三峡电站排沙孔工作门区及通气管道空化特性研究

姜伯乐，张 晖，杨江宁

（长江科学院水力学研究所，武汉430010）

三峡电站排沙孔工作门区及通气管道空化特性研究

姜伯乐，张 晖，杨江宁

（长江科学院水力学研究所，武汉430010）

针对三峡电站排沙孔工作门区及通气管道设计体型，通过减压模型试验研究了通气孔分流对高流速有压泄水段空化特性的影响。成果表明：在通气孔节制阀全开时，通气孔底部出口区会产生强烈的蒸汽型空化，而节制阀区无蒸汽型空化发生；在通气孔节制阀半开或全关时，上述两部位的空化强度大大降低，基本上无空蚀破坏的危险性。为保证高流速有压泄水建筑物安全可靠的运行，工程上要避免该部位出现分流设计。

水力学；三峡电站；排沙孔；分流；蒸汽型空化；气体型空化

1 研究背景

三峡电站左、右厂房共设7个排沙底孔，工作闸门均设在出口段。由于排沙孔工作门水头高（最大工作水头超过80 m），门后有压段呈淹没射流流态，存在强烈的水流剪切区和大体积水流漩滚现象，空化及声振问题比较突出。为此，长江科学院曾开展了一系列的科学试验研究，研究成果表明：当闸门全开后，整个闸门段是免空化的；在闸门启、闭过程中，通气孔的通气效果明显，可满足门后需气量要求，在135 m水位条件下可使闸门区空化处于较弱状态，在150 m水位闸门区空化仍比较明显。因此，建议提升启、闭门速度并在门槽及其下游区域边壁表面采用抗蚀性较强的材料。

2003年6—7月间，三峡工程库水位蓄至135 m，对1＃排沙底孔的水力学安全监测表明：在开门过程中（n＝0～0．8），闸门后通气孔运行正常，风速小于60 m；在闸门开度n＝0～0．8范围，闸门区有一定强度空化产生，但启闭机房未感觉到明显声振；在闸门开度n≈0．9至闸门全开后，通气停止，通气孔口区域空化明显，空化强度较高，启闭机房感觉到明显声振，噪声级达116 dB。初步分析认为：排沙孔闸门全开后，因通气孔未按设计要求关闭，形成分流，而通气孔进口曲率过大，发生了空化和剧烈声振。

鉴于此，开展了减压模型试验，分析验证排沙孔全开条件下通气孔分流是否会引起强烈空化，并判断通气孔分流条件下节制阀门关闭过程中是否引起空化问题，为制定详细的运行调度方案提供科学依据，也可为类似工程的设计提供依据。

2 模型设计

三峡电站左、右厂房共设7个排沙底孔，排沙孔进口底板高程90．00 m，出口底板高程60．50 m，出口段由闸门断面5×3．2 m2收缩至出口断面4×2．8 m2，8．2 m长的有压收缩段向离岸边方偏转0．79 m，整个排沙孔水平长度190 m；在工作门后的顶部设有2个直径80 cm的通气孔，通气孔进口轴线高程80．00 m，其中出口工作门区及通气孔布置体型见图1。

模型选取左厂房1＃排沙孔，采用长度比尺Lr＝28的减压模型对排沙孔工作门区及通气管道体型的空化特性进行试验研究。模型全采用有机玻璃精制而成。排沙孔工作门区及通气管道各部位水听器布置见图1。

目前，关于空化发生、发展的判断，主要有2种方法：目测法和声学测量法［1］。目测法在空化研究中被广泛地使用，可用于粗略判断空化形态和发展阶段。而声学测量法是空化研究的主要方法［2］，这种方法被广泛应用于工程研究中［3－6］。

本模型试验采用噪声功率谱级差法来进行空化特性的判断分析，声谱级差值ΔSPL＝SPLf－SPLo，其中SPLf为所需相似气压下水流中总噪声谱级（谱形图中实线所示）。而SPLo则为经检测确无空化发生时的背景噪声谱级（谱形图中虚线所示），具体为试验过程中的环境噪声，具有低频率（一般20 kHz以下）特性。根据大量模型试验和原型观测资料，文献［7］建议将ΔSPL值达到5 dB作为空化初生的判别指标。当明显地出现某一类型空化时，相应频段上ΔSPL值将达到10 dB以上；当空化较弱，谱级差值ΔSPL介于5～10 dB之间，则视为空化初生阶段。

图1 排沙孔工作门区及通气管道体型布置示意图Fig．1 Layout of sediment release orifices and aeration conduit

根据排沙孔运用水位条件，选取上游水位150．0，135．0 m，下游水位73．8，67．5 m，两两组合共4种水位组合，每种水位组合下进行3个试验工况：工况1为工作闸门全开，通气孔节制阀全开；工况2为工作闸门全开，通气孔节制阀半开；工况3为工作闸门全开，通气孔节制阀全关。具体试验工况见表1。

表1 试验工况表Table 1 Working conditions in the test

3 试验成果

3．1 流 态

在淹没流工况下，当通气孔节制阀为全开时，两条通气管出口的水流在空中交汇，水流的落点距排沙孔出口约30 m。

在减压试验中，当通气孔节制阀为全开时，都可明显观测到通气孔底部出口区因发生强烈空化而产生的空化云，空化云长度的原型换算值可达1～2 m。当通气孔节制阀半开和全关时，该处的空化云消失。

3．2 水下噪声及空化特性

模型共布置3个水听器，其中Z7位于通气孔底部出口区域；Z1位于门槽区；Z10位于通气孔节制阀区域。各部位的水下噪声成果如下。

3．2．1 通气孔底部出口区

通气孔底部出口区的减压试验成果表明：在4种水位组合下，工况1条件下该处接收到的表征空化噪声信息的相对噪声谱级ΔSPL都超过20 dB，ΔSPLmax≈40 dB，表明该处附近产生了强烈的空化，这与原型水力学安全监测过程中观测到的该处发生了严重空化的结果一致；工况2条件下，该处接收到的相对噪声谱级ΔSPL明显降低，ΔSPLmax≈7 dB，为空化初生阶段；工况3条件下，该处接收到的相对噪声谱级ΔSPL进一步降低，ΔSPLmax≈5 dB，为空化初生。以上试验成果表明，当通气孔开始进水时，通气孔节制阀若能关至一半，通气孔底部出口区就不会发生较强的空化。

其中上游水位为150．0 m、下游水位为67．5 m时，3种不同工况下水听器Z7在通气孔底部出口区所测水下噪声资料经处理如图2所示。

图2 通气孔底部出口区水下噪声谱级Fig．2 Spectrum level of underwater noise at the bottom of aeration conduit outlet

3．2．2 门槽区

门槽区的减压试验结果表明：在4种水位组合下，工况1条件下门槽区接收到的表征空化噪声信息的相对噪声谱级ΔSPL最大，ΔSPLmax≈10～25 dB，空化强度达发展阶段；工况2条件下，该处接收到的相对噪声谱级ΔSPL明显降低，ΔSPLmax≈7 dB，空化强度为初生阶段；工况3条件下，该处接收到的相对噪声谱级ΔSPL进一步降低，ΔSPLmax≈5 dB，为空化初生，即门槽区未发生较强的空化。

其中上游水位为150．0 m、下游水位为67．5 m时，3种不同工况下水听器Z7在门槽区所测水下噪声资料经处理如图3所示。

图3 门槽区水下噪声谱级Fig．3 Spectrum level of underwater noise at the gate slot

通过分析门槽区与通气孔底部出口区的水下噪声谱级可知，二者噪声谱级的形状基本一致，且通气孔节制阀开度变化而变化的趋势也基本一致，但谱级差的量级要小，故门槽区的空化源可能来自通气孔底部出口区。

3．2．3 通气孔节制阀区

通气孔节制阀区的减压试验成果表明：在4种水位组合下，工况1条件下该处接收到的噪声谱级在低频段高于背景20～40 dB，气体型空化达发展阶段，但随频率升高，相对谱级差衰减很快，在80 kHz以上高频段，相对谱级差衰减至0～8 dB，蒸汽型空化的强度为初生阶段；在工况2、工况3条件下，噪声谱级的背景高于或重合于相似真空度条件。可见，通气孔节制阀在过流条件下不会出现明显空蚀现象，但会引起剧烈声振。

其中上游水位为150．0 m、下游水位为67．5 m时，3种不同工况下水听器Z10所测水下噪声资料经处理如图4所示。

图4 通气孔节制阀区水下噪声谱级Fig．4 Spectrum level of underwater noise at the control valve of aeration conduit

4 结论及建议

本文通过三峡电站厂房排沙孔工作门区及通气管道体型空化特性的研究，探讨了通气孔分流量的大小对工作门区及通气孔节制阀自身发生空化可能性的关系。通气孔节制阀全开时，通气孔底部出口存在强度为发展阶段的蒸汽型空化，节制阀区存在发展阶段的气体型空化；当通气孔节制阀半开或全关时，通气孔底部出口处的空化强度大大降低，为初生阶段或空化初生，而节制阀区无空化发生。上述试验成果表明，为保证高流速有压泄水建筑物安全可靠的运行，工程上要避免出现高流速有压泄水建筑物段的分流。

针对本工程，结合水力学原型监测的结果，为避免分流产生的空化而引起的剧烈声振和空蚀，保证排沙孔运行的安全可靠，特作如下建议：

（1）各排沙孔工作闸门的启闭速度（时间）均须调整到设计值，并要确保通气孔节制阀门的正常启闭。

（2）为了减免工作闸门在n＝0．9～1．0时的强烈声振，在工作闸门开启的过程中，须在n＝0．9时将通气孔节制阀关闭至零；在工作闸门关闭的过程中，也须在n＝0．9时再开启通气孔节制阀。为此，须适时实施通气孔阀门的关闭或开启操作。

（3）通气孔节制阀具体的启闭时间则须根据工作闸门及通气孔节制阀的启闭速度和实际水力条件确定，可通过实际调试和水力学监测予以验证。

［1］ 吴建华．水利水电工程中的空化与空蚀问题及其研究［C］∥第十八届全国水动力学研讨会文集．乌鲁木齐：中国力学学会，2004：1－18．（WU Jian hua．Cavita tion and Its Damage in Hydro electric Engineering Pro jects［C］∥Proceedings of the 18th National Hydrodynam ics Symposium．Urumqi：The Chinese Society of Theoret ical and Applied Mechanics，2004：1－18．（in Chi nese））

［2］UKON Y．Cavitation Characteristics ofa Finite SweptWing and Cavitation Noise Reduction due to Air Injection［C］∥Proceedings of International Symposium on Propeller and Cavitation，Wuxi，China，April 8－12，1986：383－390．

［3］ 洪 镝，牛争鸣，吴小丽，等．公伯峡水电站旋流泄洪洞空化特性的原型观测与反演模型试验的对比分析［J］．西安理工大学学报，2010，26（2）：129－135．

（HONG Di，NIU Zheng ming，WU Xiao li，et al．Cont rastive Analysis through Prototype Observation and Inver sion Model Experiment of Rotary Flow Dissipation Tunnel Cavitation Characteristic in Gongboxia Hydropower Station［J］．Journal of Xi’an University of Technology，2010，26（2）：129－135．（in Chinese））

［4］ SMITH N Q，JOHNSON M C，BARFUSS S L．Vapor Cavity Collapse Downstream from Orifice Plates［J］．Journal of Hydraulic Research，2008，46（6）：830－834．

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［7］ 郭均立，芦俊英．三峡工程表孔体型空化试验研究［J］．长江科学院院报，2000，17（4）：12－14．（GUO Jun li，LU Jun ying．Cavitation Study on Surface Spillway of Three Gorges Project［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2000，17（4）：12－14．（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Characteristics of Cavitation in Sediment Release Orifices and Aeration Conduits of Three Gorges Hydropower Station

JIANG Bo le，ZHANG Hui，YANG Jiang ning
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The characteristics of cavitation caused by high speed flow in the pressure tunnel of Three Gorges Project（TGP）hydropower station were investigated through vacuum tank experiment to ascertain the design of the sedi ment release orifices and aeration conduitof TGP．The results showed thatobvious steam cavitation was found at the bottom of aeration conduit’s outlet，but no steam cavitation occurred at the valves when they were fully opened．However，when the valveswere half opened or fully closed，the cavitation intensity decreased remarkably and also there was little cavitation erosion risk around both the above mentioned components．It’s concluded that the design of diverting flow should be avoided for the safe operation of pressure tunnelwith high speed flow in hydropower sta tion．

hydraulics；TGP hydropower station；sediment release orifice；diverting flow；steam cavitation；gas cavitation

TV131．32

A

1001－5485（2013）08－0046－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．011

2013，30（08）：46－49

2013－05－06；

2013－06－21

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目（CKSF2012027／SL）

姜伯乐（1973－），男，山东海阳人，高级工程师，主要从事水工水力学研究，（电话）027－82829902（电子信箱）jiangbl＠mail．crsri．cn。