不同跌坎体型对掺气减蚀的影响试验研究

李京蔚，邱 勇，胡 欣，马运福，陈敬江

（云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201）

不同跌坎体型对掺气减蚀的影响试验研究

李京蔚，邱 勇，胡 欣，马运福，陈敬江

（云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201）

空蚀不仅破坏泄水建筑物出口的过流表面，严重时还会导致主体工程失事。因此，需要采取一定的工程措施改变高速水流区的压力分布，以提高空穴数，进而达到减轻或消除空蚀破坏的目的，而在边坡位置设置跌坎进行人工强迫掺气正是一种可行的选择。本文针对德党河水库泄洪洞出闸水流可能发生的空化空蚀现象，通过模型试验研究，分别测试了0 m×0 m、0.14 m×0.14 m、0.28 m×0.28 m、0.42 m×0.42 m、0.56 m×0.56 m等不同跌坎断面尺寸对下游泄槽临底压力与流速分布及空穴数变化的影响。成果表明：随着跌坎断面尺寸的逐渐增大，测点空穴数变化明显，当跌坎尺寸超过0.42 m×0.42 m继续增大时，测点空穴数趋于稳定，亦即0.42 m×0.42 m和0.56 m× 0.56 m的跌坎体型尺寸能够有效减轻泄槽底板可能出现的空蚀破坏。

掺气减蚀；跌坎体型；试验研究

1 工程概况

德党河水库位于云南省临沧市永德县城边，总库容5 317万m3，正常蓄水位1 445.65 m；设计洪水位（P=1%）1 446.64 m，泄洪洞下泄流量120.00 m3/s；校核洪水位（P=0.05%）1 448.27 m，泄洪洞下泄流量120.00 m3/s。

泄洪洞为导流洞改建而成，位于右坝肩，轴线和溢洪道呈“X”形交叉，总长498.40m（平距），包括进口段、检修闸室段、龙抬头段、有压段、工作闸室段、出口消能段（图1）。其中出口明槽段泄0+ 450.400～0+465.400，坡比i=0，底宽2.50m；泄0+465.400～0+492.400，坡比1∶4.5，底宽由2.50 m渐变至11.6 m（扩散角6°）。根据水力计算成果，校核洪水位运行工况下，出闸水流流速可达25.6 m/s，属高速水流，可能产生空蚀破坏。

图1 泄洪洞出口段纵断面图（单位：m）

2 试验方案

2.1 试验设计模型按重力相似准则设计，采用正态模型。经计算比较模型最终选用比尺λL=35，相应比尺参数：流量比尺λQ=λL5/2=7247.20，时间比尺λT=λL1/2=5.916，流速比尺λv=λL1/2=5.916，糙率比尺λn=λL1/6=1.809。流量控制采用三角量水堰掺气跌坎置于变坡位置（图1），结合试验材料，选择跌坎体型尺寸（H×B）分别为0.14×0.14 m、0.28×0.28 m、0.42×0.42 m、0.56×0.56 m，跌坎通过两侧边墙预留孔和大气联通。

按照水力设计要求，在缓坡向陡坡过度时，宜采用抛物线连接［1］。依据原设计，在相应于布置抛物线段的范围沿纵向在泄槽底板布置三排测点，以测试跌坎下游掺气后的压力和流速分布，进而研究空穴数变化情况：第一排测点位于折坡点下游（0+466.000），第二排测点位里程0+ 481.595，第三排测点位于里程0+477.790。

图2 跌坎体型图（单位：m）

每一排横向均对称布置左、中、右3个测点，分别位于左边墙与轴线中间、轴线位置、轴线与右边墙中间［2-3］。

2.2 方案选取本试验选择校核洪水位（P=0.05%）1 448.27 m工况，分别采用0.1 mm精度的测压管和OA型直读式多功能流速仪测试闸后高速水流纵、横向的压力分布及流速分布，通过空穴数的变化寻求跌坎体型对空蚀的影响。空穴数依据下式计算：

式中：p及v为水流未受到边界局部变化影响处的绝对压强及平均流速；pv为蒸汽压强；ρ为水的密度［1］。

本试验就德党河水库泄洪洞出闸水流可能发生的空化空蚀现象，通过模型试验研究，分别测试了0×0 m、0.14×0.14 m、0.28×0.28 m、0.42×0.42 m、0.56×0.56 m等5种不同跌坎断面尺寸对下游泄槽临底压力与流速分布及空穴数变化的影响［4-5］。

3 数据分析

3.1 对比方案（不设置掺气跌坎）试验测试了未设置掺气跌坎（对比方案）的测点压力、流速分布，在此基础上得到测点空穴数（表1）。

表1 对比方案（未设掺气跌坎）压力、流速以及空穴数分布

从表1可以看出：在里程0+466.000（1-1断面）处，左、中、右三个测点均出现了明显的负压，并且轴线位置负压达-2.94 m，空穴数低至0.15；在里程0+477.790（2-2断面）处，测点压力和空穴数开始回升；至里程0+481.595（3-3断面）处，仅右侧测点出现负压。分析负压产生的原因，在于水流在折坡位置有脱离底部边界的倾向，致使压力降低［6］。

3.2 方案1（0.14 m×0.14 m跌坎）掺气跌坎（布置于水平段末端下游）体型为0.14 m×0.14 m时，测点压力、流速分布以及测点空穴数见表2。

由表2可以看出：较之未设掺气跌坎的对比方案，相应测点的压力有所增大，轴线位置负压由-2.94 m增大到-2.59 m，空穴数同样出现回升，从最低0.15回升至0.18。说明跌坎掺气已经影响到压力和流速的分布，进而导致空穴数的变化，而是效果并不明显。

表2 方案1（0.14 m×0.14 m）压力、流速以及空穴数分布

3.3 方案2（0.28 m×0.28m跌坎）掺气跌坎（布置于水平段末端下游）体型为0.28 m×0.28 m时，测点压力、流速分布以及测点空穴数见表3。由表3可以看出：随着跌坎体型尺寸增大，强迫掺气效果增强，相应测点的压力进一步增大，由轴线位置负压-2.94 m增大到-0.81 m，空穴数进一步回升，由0.15回升至0.34。

表3 方案2（0.28 m×0.28 m）压力、流速以及空穴数分布

3.4 方案3（0.42 m×0.42 m跌坎）掺气跌坎（布置于水平段末端下游）体型为0.42 m×0.42 m时，测点压力、流速分布以及测点空穴数见表4。

表4 方案3（0.42 m×0.42 m）压力、流速以及空穴数分布

由表4可以看出：跌坎体型增大至0.42 m×0.42 m时，里程0+466.000（1-1断面）处，轴线测点负压由-2.94 m回升到-0.74 m；里程0+477.790（2-2断面）处，轴线测点流速也由23.31 m/s下降至16.92 m/s；里程0+481.595（3-3断面）处，轴线测点负压和空穴数也有回升。说明跌坎的强迫掺气效果进一步增强。

3.5 方案4（0.56 m×0.56 m跌坎）掺气跌坎（布置于水平段末端下游）体型为0.56 m×0.56 m时，测点压力、流速分布以及测点空穴数见表5。

表5 方案4（0.56 m×0.56m）压力、流速以及空穴数分布

比较表4和表5，可以看出：相应测点压力、流速以及空穴数的变化不大，说明继续增大跌坎尺寸，虽然会压力会出现低增加，流速微微下降，空穴数会略微回升，然而强迫掺气效果较之方案三不再明显。

3.6 试验成果分析图3为轴线各测点压力分布，图4为轴线各测点空穴数变化情况。在校核洪水位（P=0.05%）1 448.27 m的工况下，从图3可以看出：随着掺气跌坎体型尺寸的逐渐增大，闸后折坡点下游沿程压力逐渐增大，特别是1-1断面轴线位置测点；从图4可以看出：随着掺气跌坎体型尺寸的逐渐增大，闸后折坡点下游沿程空穴数逐渐增大，从方案3到方案4开始处于低增加，趋于稳定。

图3 轴线测点压力分布

图4 轴线测点空穴数分布

由此说明，随着跌坎断面尺寸的逐渐增大，测点空穴数变化明显，当跌坎尺寸超过0.42 m×0.42 m继续增大时，测点空穴数趋于稳定，亦即0.42 m×0.42 m和0.56 m×0.56 m的跌坎体型尺寸能够有效减轻泄槽底板可能出现的空蚀破坏。

4 结语

试验表明，折坡处设置跌坎，强迫掺气效果明显，可以提高其下游泄槽的沿程压力和空穴数，有效减轻空蚀破坏发生的可能性。

就德党河水库泄洪洞闸后水流而言，考虑到掺气减蚀效果和工程经济的问题，跌坎体型尺寸选0.50 m×0.50 m效果最佳。

［1］SL253-2000溢洪道设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［2］常银兵.泄洪洞掺气设施水力特性及体型优化研究［D］.武汉：长江科学院，2013.

［3］肖鸿.高水头泄洪洞掺气设施研究［D］.武汉：长江科学院，2014.

［4］荣岩.泄洪洞突扩突跌掺气设施水流特性研究［D］.昆明：昆明理工大学，2014.

［5］郭志萍，董志勇，韩伟.不同掺气孔径下水流空化特性试验研究［J］.水动力学研究与进展A辑，2013（1）：30-34.

［6］洪新.某泄水建筑物底孔掺气减蚀措施优化试验研究［J］.人民黄河，2013（7）：114-115，119.

Different size drop experiment on the influence of aeration corrosion reduction research

LI Jingwei，QIU Yong，HU Xin，MA Yunfu，CHEN Jingjiang
（College of Water Resources and Hydraulic Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

Cavitation damages flow surface of discharge structures，and may even cause principal structures to collapse when it is severe.Thus it is necessary to alleviate or prevent the damage of cavitation by altering the pressure distribution of high-speed flow region，which raises the incipient cavitation number.Setting aerators with vertical drops at slopes is one of the feasible solutions.In order to protect the flood discharge tunnel of the Dedang reservoir from cavitation，we investigatead the influence of cavitation on bottom pressures of chute at lower reaches，flow velocity and number of holes by creating aerators of sizes 0 m×0m，0.14 m×0.14m，0.28 m×0.28m，0.42 m×0.42m and 0.56 m×0.56m.Experimental results show that as the sizes of aerators grow larger,the incipient cavitation number changes obviously. Until it reaches 0.42 m×0.42m，the incipient cavitation number becomes stable.Therefore we can conclude that aerators of sizes 0.42 m×0.42m and 0.56 m×0.56m can effectively prevent cavitation at the bottom of chutes.

aerated；drop sill；experimental study

TV131.3+4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.06.010

1672-3031（2015）06-0461-05

（责任编辑：李福田）

2015-06-16

李京蔚（1989-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士生，主要从事工程水力学研究。E-mail：1161138145@qq.com