小底坡泄洪洞的掺气减蚀

小底坡泄洪洞的掺气减蚀

1小底坡泄洪洞掺气设施研究通过50多年的研究和工程实践，混合动力侵蚀技术在防洪通道等输水设备中得到了广泛应用。根据泄洪洞底坡大小的不同,掺气设施的研究大致可以分为大底坡掺气设施和小底坡掺气设施两类。对于大底坡泄洪洞上掺气设施的设计,已经取得了较多经验。但对于一些“龙抬头”泄洪洞,其反弧段下游底坡往往很小,如二滩水电站两条泄洪洞底坡分别7%和7.9%;还有一些深式泄水道,尤其是底孔,进口高程低,布置受限制,常采用缓坡甚至平坡,如龙羊峡水电站泄水底孔明流段底坡i=3%,龙滩水电站底孔底坡i=0。研究表明,小坡度泄洪洞上的掺气设施,往往存在“空腔回水”问题,影响掺气设施的掺气效果,甚至有可能淹没空腔,使掺气设施失效反而成为空化源。因此,避免空腔回水是小底坡泄洪洞掺气设施设计面临的重要难题。小底坡泄水建筑物的掺气设施,已有不少的研究,但仍然存在一些问题。Chanson认为:根据结构型式的不同,当Fr低于某个临界值或者水深与跌坎高度的比值大于某个特征值时,掺气空腔将被淹没;刘俊柏结合龙羊峡底孔泄洪洞小底坡明流段的掺气减蚀研究,提出了八字型挑坎加排水设施和门槽式突扩挑坎加排水设施两种的方案;庞昌俊等针对“龙抬头”明流泄洪洞小底坡的掺气减蚀,探索了一种U型槽;孙双科等结合小湾工程泄洪洞的掺气减蚀进行了研究,提出了凹型掺气坎;王海云等从掺气坎后空腔区水流的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎,在结合高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙的掺气减蚀,提出了一种突跌凸型和侧墙加贴角联合作用的掺气坎;支栓喜为了提高掺气设施在高水头、低佛氏数条件下的掺气性能,提出了齿墩式掺气坎等等。可见,为了在小底坡条件下获得良好的掺气效果,前人对传统的掺气设施进行了很多改进,但这些研究主要集中在上游掺气坎型式的改善,对挑坎下游空腔“回水源”处的型式研究得较少。本文结合龙滩工程平底底孔明流段掺气减蚀设施,通过在下游加贴坡,对消除平底泄洪洞掺气设施空腔内的回水等方面进行了理论分析和试验研究,获得了比较稳定的空腔和较好的掺气性能。2理论分析2.1坎上射流冲击点三种方向的速度分量研究表明,掺气坎后空腔回水的存在与上游坎射流冲击角有密切关系,冲击角越大,空腔积水深度越大,回水越明显。对设计合理供气正常的掺气设施,空腔负压对空腔形态无明显影响,空腔形态主要取决于几何边界条件和来流水力条件,在计算时忽略空腔负压对射流冲击角的影响。图1为平底掺气设施射流冲击角计算简图。设挑坎末端射流平均速度为V0,平行于挑坎坡面,则掺气坎射流沿x方向和y方向的速度分量分别为V0x1=V0cosφ和V0y1=V0sinφ。当射流离开挑坎末端,沿x方向和y方向的加速度分量分别为0和-g。粗略假设挑射水流为刚体,根据刚体抛射理论,坎上射流到达泄洪洞底面所需的时间t1可以由轨迹方程得出:式中:tr为上游挑坎高度,ts为上下游错距,φ为挑角。从式(1)可得:射流冲击点流速在x方向的速度分量Vtx1和y方向的速度分量Vty1分别为:而平底掺气设施坎上射流与泄洪洞底面冲击角为:图2为常规掺气设施射流冲击角计算简图。设挑坎末端射流平均速度为V0,平行于挑坎坡面,则坎末射流沿x方向和y方向的速度分量分别为V0x2=V0cosφ和V0y2=V0sinφ。当射流离开挑坎末端,沿x方向的加速度分量为gsinα,沿y方向的加速度分量为-gcosα。设常规底坡掺气设施射流冲击点流速在x方向和y方向的速度分量分别为Vtx2和Vty2。可得常规底坡掺气设施坎上射流与泄洪洞底面冲击角为:其中:比较式(5)和(6),因为0<α<90°,有0<cosα<1,故即在仅底坡不同其他参数相同的条件下,平底掺气设施的射流冲击角比常规底坡掺气设施的射流冲击角大。可知,平底掺气设施相比于常规底坡掺气设施更容易产生空腔回水。2.2坎上射流至泄洪洞底部贴坡图3为挑坎下游加设贴坡的掺气设施射流冲击角的计算简图,掺气挑坎下游底板设有三角形贴坡,坡高为td,下坡角为α,根据来流条件和掺气坎的尺寸,选择合适的贴坡尺寸,使掺气射流与下游固体边界的冲击区位于贴坡的正坡面上。坎上射流流速及加速度分解与平底掺气设施相同,则坎上射流到达泄洪洞底面所需的时间t3可以由轨迹方程得出:式中:tα为下游贴坡交点A处的贴坡高度。从上式可得t3为:又因为Vtx3=Vtx1,所以射流冲击区射流流速与x方向的夹角挑坎下游加设贴坡的掺气设施的射流冲击角即挑坎下游加设贴坡的掺气设施射流冲击角比平底坡上常规掺气设施的射流冲击角明显小得多,因而,加贴坡后比原平底掺气设施具有更好的抑制空腔回水的作用。3试验与研究3.1重力相似律设计试验以龙滩水电站底孔泄洪洞为研究对象,体型结构见图4。模型按重力相似律设计,几何比尺λ1=30,其它物理量比尺为:λv=λ10.5=5.48;λQ=λ12.5=4929.50;λH=λ1=30;λP=λ1=30;λn=λ11/6=1.76。3.2来流雷诺数计算ws试验结果计算来流雷诺数为vh/vh,则掺气坎回回采后平均流速a模型试验最高水头3.00m,相应于原型90.00m,此时模型流量0.28m3/s,试验水温t=5℃,水流的运动黏度v=1.52×10-6m3/s,掺气坎前来流平均流速为6.71m/s,水深为0.28m,则来流雷诺数Re=Vh/v=1.24×106,处于阻力平方区,可不考虑Re的影响,同时坎前平均流速可以满足掺气相似条件。3.3降低挑坎下游高差工程原设计底孔掺气设施上下游底板高程相等,试验发现:由于平底底板的固有特性,空腔回水严重,淹没通气管道,在各级水位条件下几乎不能掺气。加高挑坎坎高对坎后空腔稳定有利,但坎高太大将导致射流水面局部壅高并可能冲击闸门支座,下游流态恶化。通过试验,选取上游挑坎高为0.40m。为获得较好的掺气效果,在工程允许的条件下,将挑坎下游底板降低0.50m,增大挑坎上下游高差。本次研究进行了四种方案的对比试验研究,各方案掺气设施的型式和尺寸图5。其中,No.1为挑跌坎结合方案;No.2～No.4为坎槽结合方案,并在下游设置不同型式贴坡的方案。3.4斜截面贴坡对纵向通气抗拔力作用试验表明,No.1由于挑坎下游底板水平,坎上射流与下游固体边界冲击角比较大,射流落水点产生大量回水,间歇性到达挑坎下游边缘,淹没通气管并冲击射流底面。虽然掺气空腔较大,但不稳定,掺气设施处于间歇性通气状态。为克服坎下回水,No.2采用了“下游贴坡”,即在水舌落点范围内加贴坡,减小上游坎射流与下游固体边界的冲击角,抑制空腔回水产生。考虑到当下泄水流达到一定流速时,下游贴坡前缘不在水舌落点范围内,贴坡前缘反而会减小空腔体积,影响通气效果,同时,削去下游贴坡前缘可以增加有效挑坎高度。因此,No.3和No.4进行了两种不同的削去下游贴坡前缘的对比试验。试验表明:No.2～No.4回水明显减少,No.4在各来流工况均能保证空腔稳定。3.5方案2:单宽流量试验中采用Testo450型热线风速仪,量测通气管中的风速变化,并根据风速推求通风量,原型通气管通风量随单宽流量的变化见图6。可见,各方案通气管通风量均随单宽流量的增大而增大;相对No.2和No.3而言,No.4通风量明显增大。同时,用进气量和流量的比例变化,得到的原型气水比β(β=Qa/Qw,式中Qa、Qw分别为气流量和水流量)和单宽流量的关系如图7。可以看到:β随q的增大而增大;相对No.2和No.3而言,No.4水气比β有明显提高。由图6和图