衬砌水流底部掺气量大部分浓度大于6%7%,起到免蚀作用;陡槽上水流较紊乱,自掺气现

14、象也较明显。由于挑射水流的脉动,掺气坎后水舌落点附近脉动压力值较大,一般达(0109011)V2/2g,属低频脉动,离挑坎较远处,脉动压力下降为(01040106)V2/2g;远较一般急流脉动形成的脉动压力大,设计时已予考虑;掺气对防止气蚀破坏是有利的,但由于设置掺气坎后,将造成水舌对建筑物底板的冲刷作用,在高速水流作用下,应注意含沙水流的冲蚀问题。但小浪底工程为多泥沙水流,设置掺气减蚀设施对水流的冲刷磨蚀必须重视。希望兼顾考虑空蚀、冲刷和磨蚀,合理选择掺气坎体形和尺寸,使空气既能进来,又能防止不利的水流冲击,尽量使水流平缓。根据世行特别咨询专家的意见,结合水工模型试验,招标设计中将1号明流洞

15、的7道掺气坎减为4道,分别设在桩号0+720、0+830、0+950、1+060m(即原设计的1、3、5、7号坎)。2号明流洞由原设计的7道掺气坎减为2道,3号明流洞由原来的6道掺气坎减为2道。施工设计中,2、3号明流洞的掺气坎全部取消。9结语水流掺气是减免水工建筑物表面气蚀的有效措施,泄水建筑,因此对3条、从有,要加强原型,总结多泥沙河流掺气设施的成效及对冲刷磨蚀的影响,为今后的工程设计和运用提供经验。8世行咨询专家意见1991年4月小浪底工程特别咨询专家组第二次会议上,水力学专家认为:蚀是主要问题,空蚀不必太担心置67道掺气坎,(上接第11页)确定变更造成的全面影响。为了减工程项目建设全过

16、程的总(统)承包,通常采用总价合同,即由承包商“总价包干”的形式,相应的合同条款中规定,总(统)承包商要承担工程建设全过(与工程施工合同条款中定义程中,除“业主的风险”的“业主的风险”几乎相同)以外的所有风险,因而,少争议,变更的费用及其结果应当事先达成协议。而且,如果业主代表要求承包商就变更递交建议书而随后又决定不进行变更,则承包商为此而花费的费用,包括设计服务费在内,有权得到补偿。工程建设项目的设计建造合同模式,即工程项目建设全过程的总(统)承包,设计和施工均是承包商的责任,这种安排可以减少由于设计与施工之间的责任分担而带来的问题。设计及建造这种形式还有利于节约,不仅反映在价格上,而且还反

17、映在达到特定的质量所需的代价上。由于设计与施工有一定程度的搭接,这种搭接可能缩短工程项目建设的总的周期(指从编制招标文件至工程竣工),因而业主能从包干报价、承包商对工程(包括设计与施工)的整体责任以及潜在的节约(费用和时间)等方面获得益处。另外,由于承包商对工程建设的全过程负责,因而避免了业主过多地介入工程建设过程,这对于自身缺乏对工程建设的管理力量和能力的业主似乎更为有利。然而,业主仍然需要拥有咨询专家的技术服务,以保证业主的要求在招标文件中得到考虑,并在实施过程中得以实现。总(统)承包商要承担的风险,比仅承担工程施工的承包商承担的风险大得多。目前,国内的保险公司尚未开展“设计保险”这项业务“工程设计”,尚无法投保,承包商尚不能把设计的风险转嫁出去,而只能在投标报价中考虑。对工程项目设计、建造全过程的总承包,关键是要选择好有经验、有能力(包括资源条件)的承包商。目前,国内许多