瀑布沟水电站放空洞掺气设施试验研究

瀑布沟水电站放空洞掺气设施试验研究

1放洞穴及掺气减蚀设施设计瀑布沟水库位于四川省汉江区和甘洛县。这是一个集能源和防洪、沙子保护等综合效应的大型节水工程。总建筑面积2300m，最大水库186m，总库额50.64亿3m。该枢纽主要由土壤墙、堆石坝、沿海洪道、漏水洞、盲孔、左岸地下车间和尼日河引水工程组成。放空洞布置于右岸,为一条有压接无压隧洞,修改后的放空洞总长1312.92m.工作闸门前为有压洞,洞径9m,长597.15m,后接一陡槽无压隧洞,断面为7m×11m(宽×高),为城门洞型式,长度715.77m(桩号597.15～1312.92m).放空洞最大泄量约1500m3/s(对应库水位805m),工作闸门前的有压洞洞内最大平均流速约22.5m/s,工作闸门后的无压洞洞内最大平均流速约25～34m/s.根据掺气减蚀设施设计的一般原则,当混凝土过流面上流速在30m/s左右时,可根据具体情况确定是否设置掺气减蚀设施;当流速大于35m/s时,应设置掺气减蚀设施.因此,有必要对放空洞无压段掺气设施的合理布置和形式进行研究和设计,以便有效地解决放空洞的掺气减蚀问题.本文结合实验成果,对该放空洞无压段掺气减蚀设施的体型和水力特性作了简要的分析和论述.2混合气侵蚀预算设计2.1掺气减蚀措施比选参考类似工程经验,首先选择在中闸室出口设掺气设施作为为掺气源.但它的保持长度不足以包括整个明流段,应另外增加掺气设施.按一般的要求,每个掺气设施保护长度约200m,其后应再设两道掺气坎(槽),考虑到此放空洞并非经常使用,且流速相对不是特别大,可以通过合理选择掺气设施位置而达到掺气减蚀要求.通过多方案比较,在桩号为1043.26m处(距工作闸门446.11m,距出口挑坎起点269.66m)设置掺气设施较为理想,此处流速较大,发生空蚀破坏的可能性增加,而同等条件下也易于形成掺气空腔,相应的保护长度对下游明流遂洞段已满足要求(见图1).2.2突增突涨掺气方式的确定在较高水位时中闸室出口流速较大,如果水流经过突扩突跌下泄时,四周均与边壁脱落,形成跌坎射流,射流与两侧的边壁之间形成侧空腔,而跌坎下游射流的下方形成底空腔,侧空腔与底空腔相连,形成空气通道,射流底部和两侧由于紊动在空气与水的界面发生水气交换,形成掺气层.从而能对明流洞下游底板和边壁起到减蚀保护作用.故在中闸室出口采用突扩突跌的掺气形式.经多个实验方案的比较,最终选取的掺气形式是:闸室出口洞径由6.5m突扩为7.7m,下设高度为1.5m的跌坎,坎后接40m长坡降为0.2的陡坡,闸室出口前在洞侧加沿水流方向厚度由0m渐变为0.1m的折流器(见图2).另外,为防止水翅上溅,在闸室出口后10m高处平行底坡加设长度为12.24m的出口防波条.在未设掺气设施一坡到底的情况下,放空洞无压段的底坡为0.075,在中闸室出口处设掺气跌坎后坡降将小于此数.在坡度缓,流量大的条件下,如何让水流形成稳定空腔,充分掺气,掺气设施前后水流平稳衔接且控制水深增加成为关键.参考相关工程实践,经多实验方案综合比较各种掺气设施组合形式,最后采用挑坎后接陡坡的掺气形式,即高为0.6mU型挑坎后接长度为40m坡降为0.15的陡坡,该掺气形式能在各工况下取得较好的掺气效果(见图3).2.3水位110m时掺气坎下空腔的形成中闸室闸室出口在库水位790m以下时,水流流态稳定,水面波动小,无拍顶现象;库水位为805m时,由于陡坡段延长,水舌跌落点在陡坡上,因此相对于其他比较方案而言,拍顶现象有明显减轻,同时在高水位时,防波板作用明显,挡住了两侧水翅的上溅.库水位750m时,中闸室坎下掺气空腔未能形成,坎下为水气混合物,库水位759m时,掺气坎下空腔开始形成;水位770m时,中闸室空腔长度为10m,随着水位增加,空腔长度也相应增大,805m水位时,空腔长度为21m;水位大于770m时,由于掺气空腔稳定且长度较大,水流掺气充分.无压洞中部掺气坎处,尽管水舌较厚,但由于采用了U型挑坎,该形式的挑坎较连续型直线挑坎具有明显改善流态的作用.U型挑坎坎高、射流出射角沿垂直于洞身轴线方向连续变化,使射流落水点前后错开,空腔长度从小到大有一定范围.最小空腔长度可能小于临界空腔长度,产生回溯水流,而最大空腔长度大于临界空腔长度,在其作用下,回溯水流随射流拖曳而下,使空腔积水减小.同时有坎下接0.15陡坡,这样使跌落水流衔接平稳,无水翅产生.通过各种工况的实验,证实U形坎下接陡坡的掺气组合能在所有工况条件下都形成较为完整的空腔(空腔长度最小为16m(750m水位),最大为21m(790m水位)),保证了掺气设施正常运行,提高了通气效果.同时由于掺气充分,水流中空气含量明显增加,因此水深增加也较为明显.2.4工程实例测量和模型实验两道掺气坎下两边侧壁临底设计1.5m×1.5m通气孔,与边墙外壁的垂直通气管相连,垂直通气管再连通至明流洞洞顶,从两侧对掺气空腔进行补气.试验中用EY3-2A电子微风仪测量通气孔中风速的变化.通气总量由在中闸室出口设置的交通廊道(兼做通气廊道)测得的风速推求.测量结果见表1.通气孔通气量随库水位升高而增大.在各水位条件下,交通廊道内平均风速为2.3～11.9m/s.根据相关文献,考虑缩尺效应,原型风速应比模型实验值有一定的增大,但满足规范规定的风速V≤60km/h的要求.掺气浓度采用电阻式掺气浓度仪测量,测量结果见表2.库水位为750m时,放空洞的掺气浓度最小,掺气坎前的掺气浓度仅为0.9%.因库水位750m时的放空洞流速较小(20m/s左右),尽管掺气浓度小,也不会发生空蚀破坏;其余水位下的均大于3.7%,一般认为泄水建筑物抗空蚀破坏的临界掺气浓度为3%～4%,因此,可以认为在其余水位不会发生空蚀破坏.2.5水位空蚀的发生为判断明流洞内各关键断面是否会发生空蚀破坏,试验计算了水流空化数.空化数计算结果见表3.从表3可以看出,桩号681.15处的水流空化数在790m水位和805m水位时分别为0.25m和0.26m,但该断面在中闸室反弧后,在上述2种水位条件下水流掺气充分,空蚀不会发生.其余各断面的最小空化数均出现在805m库水位,掺气坎顶的水流空化数为0.28,掺气坎下游陡坡反弧末端的最小空化数为0.30,出口挑坎末端的水流空化数为0.30.李建中和宁利中认为,泄水建筑物的空蚀破坏多发生在水流空化数小于0.15的情况下,而且掺气坎后的掺气浓度最小也达到4.5%,因此,掺气坎及下游隧洞不会发生空蚀破坏.3掺气减蚀方案比尺计算通过模型试验可以看出,洞内设置两道掺气设施后,能使掺气坎后在较高流速时形成稳定的通气空腔,保证向下游水流供气,高速水流达到一定的掺气浓度后,就能有效地防止或减少气蚀的破坏.类比国内外大量的同类已建工程,证明掺气减蚀确实是一种经济有效的技术措施.同时,水流充分掺气后,对水流流态和水深有一定