溪洛渡2#泄洪洞掺气坎试验研究

彭 强 王 韦 陈海宏 庞利君

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县相接壤的溪洛渡峡谷段,距离下游宜宾市河道里程184km。水库校核洪水位608.90m,设计洪水位600.63 m,正常蓄水位600m,死水位540m,水库总库容122.3亿m3,调节库容64.6亿m3。枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪建筑物和地下引水发电系统组成;其中泄洪建筑物由坝身7个表孔和8个深孔,左、右岸各2条常规 “龙落尾”泄洪洞组成。

2#泄洪洞位于大坝左岸,进口处检修闸门室底板高程为545.00m,下游接直径为15.00m、坡度为0.009913的压力隧洞,压力隧洞出口设工作闸门,工作闸门下游接断面尺寸为14m×18m、坡度为0.023的城门洞型无压隧洞。分别在桩号1+302.766,1+418.608,1+513.051处设置1#、2#、3#掺气坎。2#泄洪洞纵剖面见图1。

图1 2#泄洪洞纵剖面图

1 设计体形流态及底空腔挑坎优化

模型采用有机玻璃制作,模型比尺为1∶35。设计方案中1#、2#、3#掺气坎只是底部掺气,跌坎高度分别为1.50,1.20,1.50m。分别对设计体形在设计洪水位(600.63 m)及校核洪水位(608.90m)进行了试验。

试验表明,1#掺气坎在两种工况下,虽然坎后的斜坡段较陡,但回水仍到达了通气竖井处,水流只在高速流动的水舌下缘与空腔回水的接触面产生卷吸作用,吸入部分空气到水体中,掺气效果不够理想,因此1#掺气坎需优化,以减弱空腔回水。

2#掺气坎处,从水流条件来判断,水流速度增加,水深有所减小,水流沸汝德数会有所增加,空腔的回水会比1#有所好转。但是由于坎后直线段较短,只有20m长,并且其后接的是反弧段,加之2#坎的坎高只有1.2m,空腔长度较短,为15～17 m,因此2#掺气坎需要优化,以增加空腔长度。

3#掺气坎后为8%的斜坡,掺气应该比较容易,但由于掺气坎前的底板为反弧,且反弧末端的角度约为 7.31°,而 8%的斜坡约为4.57°,因此坎后的底坡缓于坎前的底坡,加之出坎水流的实际角度还会小于7.31°,水流出坎后很快到达底板,并且以较大的角度冲击底板,导致回水加剧。在两种工况下,3#掺气空腔内几乎完全被回水充满,这样不仅堵塞了进气通道,而且也阻止了掺气的发生,因此3#掺气坎也需要优化,以解决空腔回水问题。

经过多次优化后,得到3级掺气挑坎的推荐体形,见图2。试验表明,1#掺气坎空腔长度约为30m,回水也很轻微;2#掺气坎空腔内无回水,空腔长度在不同工况时为25～28m;3#掺气坎空腔内无回水,空腔长约为30m。3级掺气挑坎均满足要求。

图2 各级挑坎底部掺气推荐方案体形图(单位:m)

2 侧空腔挑坎优化

在底部掺气坎推荐体形的基础上,对侧掺气坎的体形进行了研究。

侧墙掺气常用两种形式,一是在掺气坎前加侧向小挑坎,在掺气坎处形成突扩,这种形式在掺气挑坎末端过水断面最窄,有可能会引起局部洞顶余幅不足(对于新修洞影响不大,可通过局部加高来解决),其优点是挑坎下游的侧墙为直线;另一种形式是挑坎前不变,在挑坎后扩宽泄洪洞断面,采用这种形式,挑坎处及其后的水面不会因断面的缩窄而壅高,当下游泄洪洞逐渐加宽时,侧墙可保持直线,若要收缩回挑坎前的宽度,侧墙会存在折线。

根据二滩1#泄洪洞侧墙修复时的研究,当侧墙存在折线时,即使变化很小,也可能在折线后产生负压(二滩模型试验中出现(-2～3)×9.8 kPa的负压)。在流速很大的情况下,出现如此大的负压对防止空化空蚀不利,因此本模型中采用第1种形式,即在掺气坎前加侧向小挑坎来形成侧空腔。

首先在1#掺气坎处加侧向小挑坎,考虑到施工的方便,侧挑坎的起点与底部挑坎的起点设在同一位置,即侧挑坎的长度取为7 m。试验了3种不同挑坎高度,分别为0.30,0.25,0.20m。其平面布置见图3。

在小挑坎高0.30m,设计工况时,在1#掺气坎处激起较高的水翅。2#掺气坎处水翅比1#处略轻,且因水流流速较大,小挑坎的影响造成的冲击波使3#掺气坎后的水流出现较大的水面波动。

小挑坎高0.25m,设计工况时,与小挑坎高0.30m相比,各级挑坎后的水翅均明显减弱,3#掺气坎后的水面波动也明显减弱。但当库水位580m时,与设计工况相比,各部位的水翅均有所增强,随着流量进一步减小,水翅还会更加严重,因此侧挑坎0.25m仍偏大。

图3 1#侧掺气挑坎平面布置图(单位:m)

小挑坎高0.20m时,此体形在各种不同流量下,侧空腔明显短于底空腔。在水舌冲击泄洪洞底板前,侧面的空腔已经全部封闭,因此水舌冲击底板后,侧面没有出流通道,不会因此而形成水翅;同时,此时侧掺气坎的收缩角很小,水流自然扩散到达边壁后,对边墙的冲击作用小,不会因冲击作用形成水翅。

对于更小的挑坎高度,其水翅会更小,但其掺气效果会略差。对于高流速水流的掺气,研究的基本原则是在满足较好的流态情况下,尽可能增大水流的掺气量。从理论上讲,挑坎越高,侧空腔越长,相应的掺气浓度也就更大,因此,侧掺气坎高0.20m在各种不同流量下无明显水翅后,不再进行更小挑坎的研究相关,将此挑坎体形作为推荐体形。

3 1#掺气坎加侧掺气及1#、2#掺气坎加侧掺气坎对比

通过前面的体形优化,分别得到底部掺气坎和侧向掺气坎的推荐体形后,分别在只在1#掺气坎处设侧掺气坎(第1方案)及在1#、2#掺气坎处同时设侧掺气坎(第2方案)进行了试验,并详细地对这两方案测量了沿程的掺气浓度及空腔长度等。试验工况见表1。

表1 工况表

3.1 水流流态

对于第1方案,设计工况时,水流到1#掺气坎后,水体开始掺气,受掺气坎的影响,水面有所壅高。侧空腔结束后水流与边壁接触处有轻微的水翅出现。在2#、3#掺气坎后水面同样壅高。随着流速的进一步加大,掺气效果更加明显,尤其3#掺气坎后全断面都掺气充分。闸门局部开启时,1#掺气坎坎处虽侧空腔在底空腔末端之前封闭,但此时水深较小,在底部水舌冲击作用下,一小部分水仍从侧面冲出形成轻微水翅。在各种工况下,只有在闸门全开时,1#、2#掺气坎底空腔出现轻微回水,其他情况掺气空腔均无回水。

在第2方案中,在2#掺气坎处增加与1#掺气坎相同的侧掺气坎,与前一方案相比,因第2方案仅是在2#掺气坎添加了侧掺气坎,故流态较前一方案无明显变化。所有工况,2#掺气坎处加侧掺气坎后,均无明显水翅出现,满足要求。在2#掺气坎处加侧掺气坎后,在侧掺气坎产生的冲击波作用下,3#掺气坎后的水面波动加剧,但并未出现水流直接冲顶现象。

3.2 掺气浓度

本试验在泄洪洞底部和侧壁布置了掺气浓度测点,测点布置情况见图4。

图4 掺气浓度测点布置图

对于第1方案,试验表明,在大流量情况下(校核工况、设计工况、580m水位全开),1#掺气坎后,底板上的掺气浓度即超过5%,然后沿程逐渐减小,至2#掺气坎前,掺气浓度降低至1.7%左右,经2#掺气坎后,掺气浓度升到7%以上,然后又沿程逐渐减小,虽然经反弧段会有较多气泡溢出,但至3#掺气坎前的掺气浓度仍全部大于2.5%,再经3#掺气坎的掺气后,掺气浓度超过10%,至出口挑坎前掺气浓度仍普遍大于3%,因此底空腔的掺气效果良好。其余工况,由于流量减小,表面自掺气更容易到达底部,因此掺气浓度更高。

对于侧墙上的掺气浓度,在1#掺气坎后的掺气浓度均大于4%,其后逐渐衰减,至2#掺气坎前降低至2%,虽然此时2#掺气坎处没有设置侧掺气坎,但由于此时已经全断面掺气,2#掺气坎掺入的气泡上浮,导致其后侧墙上的掺气浓度有所增大,然后又沿程逐渐减小,至3#掺气坎前侧墙上的最小掺气浓度均大于2.5%,经过3#掺气坎的作用,侧墙上的掺气浓度再一次增大,至出口挑坎前均大于5%。因此1#掺气坎处加设侧掺气的作用明显,它使得从此处开始,泄洪洞沿程侧墙的掺气浓度均大于2%。

第2方案与前一方案比较,对于侧墙上的掺气浓度,差别最大的是测4、测5、测6三个测点,特别是在大流量情况下(校核工况、设计工况、580m水位全开),测4、测5两测点的掺气浓度有明显的提高,掺气浓度大约提高了1%,测6测点也提高了0.5%左右,对于闸门局部开启的情况,由于水深变浅,表面自掺气更容易达到底部,因此两方案的差别不大。对于1#掺气坎至2#掺气坎间的1～3测点,以及3#掺气坎后的7～9测点,掺气浓度变化不大。底板上的所有测点掺气浓度均无明显变化。

虽然在第1方案中,从测得掺气浓度来看,已经保证了其后泄洪洞的全断面掺气,并且壁面掺气浓度均大于1.5%,但由于如此高流速的泄洪洞仍无在此掺气浓度下安全运行的工程实例,且第2方案工程难度并未明显增加,所以第2方案作为推荐方案。

3.3 掺气空腔长度

两方案空腔长度无明显差别,1#、3#掺气坎的各级空腔长度都较长,约为30m,在闸门全开时2#掺气空腔长度比1#、3#掺气空腔长度短,约为26m。

分析不同工况的空腔长度可见,在闸门全开时,水头越高,出口流速越大,空腔越长;在闸门局部开启时,随着开度的减小,水深越来越小,空腔并没有明显变短,且在有些工况有所增长。

4 结 语

通过对溪洛渡2#泄洪洞掺气设施的试验研究,在原设计体形的基础上,通过一些列的优化得到了底掺气坎及侧掺气坎的推荐体形,该体形在各种工况下各级掺气空腔均无回水。侧墙和底部同时掺气时的掺气空腔形态良好,不同条件下均满足设计要求。研究结果表明,侧墙掺气条件下的水流流态与掺气坎体形关系密切,如果体形合理,不会产生不利流态。

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