高等水工建筑物

1、高等水工建筑物 高水头泄水建筑物专题,水工结构工程专业,一、引言高坝泄洪安全问题,一、引言高坝泄洪安全问题,近20年来我国的水电事业蓬勃发展, 一大批接近300 m或超过300 m的高坝或超高坝都要相继开始建设。 我国的水能资源多位于西部的高山峡谷地区,这些工程在泄洪消能方面的共同特点是“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”, 这无疑增加了泄洪消能问题的难度。,一、引言高坝泄洪安全问题,1.特点：,水头高。坝高200300m 的大坝,其泄流流速都已超过3040m/s ,有的甚至于达到50m/s 以上。高速水流会引起的一系列问题,如空化空蚀、脉动与振动、掺气与雾化等,流量大。我国

2、的高坝泄水建筑物的泄水流量多数都超过10 000m3/s , 溪洛渡和向家坝两个工程的泄流量达4000048000m3/s , 三峡水利枢纽泄量达到80000m3/s 以上,这在国外是没有的,一、引言高坝泄洪安全问题,1.特点：,泄洪功率大。泄洪功率是上下游水头差和泄量的函数,据统计到目前为止,国外的水利工程中最大的泄洪功率是20 世纪80 年代建成的伊泰普和图库鲁伊电站（巴西）,约为50 106 kW, 而我国近年来建成的一些电站如二滩、三峡等达到70 106 kW,已大大超过了国际水平,一、引言高坝泄洪安全问题,1.特点：,地形复杂。建坝地形复杂带来了泄水建筑物布置的困难, 有的坝址河床很

3、窄, 大部分工程的泄洪单宽流量已远远超过了规范所规定的200m3/sm。有的工程采用特殊消能工后,其单宽流量可达到600m3/sm。此外,有的工程由于地形影响,河床虽很宽,但是流量大,尾水深,形成了很难消能的低弗劳德数水流。,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,据统计有近1 /3水利水电工程的泄水建筑物出现不同程度的破坏。,坝身泄洪：其下游消力塘防护结构的破坏是最常见形式，消力池底板的严重破坏：,萨扬水电站（前苏联）“俄罗斯萨扬水电站817事故的教训与启示 ” 五强溪（湖南沅陵）“五强溪水电站右消力池底板块失事分析 ” 鱼塘水电站（贵州遵义 2006）,一、引言高坝泄洪安全问题,2

4、.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,胡佛拱坝（美国科罗拉多河） ：泄洪洞的空蚀破坏(破坏混凝土及岩石约达5 000 m3 ),一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,龙羊峡水电站：底孔侧墙和底板均遭到严重破坏(破坏面积约达500 m2 ),一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,刘家峡水电站（甘肃永靖 ）：泄洪洞反弧段的多次空蚀破坏,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,岸边泄洪洞： 空蚀破坏是最常见的形式,二滩水电站：1#泄洪洞的空蚀破坏(破坏混凝土及岩石约达20 00

5、0 m3 )等,一、引言高坝泄洪安全问题,2.泄水建筑物的破坏,其他型式的泄洪安全问题,美国Texarkana、Navajo坝和我国万安水电站的消力池导墙的流激振动破坏 日本和知坝、美国麦克莱伦克尔阿肯河、我国响洪甸、李家峡等水工闸门的破坏 我国大化、乌江渡、青铜峡水电站、前苏联基辅、伏尔加、萨拉托夫等水电站都出现的强烈泄流振动现象 龙羊峡、李家峡水电站等都发生过的泄洪雾化引起的滑坡,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,1.传统泄洪消能型式,底流消能,挑流消能,面流消能,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（

6、空中碰撞）,风滩水电站湖南沅陵，我国第一座空腹重力拱坝，最大坝高112.5m ，34800m3/s ，170m2/s,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,风滩水电站湖南沅陵 共有13孔,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,20 世纪50 年代，广东从化的流溪河拱坝 7 孔间隔高低大差动挑坎,水舌出坎后亦有左右扩散、交叉并碰撞作用,由于是山区河流,下游无尾水,经多年运行,坝下游并未形成大的冲坑。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,白山重力拱

7、坝,吉林省桦甸县境内的第二松花江，三心圆混凝土重力拱坝，最大坝高149.5米，坝顶弧长676.5米，26,200立米/秒,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,大差动挑流消能型式（空中碰撞）,印度拉克瓦水电站,最大坝高204m,白山重力拱坝,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,窄缝式挑流消能型式（纵向扩散）,东风水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,窄缝式挑流消能型式（纵向扩散）,东风水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,窄缝式挑流消能型式（纵向扩散）,水布垭水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特

8、点,2.坝身泄洪,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,(a)基本型,(b) Y-I型,(d) X型,(c) Y-II型,基本型：潘家口 Y-I型：扩宽闸墩的尾部成三角形锲体，安康 Y-型：收缩起点的墩体保留一定的高度，五强溪和岩滩 X型:在Y型的基础上将宽尾墩底部切成一斜面，索风营,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,潘家口水电站宽尾墩挑流联合消能工,安康水电站宽尾墩消力池联合消能工,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,桃林口水电站宽尾墩消能工,五强溪水电站宽尾墩联合消能工,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和

9、布置特点,2.坝身泄洪,岩滩水电站宽尾墩戽式消力池消能工,宽尾墩消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,宽尾墩,WES溢流坝面,阶梯坝面,消力池,尾坎,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,福建水东水电站大坝,云南大朝山水电站大坝,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,宽尾墩+阶梯溢流坝消能型式（纵向扩散）,贵州索风营水电站,二、高水头泄水建筑物的

10、主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,二滩水电站,混凝土双曲拱坝,最大坝高240m,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,构皮滩水电站,电站枢纽由高225米的混凝土双曲拱坝、右岸地下式厂房、坝身表中孔泄洪及左岸泄洪洞等建筑物组成。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,构皮滩水电站,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,溪洛渡水电站,溪洛渡水电站枢纽由拦河坝 、泄洪、引水、发电等

11、建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610米，最大坝高278米,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,锦屏一级水电站,混凝土双曲拱坝坝高305米,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,小湾水电站,混凝土双曲拱坝，坝高292M,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,拉西瓦水电站,双曲薄拱坝,最大坝高250m,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,表孔+中孔+底孔挑流消能型式（空中碰撞）,白鹤滩

12、水电站,工程枢纽由拦河坝、泄洪消洪设施、引水发电系统等组成。拦河坝为双曲拱坝，高277m，坝顶高程827m,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,多股射流消能型式（消力池内三维碰撞扩散）,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,2.坝身泄洪,多股射流消能型式（消力池内三维碰撞扩散）,向家坝水电站,混凝土重力坝,最大坝高162米,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,洞塞式消能型式(孔板式内流消能工),在大型水电工程中,将导流洞改建成为泄洪洞具有很大的经济效益,由此而产生诸如竖井漩流式、突缩突扩式(洞塞式Throat-type Energy dissipa

13、tors 和孔板式Orifice Energy dissipators) 等多种形式的消能工。孔板式内流消能工目前已在黄河小浪底水利枢纽工程中成功应用,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,洞塞式消能型式(孔板式内流消能工),洞塞泄洪洞的基本布置型式,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,洞塞式消能型式(孔板式内流消能工),美国格兰峡坝的临时泄水孔和加拿大麦加坝的泄水底孔曾先后采用洞塞消能方案, 虽然其泄洪规模相对较小, 但其成功经验具有很高的参考价值。麦加泄水底孔于1973 年首次投入运行, 至1976 年4 月, 泄水底孔共使用了75 个星期, 最大

14、运用水头达167m。运行情况与设计和模型试验情况相符, 效果令人满意。特别是洞塞消能段, 经过数次检查证明, 没有受到任何空蚀破坏。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,竖井旋流式消能型式,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,竖井旋流式消能型式,四川沙牌水电站导流洞改建工程,提出由常规压力短进水口、引水洞与涡室连接的旋流竖井式泄洪洞结构型式，最大泄量245m3/s 。,溪洛渡泄洪洞泄量2700m3/s , 堰上水头3418m , 总水头220m。涡室直径20.0m ,竖井直径16.0m，泄洪洞断面尺寸16.0m 22.0m (城门洞型) 。由于尾水位

15、很高, 高出洞顶10m20m , 故洞内采取有压明流流态(水面上空气压力大于大气压) , 在出口段洞顶设两道减压排气井, 用来排气和削减明满流过渡段的压力, 避免出口发生气爆现象。研究表明, 洞内水面平稳, 气压稳定, 消能率达85 % , 洞内流速小于20m/ s。,小湾泄洪洞的涡室采取和溪洛渡相同的型式, 泄量1400m3/s , 堰上水头6410m , 总水头约14310m , 弧门尺寸610m 810m (宽高) , 涡室和竖井直径分别为1710m 和1314m。由于尾水位很高, 沿洞线设数条排气井, 洞内为有压水气混合流, 流态复杂未被设计采用。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置

16、特点,3.岸边泄洪洞,旋流泄洪洞水流绕洞轴旋转流动消能型式,这种形式的消能工在前苏联和印度进行了大量试验研究。大致可划分为沿全洞线旋流消能和部分旋流洞连接消力池消能两种形式,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,旋流泄洪洞水流绕洞轴旋转流动消能型式,印度特里水电站左右岸各有两条全线旋流泄洪洞, 其中左岸两条洞, 进水口为单孔溢流堰, 通过短引水洞同竖井连接。进口弧形闸门尺寸12m 15m , 堰上水头2010m , 最大泄量1820m3/s。从最高库水位至洞轴线总水头203.0m。直径12.0m 的竖井下部同直径1210m 的起旋室采用折线偏心相切连接。旋流洞长约1320m

17、 , 分两段: 上游段120m 长为圆形断面, 下游段为马蹄形断面。由于尾水位很高, 在起旋洞堵头端设直径3m 的排气井与高25m 处的气水分离室连通, 同时沿洞线布置6 道排气井通向洞顶的总排气洞。溢流堰与竖井为自由流, 掺气充分, 起旋室最大流速35m/ s , 底板最大压力水头170m。右岸两条旋流洞进水口为喇叭口形, 无控制闸门, 堰上水头4.8m。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,旋流泄洪洞水流绕洞轴旋转流动消能型式,俄罗斯罗贡水电站旋流泄洪洞进水口平面为扇形, 设三道弧形闸门。泄量1900m3/s , 总水头200m。竖井直径13m , 下同直径13m 的

18、起旋室偏心相切连接, 为了防止负压引起空蚀, 80m 长的旋流洞由直径13m 渐变到9m。在紧接旋流洞下游洞内开挖消力池与泄洪洞(原导流洞) 连接。,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,旋流泄洪洞水流绕洞轴旋转流动消能型式,黄河公伯峡水电站旋流式泄洪洞,二、高水头泄水建筑物的主要型式和布置特点,3.岸边泄洪洞,扭曲鼻坎挑流消能型式,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,消能防护安全性设计控制指标:,挑距（轨迹） 消能率 冲坑深度、宽度 底板冲击压力（时均压力、脉动压力及其分布） 速度（出坎流速、入水流速及入射角） 空化空蚀（坎型、初生

19、空化数、空化数） 振动频率（水流脉动频率、固体构筑物自振频率）,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,高坝泄洪中下游消力塘防护结构的破坏是最常见形式。提高消能防护安全性设计的主要措施: 其一是通过优化泄洪布置, 分散水流入水的能量, 提高消能率, 减少动水荷载； 其二是优化消能工体型； 其三是优化消力塘防护结构设计, 提高防护结构的抗力。,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,优化泄洪布置,坝身泄洪消能方式多采用深表孔挑跌流联合泄洪并结合下游水垫塘的泄洪消能形式。 为了有效减轻下泄水流对水垫塘底板的动水冲击压力, 须尽量分散下泄水流, 减小入射水流在水垫塘单位面积上的集中强度。往往坝身泄洪采用

20、表孔大差动及深孔挑流, 使下泄水舌纵向分层拉开, 单体横向扩散, 水流空中撞击, 减少对水垫塘的冲击压力。也可采用表孔为宽尾墩、深孔为窄缝挑坎的形式, 以获得窄长的下泄的表深孔水流流态, 表孔和深孔水舌空中相互穿插下落, 不发生碰撞, 不仅有助于降低泄洪雾化的强度, 而且可以水垫塘底板冲击动压减小。,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,优化消能工体型,消能工体型优化问题，涉及的主要内容：,主要控制目标：,流态的控制 冲坑深度（底板冲击压力）最小 挑距最大 不发生空蚀破坏（负压、流速）,几何尺寸,空间布置与组合,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,优化消力塘防护结构,高坝下游消力塘防护结构主

21、要包括3种形式： 平底板 反拱底板 护坡不护底结构,目前, 我国工程上采用的消力塘冲击压强控制指标是Pm 150 kPa和分布系数110,在相同的水力条件下, 底板上添加透水孔能够有效的降低底板上举力。,三、提高消能防护安全性设计的主要措施,优化消力塘防护结构,高坝下游消力塘防护结构主要包括3种形式： 平底板 反拱底板 护坡不护底结构,经研究表明护坡不护底消力塘的适用条件应包括: 一般应满足消力塘的底宽要大于水舌入水后的扩散宽度, 设计中往往忽略水舌的扩散宽度, 使边坡直接受到水舌的冲击, 造成边坡衬砌荷载增加、坡脚掏刷深度和塘底的冲刷深度增加; 消力塘底的冲坑深度和范围不应影响其它建筑物和边

22、坡的安全,四、高速水流水力学研究,四、高速水流水力学研究,水流脉动与水工建筑物的振动,研究脉动的基础是紊流理论、随机理论、流固耦合理论、结构的流激振动理论。,掺气水流,高水头泄水建筑物中的水流，由于水头高、流速大，在一定条件下常会掺入大量空气，形成掺气水流。可分为自掺气水流和强迫掺气水流。 研究掺气水流的基础是水气两相流理论。 掺气减免空蚀的研究对高水头泄洪建筑物的泄洪安全尤为有效。,四、高速水流水力学研究,空化与空蚀,空化与空蚀最早是在航海界发现的，到上世纪30年代才在水工建筑物上发现。 水工建筑物的空化与空蚀，在很长时间内，侧重于过水建筑物合理体型的设计、抗空蚀材料的研究、在施工中控制不平

23、整度。但问题一直未得到解决，直到美国在上世纪60年代首先用掺气减蚀获得成功。 研究空化的基础是气核理论、空泡运动理论，研究空蚀破坏的基础是结构初生空化数理论及材料抗空蚀强度、水流的掺气理论。,四、高速水流水力学研究,泄水建筑物的消能防冲,明槽急流控制的研究,岸边溢洪道、明流泄洪洞。急流冲击波的控制措施的研究。 研究脉动的基础是急流冲击波理论。,泄水建筑物紊流边界层的研究,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,高速水流脉动,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,高速水流脉动,作用在建筑物边壁上的紊流压力脉动与水工建筑物的振动、空蚀、消能与防冲等问题密切相关：,建筑物边界

24、上的动水荷载，例如高水头溢流式厂房及泄洪槽在高速水流作用下边壁的脉动荷载问题、水跃区内护坦板及导墙的动水脉动荷载，都与这些建筑物的振动和稳定问题有关。,瞬态空化水流与紊流噪声问题。如固体边壁存在时均负压时，由于脉动压力而出现瞬态空化水流,岩石冲刷机理。,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,高速水流脉动,水流的脉动压力对泄水建筑物主要产生三种不利影响：,增大建筑物的瞬时荷载，提高了对建筑物强度要求。特别是建筑物基础或岩石裂隙处产生的脉动压力，会使动水压力加大，导致消力池隔墙倒塌，基础底板掀动冲走等。,可能引起建筑物的振动，由于脉动压强值的周期性变化，当脉动频率与建筑物的自振频率相近时，可能引起建筑

25、物的强迫振动。,增加发生空蚀的可能性。,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,水流诱发的泄水建筑物振动问题,问题的实质是：当高速水流通过泄水建筑物时，紊流边界层产生的边壁压力脉动诱发结构物的随机振动。 随着对紊流边界层压力脉动研究的深入，以及有限元结构动力分析方法的出现，为解决这一问题提供了有效途径。 用有限元方法进行脉动压力诱发随机振动分析的一个重要且关键的问题，是如何把紊流压力脉动场的分布荷载移置到固体结构面上离散的各个节点上。,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,水流诱发的泄水建筑物振动问题,水跃区中导墙的振动问题,水跃区强烈紊动产生的压力脉动可以诱发消力池内分水隔墙和护坦的振动和破坏，以为位

26、于水跃区中的隔墙承受很大的动水荷载并使结构产生随机振动。 一般水工结构设计人员往往认为隔墙只起分水作用，两侧水压平衡，而忽略了脉动压力的动力作用。由于砼结构的抗拉强度小，在长期的泄水过程，常导致疲劳破坏。,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,水流诱发的泄水建筑物振动问题,闸门的振动问题,Naudascher就闸门振动的激励激励进行分类：,外部激励（EIE：Exterior Inspirit Effect）：闸门由系统以外的激励力（如紊流的压力脉动）诱发振动。 不稳定激励（IIE）：由流动的不稳定性所引起的，如闸门底缘的自由剪切层的分离和重附着现象，在大部分情况下，IIE的流动不稳定现象与结构本身

27、有着不可分割的联系，并构成自激振动系统。,五、高速水流脉动及泄洪振动的控制,水流诱发的泄水建筑物振动问题,闸门的振动问题,Naudascher就闸门振动的激励激励进行分类：,运动激励（MIE）：又称固体激励，是由振动系统内部的某种物体运动产生激励力所致，例如闸门止水及其他弹性元件的运动所引起的闸门振动，MIE实质上也是一种自激振动。,六、掺气减蚀,六、掺气减蚀,掺气水流,高速水流的掺气现象： 高速陡槽、溢流坝面、岸边溢洪道、明流泄洪洞、挑流水股、底孔进口以及闸门井,自掺气： 当水流通过溢流坝、陡槽、明流隧洞、且流速达到一定程度时，大量空气自水面掺入水流中。,六、掺气减蚀,掺气水流,高速水流的掺

28、气现象： 高速陡槽、溢流坝面、岸边溢洪道、明流泄洪洞、挑流水股、底孔进口以及闸门井,强迫掺气： 当高速水流受到某种干扰，如固体边界突变（闸门槽、通气槽）或水流表面有突变（水跃），或两水流相碰击，均将从水面卷入大量空气。,六、掺气减蚀,掺气水流对工程的影响,水流掺气造成水体膨胀，使水深明显增加。,在无压泄洪隧洞中，如果对掺气的影响估计不足，洞顶净空面积预留太小，可能发生有压流与无压流的交替，水流不断冲击洞壁。,增大水流脉动压力，从而加大建筑物的瞬时荷载，也增加了建筑物振动的可能性。,水流掺气后，水面上水花飞溅，给工程管理工作造成不便，给各种建筑物及电气设备的布置带来困难。,六、掺气减蚀,掺气水流

29、对工程的影响,泄水建筑物中的水流掺气后可以增强消能效果，减轻水流对下游河床的冲刷,掺气水流可减免空蚀的破坏作用，据试验，当掺气浓度达到37%就可起到减免空蚀的作用，当掺气浓度达到10%，则可完全减免空蚀。,水流掺气后，流速分布发生了很大变化，气泡悬移区的平均流速大于不掺气水流的平均流速，使自掺气水流的鼻坎挑流的挑距增大。,泄水建筑物水流掺气对河流复氧也有明显效果，可改善水环境的质量。,六、掺气减蚀,掺气水流参数及其确定,掺气发生的条件,涡体模式、紊流边界层理论： 水面附近涡体所具有的竖向脉动动能K大于克服表面张力所做的功WS和涡体刚好跃出水面所做的重力功WG。,以最小能坡形式表示的明渠水流掺气

30、条件：,以最小流速形式表示的明渠水流掺气条件：,六、掺气减蚀,掺气水流参数及其确定,掺气发生点,掺气发生点的位置可以用紊流边界层的公式直接求得,Hichox：,王俊勇公式：,刘宣烈公式：,六、掺气减蚀,掺气水流参数及其确定,掺气浓度,掺气水流中气体的体积占水气混合体体积的比值。,六、掺气减蚀,掺气水流参数及其确定,掺气水深（自掺气）,霍尔（L.S. Hall）公式：,美国陆军工程兵团公式：,王俊勇公式：,王世夏公式：,六、掺气减蚀,空化与空蚀,泄水建筑物空蚀实例,美国的胡佛（波尔德）坝右岸泄洪洞是早期遭到严重空蚀破坏的著名例子。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,泄水建筑物空蚀实例,古田溪一级 溢流坝

31、面,六、掺气减蚀,空化与空蚀,泄水建筑物空蚀实例,古田溪一级 溢流坝面,六、掺气减蚀,空化与空蚀,泄水建筑物空蚀破坏的常见部位,六、掺气减蚀,空化与空蚀,空化现象及其特点,六、掺气减蚀,空化与空蚀,空蚀机理,空蚀是空化破坏能力和边壁材料抗空蚀强度的综合结果。空蚀问题涉及流体动力学、材料力学和物理化学等，三者相互关联。 关于空蚀机理已形成了两类主要学说： 空泡溃灭时发出冲击的冲击波理论 空泡溃灭时而形成的微射流的水击论,六、掺气减蚀,空化与空蚀,空蚀机理,空泡溃灭时发出冲击的冲击波理论,冲击波论认为空泡的溃灭过程是：空泡缩小到最小半径后，由于空泡内的不凝结气体而使空泡回弹再生，在再次成长中产生非

32、常强大的冲击波，对壁面产生冲击压力脉冲，导致材料剥蚀。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,空蚀机理,空泡溃灭时而形成的微射流的水击论,微射流论，就是非对称空泡变小时形成微小空隙，而周围的水流通过其中心的空隙射出，其特点是速度高，时间短，流量小，作用面也小，故称微射流，这种微射流冲击固壁造成空蚀。这一理论是分析了大量空蚀损伤的痕迹和高速摄影照片后得出的。,Kling和Hammitt，应用高速摄影照出空泡溃灭时形成的射流，25000幅/s，射流的速度高达120m/s。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,空蚀过程,空蚀是空泡溃灭时的冲击力和材料抗空蚀能力的综合结果。如果单个空泡溃灭时产生的冲击力超过材料的屈服强度，

33、那么空泡溃灭的一次冲击就可造成一个永久的凹坑；如果冲击力小于材料的屈服强度，那么若干空泡溃灭的反复冲击会使材料疲劳破坏，也能产生凹坑。大量空泡溃灭的长时间作用 ，就可造成凹坑的重叠，进而使材料的微小质点一颗一颗的脱离表面。如此继续作用就造成表面的麻面、孔洞等。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,空蚀过程,因为空蚀程度是由水流的空蚀能力和材料的抗空蚀强度所决定的，所以材料的力学特性和能量特性都和抗空蚀强度有关。前者包括最大应力、屈服应力、强度和疲劳极限等，后者包括极限应变能、冲击阻抗或韧性等。 研究表明：影响抗空蚀强度的主要因素为材料的晶粒尺度和晶体型式。这些对变形模式是塑性或脆性以及变形的灵敏度起主导

34、作用。同时空泡的溃灭能量是随机性函数，具有时空相关概念，即所谓命中率问题，设计统计力学和系统工程等学科。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,研究空化与空蚀的几个无因次数,1、水流空化数,为来流的压强，流速为u0，水的汽化压强为pv 水流空化数K愈小形成空化的可能性愈大。,2、初生空化数,水流是否会发生空化，要视水流的空化数K而定，K愈小愈容易发生空化。当K小到某一数值，刚刚开始发生空化时的K值称为初生空化数Ki。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,研究空化与空蚀的几个无因次数,2、初生空化数,Ki随边界的几何形状不同而不同，可以说Ki 是表明边界几何形状是否容易引起空化水流的参数。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,

35、研究空化与空蚀的几个无因次数,3、最小压强系数,空化水流既然是因为压强降低所引起，在流场内的最小压强就可用来估计水流是否会发生空化。最小压强pmin的数值和来流的压强p0和流速u0有关。,Cpmin称为最小压强系数，是说明水流边界特性的一个参数。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,初生空化数Ki的确定,进行泄水建筑物设计时，要预防发生空化水流，以避免空蚀破坏，就需要知道不同形状边界的初生空化数，一般确定Ki 的方法有： （1）用减压实验的方法测定 （2）对某些特定的建筑物体型，可以应用与该体型的研究成果 （3）用最小压强系数来估算初生空化数,六、掺气减蚀,空化与空蚀,初生空化数Ki的确定,六、掺气减蚀

36、,空化与空蚀,减压箱实验设备,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减压箱实验设备,六、掺气减蚀,空化与空蚀,研究掺气水流用的变坡活动陡槽,该陡槽槽身长L = 15m ,试验槽宽B = 50cm ，无极变坡坡角= 049，最大供水流量Qm = 342L/s ,最大流速um = 15m/s,六、掺气减蚀,空化与空蚀,影响空蚀的因素,1. 流速：空蚀量与速度的“n”方成比例，在多数情况下n=6。在众多影响空蚀的因素中，首推流速。 2. 压强： 3. 尺寸：一般认为国流物体的尺寸大时，空泡就能充分成长，因而溃灭时放出的能量也大，通常认为空蚀量与尺寸（直径）的25次方成比例。 4. 物体表面光洁度及平整度 5.

37、时间：空蚀的速度随着时间发生变化，其过程大致可分为潜伏期、加速期、减速期与恒稳期。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,影响空蚀的因素,6. 液体的温度（热动力效应）：当温度升高时汽化压强pv升高，增大的pv将对抑制空泡溃灭起重要作用。大量实验表明，在适中的温度下（介于冰冻与沸腾之间）空蚀过程最高，高温时由于腐蚀率随温度增加，材料机械性能变弱，空蚀率增加，低温时由于粘性的影响，空蚀率下降。 7. 含气量：给空泡溃灭区掺入空气将大大减免空蚀破坏。 8. 水中含沙量：会增加空蚀破坏的可能性。 9. 水流紊动的影响,六、掺气减蚀,空化与空蚀,影响空蚀的因素,10. 壁面材料的抗空蚀能力：大多数金属材料，与空蚀

38、率相关性较好的参数是材料的硬度或极限回弹能及表面糙度。对于水工建筑物，目前采用的抗蚀耐磨材料有：高标号混凝土、高标号砂浆、环氧砂浆、呋喃砂浆、聚酯混凝土、聚酯砂浆、铸石板、聚合物浸渍混凝土、钢纤维混凝土等，就硬度而言，铸石板最好，但粘结工艺不好解决，其次是环氧砂浆、呋喃砂浆、高标号水泥砂浆等。但目前应用最多的是加入适量掺合剂后的高强度、硬度及韧性的水工混凝土。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（1）设计合理的边界轮廓，降低初生空化数。对泄水建筑物主要是优化过流面体型，以使初生空化数最小。,例如：各种泄水孔洞的进口体型，减免空蚀的进口体型为椭圆型,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措

39、施,（1）设计合理的边界轮廓，降低初生空化数。对泄水建筑物主要是优化过流面体型，以使初生空化数最小。,例如：闸门槽体型 因为工程实践中正方形或矩形门槽发生空蚀的实例很多，现在推荐的可减免空蚀的标准门槽是：,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（2）适当提高局部压强，增大水流空化数。,例如：对于短有压进口的泄水工程，可以采用在出口顶部加压坡的办法，提高进口段压强，从而增大了水流空化数,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（3）减小空泡溃灭时的破坏能力，可以采用超空化特性确定建筑物体型，使空泡溃灭在水流中，而非边壁附近。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（4）掺气减蚀，向水流

40、可能发生空化的区域通气。,这是目前国内外采用的一种经济而有效的减蚀措施。掺气减蚀措施的一般工程形式，是在过流面上设置掺气槽、掺气挑坎、突跌错台等。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（4）掺气减蚀，向水流可能发生空化的区域通气。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（4）掺气减蚀，向水流可能发生空化的区域通气。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（4）掺气减蚀，向水流可能发生空化的区域通气。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（4）掺气减蚀，向水流可能发生空化的区域通气。,六、掺气减蚀,空化与空蚀,减免空蚀的措施,（5）合理控制过流面的不

41、平整度，降低局部初生空化数。由于表面不平整而产生空化的实例很多。一般流速愈大，要求愈严。 （6）选用抗空蚀性能较强的材料。 （7）改善运行工况条件，控制流态，防止水流空化。,七、泄洪雾化防护,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,泄洪雾化是高坝泄水建筑物泄流时伴随产生的雨、雾和风等自然现象的总称。 在高山狭谷兴建高坝，其泄洪消能不可避免地会产生雾化现象，对工程及其下游局部地区的环境会造成一定的危害和影响。我国一些水电站由于泄洪雾化问题而严重影响了工程的正常运行。,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,东风水电站曾因泄洪雾化造成进厂交通洞进水,白山水电站1983 年和1986 年均发生因雾化使厂房进水、开关站跳闸、

42、岸坡滑坡等影响电站正常生产和安全的事故,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,刘家峡水电站曾因雾化结冰，迫使电厂停电，输变电设备因泄洪雾化引起的跳闸达13 次,黄龙滩水电站1980 年遭受50 年一遇的洪水， 历时33 h 的泄洪引起的雾化笼罩,乌江渡、龙羊峡、新安江等水电站均曾不同程度地受到泄洪雾化危害,了整个厂房，形成倾盆大雨，导致厂房受淹，发电机室水深达3.9 m，停止发电49 d。,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,黄龙滩水电站1980 年遭受50 年一遇的洪水， 历时33 h 的泄洪引起的雾化笼罩,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,湖北隔河岩水电站泄洪,河南黄河小浪底水电站泄洪,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化

43、,泄洪雾化危害和影响,影响电站厂房、开关站和输电线路等电器设备的正常运行。 影响电站下游一定范围内交通或生活工作区的正常工作环境 冲蚀地表，破坏植被，影响下游两岸山坡稳定和下游局部地区的自然环境和气候条件， 容易诱发山体滑坡，危及水电站大坝的安全运行,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,泄洪雾化的形成,若在泄流布置上，使多股水舌在空中交叉碰撞，或由于来流和扩散条件局限而产生脱离挑坎水舌主流的大片水体，从而使水气混掺增加，雾化程度加大，雾流范围陡增，在空中即形成雾源，按顺水流方向排列，可称之为第一雾化源。,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,泄洪雾化的形成,另一雾化源在挑流水舌以高流速跌入下游尾水时产生，这是由

44、于挑射在空中的水舌，当流量较大水舌横断面较大时，水舌表面虽然破碎雾化，但内部水体尚处于半密实或密实状态，密实水体随运行中落差加大而获得更高的流速，当其落入尾水时，可产生使水体增速的激溅作用，形成一个降水强大的区域，且伴随明显的成雾现象，构成雾化源，在存在多股水舌在空气中交叉时，则称此雾化源为第二雾化源。,七、泄洪雾化防护,泄洪雾化,泄洪雾化的分类,按挑流运动模式划分：水舌溅水区、强暴雨区、雾流降雨区和薄雾大风区。 按降水强度划分：抛洒降雨区、溅雨区、雾雨区和雾流区 按雾化对工程影响划分：雾源区和雾化影响区，并按降水形态和数量再分为不同状态或量级,为了研究雾化机理及其对工程的影响，需要对雾化所含各种形态分别加以区分，目前常用的划分方法有三种：,七、泄洪雾化防护,泄洪