结合工程实例浅谈高速水流泄水建筑物抗空蚀破坏措施

2011-04-10蒋买勇

湖南水利水电 2011年3期

蒋买勇

（湖南水利水电职业技术学院长沙市 410131）

随着我国水资源的大力开发，现存的未开发水电资源点大部分位于高山峡谷中，该部分资源点的共同特点是：挡水建筑物高度较高，泄水建筑物泄流量大，上下水头差大，过流面流速高，且多为流域的龙头水库或大江大河的上游水库。

自20世纪70年代开始，我国在贵州、云南、广西等不同地区，相继已建、在建一批高水头电站，对于200m级高水头电站，泄水建筑物下游过流面水流流速高达50m/s，时均压力较低，极易发生水流空化现象，引起过流面空蚀破坏。其高流速泄水建筑物成功的减蚀措施除控制边壁不平整度和采用抗空蚀材料之外，主要是通过水工模型试验优化泄水建筑物关键部分结构体型和水流掺气，避免结构产生空化或减低空蚀破坏程度。我们可以结合工程特点从设计和施工角度采取合理的减蚀措施。

1 高速水流泄水建筑物抗空蚀破坏的工程实例

20世纪70年代修建的贵州乌江渡水电站，是我国首例成功采用掺气措施保护高流速过流面的工程实例。其泄水建筑物由溢流表孔、左右两岸滑雪式溢洪道、中孔、泄洪洞和放空洞组成。溢洪道最大单宽流量201m3/s·m，最大流速41m/s。工程整个泄水建筑物共设11处掺气减蚀设施，其中滑雪式溢洪道在反弧起点和反弧段各设一道坎槽式掺气设施；左岸泄洪洞在反弧段起点设一道坎槽式掺气设施；右岸泄洪洞在斜坡段一道坎槽式掺气设施，平直段设突坎；4个溢流表孔分别在反弧起点设有一道坎槽式掺气设施。洪水设计频率较低时，泄槽水深达5m，除泄槽底部设有掺气设施外，壁面不再布置其它掺气设施。该工程在高流速区反弧段和斜坡段，每道掺气设施保护长度为（50～60）m，平直段每道掺气设施保护长度接近80m。原形观测显示：每道掺气设施末端最低掺气浓度为1.7%。工程建成运行至今，每年汛期频繁泄洪，建筑物完好如初。

2002年开始兴建的贵州三板溪水电站，其堆石主坝最大坝高187.5m，正常蓄水位475m。泄水建筑物之一的开敞式溢洪道全程水平长684.88m，控制段长47m，泄槽段长637.88m。溢洪道最大下泄量为163001m3/s，最大单宽流量222.73m3/s·m，进出口全程水头差高达140m，其出口段最大流速高达47m/s左右。试验比较了挑坎式和坎槽式两种两种掺气设施：挑坎式运行较省心，但结构复杂，施工困难；坎槽式结构简单，施工便捷，但闸门开启时存在贴壁流，有可能槽内积水。最终选定坎槽式掺气方案。通过1∶40溢洪道掺气减蚀模型试验：将泄槽全程原六道掺气设施改为五道，并调整掺气槽位置。水流流经各道掺气挑坎时，水面波动不大，总体平顺。除掺气空腔出现极小的负压外，泄槽全段不出现负压。兼具放空作用的泄洪洞最大下泄流量2921m3/s，最低运行水位75m，最大水头达140m，沿程最大流速达48m/s。因泄洪洞洞内排水困难，经多次设计修改和模型试验研究，选定的掺气系统为挑坎式，坎下局部变坡接圆弧段，进水塔顶设置两个通气竖井向弧门背后和泄洪洞补气，整个泄洪洞共布置四道掺气坎，泄洪洞两侧设置通气竖井，直接将气体输送至坎下。泄洪洞在放空工况下，第二道掺气坎末端最低掺气浓度为0.93%，其余大部分掺气浓度大于1.7%。

天生桥一级泄水建筑物，丰满电站、东江电站泄水建筑物等工程，皆通过掺气等措施避免了高速水流引起的空蚀破坏。

2 高速水流泄水建筑物抗空蚀破坏的措施研究

2.1 目前主要研究成果

国内外已有许多工程由于空蚀而使建筑物遭受严重破坏，如何减免泄水建筑物的空蚀破坏，它关系到工程的安全运行，是工程设计、施工、管理中一个十分重要的课题。近几年来，一些室内试验、原型观测及实践经验证明减免空蚀破坏的措施大体有如下几个途径：选用合适的过流边界型体；对过流边界的不平整度在施工中予以严格控制；采用抗空蚀性能好的材料；采用通气减蚀设施。

2.2 设计经验

2.2.1 掺气减蚀设计

从工程掺气减蚀设计、试验、原形观测等成果得出：掺气确能减轻或避免高速水流对过流建筑物的空蚀破坏，但掺气设施的最终型式、尺寸、数量等应通过模型试验优化、验证，大型工程还应根据原型观测、跟踪、分析、反馈掺气设施的运行情况及时解决出现的问题，也为今后其它类似工程积累经验。

掺气设施相对位置的确定：掺气减蚀的效果主要取决于掺气设施的布置、结构型式、通气面积、掺气保护长度。试验往往用水面流态、空腔长度、空腔稳定效果、掺气浓度、沿程水压等来衡量掺气效果。应通过试验验证掺气设施布置的合理性。

国内外诸多大型高流速泄水建筑物原型观测显示：反弧段掺气损失高达每米1%左右，直线段沿程损失为每米0.4%左右，坡度愈陡、掺气溢出愈快，保护长度愈短。故在坡度较陡段，每段掺气设施保护长度较直线段短，一般取（50～100）m；直线段一般取（100～150）m，如有试验验证，可放宽至（200～300）m。掺气设施尽量布置于易于发生空蚀破坏和需要重点保护部位。

掺气浓度的确定：每道掺气设施保护长度究竟取多大，至今没有定论，一些高速水流研究者建议按水流底部掺气浓度的沿程损失率来确定，但因泄水建筑物体型、坡降的较大差异性，无恒定标准。

模型试验和工程原型观测显示：当泄水建筑物近壁处掺气浓度达1.5%～2.5%时，高速水流过流面的空蚀破坏程度显著减轻；当近壁处掺气浓度达7%～8%时，混凝土试件基本无空蚀现象。溢洪道规范规定：在掺气槽保护范围内，近壁处掺气浓度不得小于2%～3%。试验和原型观测得出：近壁处由表及里，掺气浓度逐步降低。设计只要保证泄水建筑物底部掺气充分，近壁处的掺气足以保证其不受空蚀破坏，故设计只须在泄水建筑物底部设置掺气设施，侧壁无须另外增加掺气设施。在掺气设施保护的末端，底部掺气浓度可适当放宽至1.2%。

通气孔面积的确定：通气孔面积等于通气量除以风速，通气量同泄量有关。考虑掺气量沿程损失，在掺气设施起始端，掺气浓度往往按5%～6%考虑。通气量等于掺气浓度乘以泄量，泄量按最大工况考虑，最大单宽通气量宜为（12～15）m3/s·m，通风管安全风速应小于60m/s，通风口应有安全保护措施。

空腔压力，应以保证空腔顺利进气为原则，可在（-2～-14）kPa间选取。

2.2.2 抗空蚀结构设计

泄水建筑物是否发生空蚀，除跟过流面的时均压力和流速有关外，跟泄水建筑物的体型也密不可分。每一种体型的泄水建筑物在一定的运行条件下都对应一个初生空化系数。当结构体型设计合理时，可以改变过流边壁轮廓形式，避免边壁出现过低的低压区。反映在试验上，就是水流的空化系数大于结构的初生空化系数。

对泄水建筑物中结构复杂、掺气设施难以布置的关键部分，往往需要设计、科研联合研究出抗空蚀体型，避免高速水流对该部分产生空蚀破坏。

抗空蚀体型分为两种：一种是尽量减低空蚀破坏的体型，另一种是无空蚀结构。顾名思义，“无空蚀结构”就是根据空穴特性确定结构体型，使得空化界面从该建筑物表面分离后不再贴附于泄流建筑物边界上，避免了建筑物边壁空蚀破坏。目前设计、试验、施工中较常采用的为减低空蚀结构，无空蚀结构是研究方向。

三板溪水电站泄洪洞进水口中隔墩尾部，为进水口两洞室出流的交汇处，结构单薄，难以布置掺气设施。其体型的些微变化，直接影响泄洪洞前段的流态，易产生空蚀。为改善该段水流流态，避免水翅和空蚀现象的产生，中南院科研所、北科院、河海大学水电学院试验室，通过水工常规掺气减蚀试验和减压试验，反复修改、优化该部分体型，从最初设计的椭圆柱型、长短潜堰、至最终由椭圆、直线和光滑曲线组成的潜堰，一步步优化，取得了较好的效果，避免水翅和空蚀。

三峡枢纽工程的高水头船闸阀门段体型，经“七五”攻关，最终取得了较为理想的体型，并将此成果推广到其它类似工程。如福建的沙溪口船闸。

好的结构体型，能减低高速水流建筑物的空蚀，在工程界已达成共识并得到重视。近期已建、在建和待建的高流速建筑物，在设计过程中，都是经过反复模型试验、优化而确定最终结构。如：黄河小浪底电站泄洪洞，公伯峡导流洞改建的泄洪洞等，都是将隐患消除于设计过程中。

2.3 施工经验

2.3.1 抗空蚀材料的使用

为确保高流速泄水建筑物的安全，在采用抗空蚀结构和掺气措施的同时，对于重要的泄水建筑物，往往在其过流面采用抗空蚀材料。因大型结构边墙和底板规模大，如全断面采用抗空蚀材料，成本高，经济性不好。为节约成本，往往在过流面衬砌（1～2）m厚抗空蚀材料，增加了施工的难度。目前采用的抗空蚀结构有：硅粉混凝土、HF改性混凝土、参高分子材料混凝土或掺铁粉混凝土等，所有这些抗空蚀材料，各有优劣，共同特点是强度高。使用时应根据工程特性，按照现场试验结果，严格控制工程质量。

2.3.2 过流边壁不平整度控制

在采取掺气措施以后，边壁不平整度控制标准可以适当放宽；当流速在（35～45）m/s时，近壁掺气浓度为3%～4%时，垂直凸体高度不得大于30mm；近壁掺气浓度为1%～2%时，垂直凸体高度不得大于15mm，对于高度大于15mm的垂直凸体，应将迎水面削成斜坡。对于流速高于45m/s的泄水建筑物，不平整度控制更为严格。施工过程中应严格遵循设计要求，对施工缺陷进行修补合格后方能过水。