龙抬头明流泄洪洞反弧末端下游侧墙防气设计

龙抬头明流泄洪洞反弧末端下游侧墙防气设计

1泄洪洞底板空蚀龙首明流口运用于节水工程中。根据大量工程实例，龙舌兰反弧段下游是一种常见的空蚀配置。反弧末端发生空蚀的原因,除了施工定线误差、不平整度等问题外,胡明龙等研究表明:由于反弧段离心力影响动水压强分布,在反弧前半段受逆压梯度影响边界层变厚,反弧后半段受顺压梯度影响边界层变薄,在反弧末端达到最薄,且反弧段边界层外的紊动程度又很高,因而反弧边界层内的流速梯度最大,反弧段下切点附近壁面切应力最大,初生空化数很大,容易出现空化空蚀。掺气能有效地减免空蚀破坏,对大型龙抬头泄洪洞空蚀的防护,目前主要的措施是掺气减蚀,龙抬头明流泄洪洞常规的掺气方法是设置掺气坎从底部掺气,典型的掺气减蚀设计为:在反弧段上游设一掺气坎(1号掺气坎),防止反弧段及其上游的空蚀;在反弧段末端设一掺气坎(2号掺气坎),保护紧邻反弧段的下游直线段;然后根据掺气坎的保护长度及洞内水面自掺气状况在直线段沿线布设其他掺气设施。然而,按这种常规思路设置掺气坎从底部掺气后,仍出现了反弧段下游侧墙空蚀破坏的工程实例,如我国的二滩一号泄洪洞。该泄洪洞全长924.24m,洞身典型断面为13.0m×13.5m(宽×高)的城门洞形,最大泄量3800m3/s,洞身流速高达40m/s量级,2001年汛后检查,发现自反弧段末端下游总长约400m的混凝土衬砌遭受严重损坏,并在基岩上形成数个冲坑,当时的研究表明,该空蚀冲刷破坏的主要原因是由于反弧段末端2号掺气坎的侧壁通气孔顶缘高于底挑坎末端约0.55m(设计要求与挑坎齐平),致使挑流水舌局部脱壁,射流扩散并冲击通气孔下游侧壁面,形成分离流,诱发空化空蚀;2002年对泄洪洞进行了修复,并将侧壁通气孔顶缘下降至挑坎以下10cm,防止了分离流的出现,2003年进行了322小时的原型运行试验,结果表明,泄洪洞底板没有发现空蚀破坏,掺气设施对底板起到了很好的减、免蚀保护作用,但是,在2号掺气坎以下约40m范围内的边墙上仍出现25处大小不一的气蚀坑。采用常规的底部掺气设施后,泄洪洞反弧段下游侧墙为什么仍易空蚀破坏,本文作者研究表明,主要是对反弧段下游侧墙的掺气减蚀未引起足够的重视。龙抬头明流泄洪洞采用常规的掺气设施时,在反弧段下游易引起如下问题:首先容易出现空化水流:在反弧末端设底部进气掺气坎(2号掺气坎)后,掺气坎后出射水流受掺气空腔的影响,水流表面为洞顶余幅,接近大气压强,水流底部为掺气空腔,接近空腔负压,因而空腔段水流动水压强小,由于反弧末端水流速度高达40m/s量级,因而其水流空化数是很低的(约为0.12),因此水流空化难以避免;其次是掺气保护不充分:在设置反弧段前的掺气坎(1号掺气坎)时,由于掺气坎所处位置的水流速度较低,掺气能力十分有限,加之在高水位小开度条件下,1号掺气坎坎高过大会引起水翅串顶,因此该掺气坎的进气量一般不大,水流至反弧末端时掺气浓度已经很小,而此时反弧段下游水流表面自掺气向全水深的扩散尚不够充分,反弧末端掺气坎底部强迫掺气也尚未充分扩散,致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的清水区,见图1,该部位侧墙未能受到掺气的有效保护,从而易导致空蚀破坏。因此,反弧段下游边墙减蚀问题是该类工程的重点和难点。掺气是一种经济有效的减蚀措施,因此,对反弧段下游侧墙的保护,主要问题是如何消除上述侧墙清水区,提高反弧段下游侧墙近壁掺气浓度。要达到这一目的,可以考虑两种措施,一种为优化反弧段前1号掺气坎的位置和体型,增加其掺气能力,使其保护范围不仅为反弧段,还包括反弧末端掺气空腔附近一定范围;另一种措施为在反弧末端设掺气设施(2号掺气坎)时,增加侧面进气。研究表明,即使1号掺气坎进气量优化到较大值,在反弧末端2号坎下游边墙的上(靠近水面)、下(靠近空腔)部位也仍存在两个条带状的清水区,见图2。上部清水区的形成,主要是由于从1号坎中掺入的空气沿水深方向扩散较慢,直至2号坎下游,也尚未能扩散到与表面自掺气水流相衔接;下部清水区的形成,主要是由于1号坎的掺气水流在反弧段受离心力影响,气泡加速上浮,形成新的清水区,而反弧末端2号掺气坎的掺气从底空腔向上尚未发展所致。由于优化反弧段前1号掺气坎难以完全消除反弧末端2号掺气坎下游侧墙清水区,因此,仅靠优化反弧段前1号掺气坎减免反弧段下游侧墙的空蚀具有一定难度。关于这方面的详细研究,作者将在其它文章中进行专门论述。因此,对反弧末端侧墙的保护,应重点研究侧墙掺气。目前,实际工程中已经采用的侧掺气主要为两类,一类为结合偏心铰式弧型闸门止水的需要,其门座下游采用突扩跌坎,同时起掺气减蚀作用,有时,为了使侧空腔与底空腔较好地贯通,还设置折流器;另一类为导流洞改建成泄洪洞时,由于龙抬头以上泄洪洞段断面尺寸小于原导流洞断面,而采用突扩突跌掺气,如加拿大麦加坝泄洪洞采用小圆形断面突扩突跌为大圆形断面。为了消除龙抬头泄洪洞反弧段下游附近边墙的掺气盲区,本文作者借鉴上面两类思路,对反弧末端侧墙掺气减蚀进行了系统的试验研究。具体研究思路为:在反弧末端设底部掺气设施的同时,增加侧面掺气设施,一类侧掺气设施是在底掺气跌坎上游加设侧挑坎,它类似于突扩跌坎型门座中的“折流器”,为了区别,我们将反弧末端加设的小侧挑坎称为“侧墙贴角”;另一类侧掺气设施是将底掺气跌坎下游的两侧边墙向外突扩。这样,在反弧末端2号坎断面上,除常用的底部掺气坎外,还形成了侧墙掺气设施,因而,2号掺气坎的出坎水流四面凌空,此时,底空腔的补气途径不变,仍通过两侧通风井从洞顶补给,侧空腔的补气从上下两端补给,上端由洞顶直接补给,下端仍由底空腔补给。2测试2.1模型结构及模型模拟范围试验模型严格按照二滩水电站大型龙抬头明流泄洪洞的设计体型尺寸,按重力相似准则设计,模型比尺1∶30。该泄洪洞洞身横断面型式为城门洞形,模型典型断面尺寸为0.433m×0.45m(宽×高)。模型模拟范围为洞身进口至直线段第3号掺气坎下游处,其中,1号掺气坎(反弧段前)的形式为小挑坎+掺气槽,2号掺气坎(反弧末端)及3号掺气坎(下游直线段)的形式为小挑坎+跌坎。试验首先测试了原体型(各掺气坎均为底部进气坎)的水力特性指标,然后对2号坎分别就上游侧墙贴角和下游边墙突扩两种侧掺气设施进行了试验研究。(1)各方案基本体型尺寸对“侧墙贴角”进行了四个体型方案的试验,各方案基本体型尺寸见表1及图3。方案一到方案三为普通等坎高“侧墙贴角”,方案四的坎高从下到上逐渐变小,相应地,坎长也逐渐变短。(2)试验模型与方法对边墙突扩进行了四个体型方案的试验,各方案基本体型尺寸见表2及图4。值得说明的是,本次试验是结合二滩泄洪洞的修复试验进行,考虑该泄洪洞已经建成,为了减小修复工程量,突扩方案中只进行了反弧末端下游局部洞身段的突扩(即图4中L值不大),如为新建工程,可以从反弧末端2号坎开始侧墙突扩后逐渐收缩至下一掺气坎;同时,由于二滩泄洪洞反弧末端原2号坎的通风竖井一直完好无损,本次边墙突扩的试验方案从通风竖井下游开始,因而底空腔与侧空腔的起始位置不在同一断面上,侧空腔向下游偏移了一定距离,如为新建工程,可以从通风竖井起始位置开始突扩。试验模型流量为Q1=0.756m3/s,Q2=0.454m3/s,各流量时反弧末端掺气坎处水力特性指标见表3。为了测试各方案对原侧墙清水区的掺气效果,对反弧末端下游近壁掺气浓度进行了测量,在左边墙上共布置测点16个,各测点布置位置见图5。掺气浓度测量采用北京水科院研制的848型电阻式掺气浓度仪。由于模型中水流流速较高,平行电极在高速水流中不易固定,且电极在高速水流中易产生分离旋涡,从而影响掺气浓度的测量结果。为了量测泄洪洞近壁面处的掺气浓度,将测量电极(传感器)贴在泄洪洞左边墙的壁面上,即掺气浓度测量采用贴片方式,每次测量时均对每一对贴片分别进行率定。2.2试验结果(1)侧墙贴角及边墙突扩侧墙贴角方案试验表明,侧墙贴角坎高及坡度的变化对2号坎下游水流流态的影响十分明显。在各种流量下,当侧墙贴角坎高及坡度较大时,如侧墙贴角方案一(等坎高10mm,坡度1∶20),反弧末端2号坎挑射水流落水点下游水翅串顶现象严重,具体表现为落水点下游靠近两侧壁有较大水翅斜向上冒出,直串洞顶,由2号坎掺入的气体很大一部分从此处溢出,以致该部位至3号坎处洞身段出现大范围清水区,见图6;当坎高及坡度较小时,如侧墙贴角方案三、四(坎高6mm,坡度1∶40),挑射水流落水点下游处未出现不利流态,与不加侧墙贴角时流态接近,见图7。侧墙贴角方案二(等坎高8mm,坡度1∶30)在Q1=0.756m3/s时,挑射水流落水点下游水翅串顶现象较方案一减轻,但仍不时打到洞顶,掺气从此处溢出的现象仍能观察到;Q2=0.454m3/s时射流落水点下游水翅串顶现象较Q1=0.756m3/s时更为明显。侧墙贴角对流态的另一处不利影响表现为对2号坎下游出坎水流最高水面线的影响。试验表明,在不加侧墙贴角时,在2号坎下游约70cm处水面线最高,在水流表面冲击波的影响下,该处侧壁水翅偶尔可接近洞身边墙段顶部,加设侧墙贴角后,水翅厚度略有增加,最高水面线也有微弱抬高,侧墙贴角方案一及方案二时,最高水面线抬高约3～4cm,方案三、四时,最高水面线抬高约2cm。边墙突扩方案试验表明,边墙突扩对2号坎下游水流流态影响很小,水流流态与不设突扩时的原体型接近,无不利流态出现;突扩方案使2号坎下游出坎水流最高水面线的位置略微降低。(2)边墙突扩对边墙及底板的影响侧墙贴角方案试验表明,加设侧墙贴角与不加侧墙贴角的原体型相比,2号坎下游边墙及底板时均压强分布基本一致,仅表现为在侧墙射流扩散附壁区,时均压强较不加侧墙贴角时略微增大。边墙突扩方案试验表明,边墙突扩对边墙及底板时均压强分布规律影响不大,主要差异表现为两处∶第一,在侧墙射流扩散附壁区,时均压强较不设突扩的原体型时略微增大;第二,由于本突扩试验方案是反弧末端下游局部洞身段的突扩,突扩边墙终点与原边墙的衔接处为一向内突出的拐点,试验表明,在拐点后约5cm范围内存在负压,模型最大负压值为0.1m水柱,随着突扩长度的增加,突扩坡度的减小,拐点后负压区的范围及负压值相应减小。(3)型下2号坎空腔长度及空腔回水深度在Q1=0.756m3/s时,各试验体型下2号坎空腔长度及空腔回水深度见表4。空腔长度按挑坎至射流边壁处落水点的距离量测,底空腔回水深为通风井内波动回水的范围。(4)地层内通风量测。据初测2号掺气坎两侧通风井中间部分的风速,其过滤内总风通风量的测量,由于侧空腔较小,模型试验难以测量侧空腔上端由洞顶补给的气量,故采用量测2号掺气坎两侧通风井中间部位的风速作为平均风速,乘以通风井的断面面积,作为通风量,即该通风量未考虑由洞顶向侧空腔补给的气量。在Q1=0.756m3/s时,2号坎各试验体型下风速及通风量测试结果见表5。(5)共测点近壁掺气浓度2试验观察表明,试验体型在各种流量工况下,均消除了2号坎下原边墙清水区。在Q1=0.756m3/s时,各试验方案2号坎下游各测点近壁掺气浓度测试值见表6。由于部分测点(如侧墙贴角方案三测点1-1、3-1)靠近水面,部分测点(如侧墙贴角方案三测点1-4、2-4)靠近底空腔,还有部分测点(如边墙突扩方案一测点1-2、1-3)靠近侧空腔,上述测点附近为水气混合,其掺气浓度测试值明显较大。3号坎水翅及边墙突扩对边壁水翅的影响当侧墙贴角的坎高及坡度较大时(侧墙贴角方案一),反弧末端2号坎挑射水流落水点下游水翅串顶现象严重,出现这种现象的原因是∶2号坎挑射水流跌落至底板后会反射向上,且它必然要沿阻力较小的通道流动,侧墙贴角的坎高及坡度较大时所形成的侧空腔长度会大于底空腔长度,此时,侧空腔就为射流底板落水点处的反射水流提供了流动通道,即出现空腔射流落水点处的水流有一部分从侧空腔中沿壁面爬升而冒出水面。随着侧墙贴角坎高及坡度的减小(侧墙贴角方案二),侧空腔长度减小,该现象有所减弱,而当侧空腔长度远小于底空腔长度时(侧墙贴角方案三、四和突扩四个方案),就不会出现上述不利流态了。不同试验方案,其2号坎出口断面的水深也有所不同,这主要是由于不同试验方案其2号坎出口断面的宽度也不同,与原体型(不贴角、不突扩)相比,加设侧墙贴角后,2号坎出口断面宽度减小,水深有所增加,而采用边墙突扩后,2号坎出口断面宽度增大,水深有所减小。同时,加设侧墙贴角后,对边壁水翅有一定程度增加,如突扩方案四最高水面线较原体型抬高值理论值为1cm,而试验值为2cm。从侧墙贴角方案三(贴角顶部坎高为6mm)和侧墙贴角方案四(贴角顶部坎高为0mm)的对比试验来看,两试验方案最高水面线位置基本一致,这表明侧墙贴角顶部坎高对边壁水翅的影响并不明显。时均压强测试表明,各试验体型与原体型相比,2号坎下游边墙及底板时均压强分布基本一致,仅在侧墙射流扩散附壁区,时均压强较原体型略微增大。边墙突扩方案(反弧末端下游局部洞身段的突扩)试验表明,由于突扩边墙终点与原边墙的衔接处为一向内突出的拐点,因而在拐点后存在一定的负压区,这可能会引起水流空化,但由于拐点处折线夹角已达175°以上,且此时近边壁水流已掺入了大量气体,实际上不会出现空蚀破坏,当然,对于新建工程,可以从反弧末端2号坎开始侧墙突扩后逐渐收缩至下一掺气坎,不会出现此拐点,也不会出现负压区。从空腔形态来看,各试验体型2号坎底空腔长度较原体型略微增加,底空腔回水情况较原体型有所改善,这主要是由于侧空腔形成后,边墙阻力大大减小,因而挑距增加,此外,侧空腔增大了水流掺气,水流掺气后密度减小,有利于增大挑距,减小脉动压力,从而促使回水减弱。通风量测试表明,各试验体型2号坎通风量较原体型有较大提高,通风量增大的原因,主要是由于侧空腔下端由底空腔补气,该部分风量仍来源于通风井,另一方面,也是由于各试验方案底空腔的长度较原设计体型有所增加,且底空腔回水有所减弱,底空腔有效长度增大,从而底部掺气也有所增加。各试验体型在各种流量工况下,均消除了2号坎下原边墙清水区,掺气浓度测试表明,即使在侧空腔不大的情况下(如侧墙贴角方案三、四及边墙突扩方案二、三、四,侧空腔长度模型值约10cm),2号坎下游附近侧墙各测点近壁最小掺气浓度约5%,这表明,形成较小的