长江三峡水利水电工程掺气减蚀水力特性研究

长江三峡水利水电工程掺气减蚀水力特性研究

1深孔、短有压出水口长江三峡工程规模庞大，在世界上是著名的。设计洪水流量为7150m3，总洪水流量为10150m3。主要由电气工程装置、深孔和表孔排放，或全部深孔和表孔泄漏。在河床溢流坝段,表孔与深孔相间布置。共23个深孔,深孔具有水头高(90m)、流量大(每孔最大流量为2200m3/s)、孔数多、运用频繁、水位变幅大等特点。深孔体型经多个水力学模型试验研究,采用短有压进水口(出口断面7m×9m),进口底高程90.0m,出口设弧形闸门控制流量,后接明渠泄槽,尾部挑流鼻坎,高程80.0m,其布置见图1。出口流速达40m/s,空化指数低,受到空蚀威胁,必须设置掺气减蚀措施。为此,长江科学院开展了比尺为35及20的模型试验,研究掺气减蚀水力特性。2预算设计及应用效果2.1加设掺气槽和掺气减蚀设施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。我国的水工设计手册提出:当水流空化数K<0.1～0.3时务须注意空化问题。美国水利专家法尔维(HenryT.Falvey)提出:当K<0.2时,要加设掺气槽;美国专家布格和蒋赛廷在关于二滩水电站水力学问题的发言中,对水流空化数K,提出了一个简便的判别标准:K>1.7不考虑保护措施;1.7>K>0.3严格控制不平整度;0.3>K>0.12要加设掺气设施;K<0.12要修改设计。掺气减蚀设施必须满足的一般基本原则是:在其运用水头范围内形成并保持一个稳定通气空腔,以保证向下游水流供气。应力求使通过掺气设施的水流平顺,避免因设置掺气设施而恶化下游水流流态和过分抬高水面线,防止明流隧洞局部封顶、明槽边墙漫水、过高的水翅冲击其他建筑物或增大冲击力。水舌冲击还应避开伸缩缝和施工缝。同时,掺气减蚀设施的体型应力求简单,以便于施工并保证本身不受破坏。2.2掺气防蚀设施近几年来,根据工程实践运用,人们认为掺气减蚀设施是防止空蚀破坏较为经济、行之有效的办法。当前国内外已作为一项新技术推广应用。目前已有20多个国家在100多个工程上应用了掺气减蚀设施。20世纪50年代,美国大古力坝(GrandCouleeDam)泄水孔出口发生空蚀破坏,每年都需修补,为此,于1960年在泄水孔锥形管出口下游设置了掺气槽,之后未再发生空蚀破坏。这是泄水建筑物最早应用掺气减蚀技术的实例。1965年格伦峡(GlenCanyon)坝左岸泄洪洞的堵塞段设置临时底孔,布置了控制闸门,门后洞洞径突然扩大,采用射流形式水流自然掺气。运行实践证实了掺气防止空蚀破坏是很有效的。1967年美国黄尾坝(YellowTailDam)明流隧洞反弧段及其下游发生严重的空蚀破坏,在洞内设置三道掺气槽后再没有发生空蚀,更肯定了其实际效果。1973年加拿大麦卡坝(MicaDam)在导流洞改建的永久泄洪洞中,设置了两道突跌错台,于1974～1976年间运行,未发生空蚀。1967年和1973年前苏联的克拉斯诺雅尔斯克和布拉茨克水电站分别在溢流坝上设置了掺气跌坎和挑坎,原型观测表明效果很好。后来在一些高溢流坝如乌斯奇伊利姆斯克、萨扬舒申斯克等坝推广应用。其他有菲律宾的圣罗奎,土耳其的卡拉卡雅,伊朗的卡隆,泰国的色列克拉和巴西的福斯杜埃利亚、思鲍尔卡考、伊太普都设置掺气减蚀设施,都取得很好的效果。国内1975年在冯家山明流隧洞中采用了掺气减蚀设施,以后在丰满、白山溢流坝上设置了掺气减蚀挑坎及跌坎,均进行了原体试验及运用观测,肯定了其防蚀效果。在乌江渡、石头河、凤滩、故县、东江、龙羊峡、西技江、宝珠寺、鲁布格、六都寨、漫湾、小浪底等工程也都设置掺气减蚀设施,实践证实效果很好。近几年来,偏心铰弧门在高水头泄水底孔中的应用日渐普遍,闸门段体型要求底板突跌、侧墙空扩,从而形成了掺气减蚀的一种特有形式。设置弧门突扩跌坎式通气减蚀设施有,美国的德沃歇克,前苏联的克拉斯诺扬斯克、努列克,瑞典的赫尔耶斯,我国的东江、龙羊峡及小浪底等10多个工程,经实际运用,大多数是成功的,既能止水又能起到防蚀的作用。但有少数工程如德沃歇克、克拉斯诺扬斯克、塔贝拉及龙羊峡等,仍发生了空蚀破坏。这就需要从中找出发生空蚀的原因,提出改进措施和需要注意的问题,使掺气减蚀措施发挥应有的作用。3突扩涨坎式通气减蚀把解决高压弧门止水问题与掺气减蚀设施结合起来,可采用突扩跌坎式通气减蚀措施。长江科学院结合三峡工程泄洪深孔掺气减蚀设施采用比尺为35及20的模型进行了试验研究。3.1拱钻涂料的减少3.1.1扫码孔突扩与掺气浓度弧门突扩跌坎式通气减蚀设施在设计水力条件下,经过8个方案的比较优化,最后提出在弧门后两侧突扩0.5m并设折流器。跌坎高2m,坎顶设小挑坎,坡度1∶8,坎高0.1m,坎下为5.0m长的平段,再接20%的斜坡与挑流鼻坎相接。坎底设专门通气孔,两侧突扩各设两个通气孔(见图1、2)。试验表明,空腔内回水旋滚距跌坎13.0～15.0m(库水位135.0m),在库水位为145～175.0m时,空腔长22.2～35.9m。水流经侧向突扩后,流态较复杂。水流经侧向扩散撞击边墙后,向上形成水翅,向下的跌落水流呈水帘状,并在空腔底部形成清水层。此清水层对底部掺气浓度有影响。水翅距弧门支铰有3m以上距离,不会碰撞弧门支铰。侧空腔畅通,在各级水位条件下,均能形成稳定空腔,长度仅3.0m左右,空腔内负压4.0～6.8kPa,底空腔内负压0.8～3.6kPa,通气孔通气正常。除反弧段掺气浓度较低外,其他各测点的掺气浓度均在3%以上。此方案比不设掺气减蚀措施的深孔泄量减少约4%。3.1.2顶空腔深断裂55m闸门处两侧有突扩,底部不设跌坎,在弧门下游8.0m处再设掺气跌坎(见图3)。经过5个比较方案优化试验,最后选定在弧门处两侧突扩0.5m,加折流器,从上而下0～0.35m。侧空腔中部设通气孔(ϕ1.0m),孔底部为平底(无跌坎)。距弧门底缘(关闭时)下游8.0m处设跌坎,高2.0m,坎顶设小挑坎,高0.1m,坎下设通气孔(ϕ1.0m),坎下以1∶5坡与挑流鼻坎相接。试验表明,当库水位为135.6m时,跌坎底部空腔有反向旋滚,回水到坎下,但底部空腔有反向淹没;库水位145.35m时,回水距坎下0～3.7m;库水位166.5～175.0m时,回水距坎34.5～38.0m。库水位为135.18m时,空腔长5.8～7.3m;库水位为143～175.18m时,空腔长10～38.0m。跌坎下空腔内负压-1.2～29kPa,掺气浓度除出口明渠槽末反弧段较低外,其余部分均在2%以上。闸门两侧突扩后水流较复杂,并有水翅现象产生,但水翅对弧门铰基本无影响。加折流器后,可保证侧空腔通畅。突扩后两侧形成明显的空腔,长度仅3.0m左右。侧空腔的射流与侧边壁交汇水流基本上不掺气,形成清水区(带)。突扩弧面下部(底板以上约3.0m)形成明显的掺气漩滚水流(掺气水流层)。侧空腔内负压为-1.2～56kPa,(库水位135m～175m)。跌坎下通气孔内风速约20～52m/s之间(Lr=35)。侧向通气孔在较高水位时能正常向侧空腔供气。该方案的泄流能力减少2%。3.2空腔厚度及掺气减蚀能力由水工模型试验结果,可绘出突扩跌坎水流流态(见图4)。由图4可见,突扩后Δb加大,使水舌与边墙的接触角加大,从而使过接触点后近壁区的水流反射角也愈大。局部流线呈发散状态,加之冲击点处形成高压冲击,脉动压强系数可能增大10多倍。冲击点后压力急速下降,压力梯度较大,会形成冲击点后剪切层空化1。小浪底3号孔板泄洪洞弧门突扩跌坎模型试验表明,当水头为80～130m时,实测突扩空腔后冲击点脉动压力均方根值为39.24kPa,压强系数达9%,冲击点后压力下降负压达10kPa。该区为清水层,没有达到掺气减蚀的目的。实测模型侧空腔长度较短,一般为3.0m左右,水舌挟气能力低,掺气浓度达不到减蚀临界值(见图4),侧空腔水舌与侧壁接触线成舌状带清水层。周边的较薄层带有极小量的掺气,在1∶20模型中实测的掺气浓度较低,在低水头时为0～0.9%,水头较高时为0.1%～1.0%。掺气量不足,若存在不平整度(或施工收缩缝),易发生空蚀破坏。如美国的德沃歇克(Δb/b=0.167)(适宜的侧扩比Δb/b=0.04～0.1)、前苏联的克拉斯诺雅尔斯克等都是在侧壁发生空蚀的实例。这种防止高速射流剪切空化的最佳措施就是优化体型增大掺气浓度。在跌坎下游,当水头较低、跌坎处不能形成完全空腔时,存在一水垫,或虽形成完整空腔而掺气不充分时,射向底板的水舌线,斜向与底板相交,在两股水流之间形成一剪切层,其空化特性与突扩相同;但底空腔在高水头下,空腔有效长度较长,一般均在20～30m,挟气能力强。在1∶20的水工模型试验中,实测靠底部冲击点的掺气浓度为2%～3%,能起到掺气减蚀的作用。保护长度可达80～100m。4影响明渠流态的涨坎掺气体控制由于泄洪深孔运行水位变幅大(135～175.0m),跌坎后明渠泄槽短(81.08m),对影响明渠流态的跌坎掺气体型提出了控制条件:(1)在各级水位都能形成稳定空腔;(2)空腔内的逆向回水不能封堵通气孔;(3)射流水舌尽量不要落入出口反弧段,以免增大冲击力。并要考虑下游水位最高可达78m,鼻坎高程不能太低。这些条件给跌坎的体型选择带来一定的难度。4.1产品力学性能跌坎高度及小挑坎:一般而言,坎越高,空腔越长,掺气越多,但挑坎的高度过高或坎过陡时,会使水舌入水角加大,易产生反向旋滚而淹没空腔,影响顺利通气,同时还会增加水舌冲击区的动水压力和抬高水面线;坎过低,空腔范围过小,影响通气。最好是通过水工模型试验选定。在已建工程中,跌坎高度d=0.60～2.75m,通常取d/h=0.10～0.5,h为坎顶水深。模型试验比较研究了8个方案的跌坎高度,范围在1～2m之间。试验表明,在库水位135～180m之间运行时,各个方案均能形成空腔。为适合上述控制条件,认为选定跌坎高度1.3m较为适合。在加高挑坎之后,在库水位175.0m时,挑流水舌和底板夹角增大,导致产生较大的反向上溯水流,水流挑距太远,水舌内缘已接近出口反弧起点。因此对于三峡深孔泄槽布置,跌坎掺气不宜加设小挑坎。模型试验选择了5个方案。跌坎掺气主要水力参数见表1。从表1可以看出,在各级水力条件下,空腔长度及水舌射程都比较长,各方案都能形成稳定空腔。空腔内都能达到正常通气。方案D较之方案E的水舌挑距略有增大,空腔长度也增加较多,主要是受通气孔尺寸、风速及通气量影响。另外,还可看出,空腔长度存在缩尺效应影响。4.2腔后压力分布从表1可看出,通气孔尺寸小,空腔内的负压增大;模型比尺小,空腔内的负压值增大,相应风速及通气量也增大。表明通气量及空腔内负压存在较大的比尺效应。空腔后的压力分布,各模型差别不大,压力测量结果和水舌内缘的观测结果均一致。在135m和145.0m库水位条件下,挑流水舌落点的冲击峰值明显,但其均值仅为出口反弧段压力峰值(桩号20+92.5m处)的一半;在155m库水位以上,水舌主流已接近或落入反弧段内,水舌冲击压力峰值和反弧段压力增大值接近。最大值出现在反弧段后部(桩号20+92.5m处),对应于135m和175m库水位,桩号20+92.5m断面的压力值分别为236kPa和410kPa。4.3反弧终点后底板掺气各方案底坡掺气浓度分布基本相近,空腔内无水区底坡掺气浓度大于80%,水舌跌落处附近掺气浓度为3%左右;反弧最低点以后底板掺气浓度较低,在175m库水位时,为0.6%～1.5%,而在较低水位时,其掺气浓度基本接近于零。观测表明,在反弧最低点以后,贴底板掺气水流上逸,近底为一较薄的清水层,而随着水流紊动,掺气水流水舌落点距反弧愈近,掺气水流贴底的机率愈大。受比尺缩尺效应影响,原型掺气浓度应较大些。4.4通气量、通气孔面积和允许风速从表1可以看出,比尺20的方案D、E通气孔通气量比比尺35的方案A、B、C通气量大很多。通气孔的通气量存在显著的模型比尺效应。主要原因是水流挟气能力与水流绝对流速有关,流速愈大水流挟气能力愈强,需要供气的通气孔通气量相应增大。这些工况已不符合重力相似准则。模型试验只能进行方案比较。考虑模型缩尺效应的影响,通气量应根据原型类似工程实测通气量资料总结的经验公式并参照模型试验成果综合考虑后确定。N.Ldespinto等根据巴西福斯杜埃利亚溢洪道通气量原型观测,得出了如下经验公式:qa=0.033VL式中qa——泄水槽单宽挟气量;V——坎上平均水流流速;L——空腔长度。深孔明渠泄槽宽7.0m,在175.0m库水位时泄槽平均流速35m/s,跌坎空腔长度30m。将上述值代入式中计算,得需要总的供气量qa为242m3/s。通气孔尺寸主要取决于通气孔内气体的风速、通气管的长度(考虑阻力影响),通气孔属于短管,阻力影响可不考虑。通气孔面积等于通气量除以允许风速。关于通气管允许风速,参考我国钢闸门设计规范的规定:允许风速45m/s。但根据乌江渡原型观测,实测一般通气孔风速在50～60m/s,最大达88m/s,除噪声较大外,没有其他异常情况。建议按50～60m/s风速设计通气孔面积,会得到满意的结果。按此计算,在跌坎两侧墙各设ϕ1.6m通气孔,可满足供气量的要求。5模型上通气量表的确定欧文(P.AEryinc)指出,水工掺气模型除满足重力和惯性的作用外,还应注意对表面紊动、粘滞度和表面张力的控制。所以掺气的过程还要考虑水流的雷诺数(Re)和韦伯数(We)的影响。要做到原型和模型相似必须满足:(QaQw)r=(1−V0V)=1(QaQw)r=(1-V0V)=1式中下标r表示原型与模型之比;V0——掺气量最小流速(经验值为1.1m/s)。当模型流速为6.5～7.0m/s时,(Qa/Qw)r=0.85。资料表明,当模型中以空腔长度为特征尺度组成的雷诺数大于3.5×106时,以剪切流速υ0与壁面糙高k组成的雷诺数Re.>100,模型中测量的通气量才可以按重力相似准则引伸到原体。这里,Re.在缩尺效应研究中有着独特的意义。通过对福斯杜埃利亚工程系列比尺模型试验结果的分析认为,在以空腔长度和坎上流速组成的韦伯数We>500模型中,测得的通气量符合重力准则。而在We<380的模型中,所得需气量比值βm=Qam/Qwm向原体引伸时,则需计及缩尺效应。夏毓常根据若干国内外工程掺气减蚀设施通气量的原型、模型对比资料进行全面