洞式溢洪道掺气减蚀设施的体型优化研究

2010-06-05刘亚坤倪汉根

水利与建筑工程学报 2010年1期

于野,刘亚坤,倪汉根,孙韵

(大连理工大学土木水利学院,辽宁大连 116024)

0 引言

在高速水流的泄水建筑物过流面设置掺气设施,促使水流掺气,以减免过流建筑物可能发生的严重空蚀破坏,是水利工程中广泛采用的减蚀技术。试验研究表明,当水中掺气浓度达C=1%～2%时,能大大减轻固壁面的空蚀破坏;当掺气浓度达5%～7%时,空蚀破坏完全消失[1,2]。由于掺气机理复杂,对通气量等问题理论上研究尚不完善,目前有关掺气设施体型优化方面研究成果较少,尚未有成熟的理论方法,多是通过模型试验,对掺气设施的选型进行较系统的研究,并给出有关掺气设施优化选型的一些定性意见[3～5]。

1 工程概况

猴子岩水电站位于大渡河干流上游,是大渡河水电规划“三库22级”的第9级电站,上接丹巴梯级,下接长河坝梯级。电站采用坝式开发,枢纽建筑物由拦河大坝、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物等组成。大坝为高面板堆石坝,最大坝高223 m,堰顶高程1818.00 m,相应库容为6.62×108m3,装机容量1700 MW。

枢纽物有混凝土面板堆石坝、引水发电系统、1条洞式溢洪道、2条深孔泄洪洞、1条深孔放空洞、2条导流洞。2条深孔泄洪洞、2条导流洞布置于左岸;洞式溢洪道、深孔放空洞、引水发电系统布置在右岸。泄水建筑物具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点,其中洞式溢洪道最大泄量4036.6 m3/s,最大单宽流量达到269.11 m3/s,最大流速约45 m/s。

本文利用比尺1∶45的水工模型来分析研究猴子岩水电站洞式溢洪道掺气设施的布置、洞身体型优化等问题。模型按照重力相似准则进行设计。

1.1 原设计方案及试验结果

洞式溢洪道设置三道掺气设施,位置及尺寸见图1所示。

实测的洞式溢洪道通风量及掺气浓度见表1。

表1 洞式溢洪道通风量及相应掺气浓度

1845.41 0.44 1.37 6.53 0.01 0.03 0.15

由表中数据可知,洞式溢洪道在不同工况下各道掺气槽的通风量和掺气浓度都比较小。掺气坎下游的掺气浓度主要与坎上的弗劳德数有关。坎上的弗劳德数越大,即坎上的流速越大,空腔内的压强越小,通气孔的通气量就越大,水流的紊动强度就越大,水流的掺气量也越大,掺气浓度也会越高。因此需要进一步试验改进掺气设施,增大弗劳德数,增加掺气浓度。

图1 洞式溢洪道掺气设施

2 优化方案试验结果及分析

2.1 掺气设施优化方案

参照《水工隧洞设计规范》和《溢洪道设计规范》以及前述方案的试验结果,洞式溢洪道最终采用的掺气设施优化方案如下:共采用三道掺气设施,第一道、第二道、第三道掺气设施的桩号分别为0+884.607m、0+953.18m、1+063.18m;第一道掺气设施挑坎的坡度为1∶8,挑坎高度为 0.5 m,跌槽深度为0.5 m;第二道、第三道掺气设施的坡度为 1∶6.15,挑坎高度为0.65m,跌槽深度为1.35m。具体尺寸、位置如图2所示。