突扩跌坎掺气设施深化研究

周 赤， 李 静

(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

1 研究背景

对于高水头运行的泄水建筑物，如泄洪深孔、底孔、泄洪洞等，一般来说均面临2大问题:即高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题。而突扩型压力泄水道出口，一方面其掺气设施可以满足掺气减蚀要求，另一方面适合于高水头下运用的偏心铰弧形闸门止水或液压密封框止水，能较好地同时解决以上2大关键技术问题。

国外自20世纪50年代开始，高水头泄水孔弧形闸门陆续推广使用偏心铰弧门止水或液压伸缩式止水，门座采用突扩跌坎体型，如日本1959年建成的二濑坝深孔、前苏联1967年建成的克拉斯诺雅尔斯克水电站泄水底孔等。20世纪80年代以来，我国也先后在龙羊峡、东江和漫湾等水电站的泄水孔上采用了该体型，并结合工程对突扩型掺气设施进行了研究［1－6］。近年来，随着我国大型水电站工程的不断建设，突扩跌坎掺气设施也日益得到重视和广泛的应用［7－10］。初步统计显示，国内外采用突扩跌坎布置的已建、在建和拟建工程达30余座。从实际工程中采用突扩掺气设施的运行情况来看，既有成功的经验，也有失败的教训。根据巴基斯坦塔贝拉工程3#泄洪洞、原苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站的底孔、美国德沃歇克坝的3个泄水孔和龙羊峡水电站底孔泄水道4个遭受破坏的工程实例可以发现，在弧形门门底突扩突跌后，必须保证足够的通气量，而结合闸门止水而布置的突扩突跌并不都能满足掺气减蚀的要求，需要对具体工程的水力学条件进行认真的研究。因此，对80 m以上水头泄水建筑物开展突扩跌坎掺气设施的研究，以对其水力特性和空化特性有更深入的了解，对于突扩跌坎掺气设施的推广应用，具有重要意义［11－14］。

2 工程实例

小浪底水利枢纽由导流洞改建了3条多级孔板消能泄洪洞，其中1条孔板泄洪洞，全长约1 100 m，进口底高程175.0 m，进口段水平长度108 m;后接长约140 m的有压管段(D=14.5 m)，三级孔板消能装置均布置在该段;之后为长约85 m的中闸室段，此段布置见图1，中隔墩将泄洪通道一分为二，弧形闸门、突扩跌坎掺气设施、通气系统等均布置其中，弧门前为有压段，门后为明流;明流洞洞径14.5 m，长约750 m，后设挑坎，水流经此挑落入消力池。孔板洞形成2个面积为4.8 m×4.8 m的闸孔，洞顶压坡1∶5，闸孔后两侧突扩0.5 m，跌坎高度1.47 m。

根据溢洪道设计的有关规定，当闸门工作水头超过80 m时，宜采用偏心铰变形止水或液压伸缩式止水方式，这2种止水方式均要求弧形门孔口四周突扩。小浪底水利枢纽孔板泄洪洞中闸室闸门的工作水头和闸门孔口流速，决定了中闸室弧门宜采用突扩跌坎掺气设施。

利用比尺1∶20的局部水工模型，模拟原型泄洪洞长度280 m，包括闸门前约90 m及第三级孔板装置。模型通过调节控制水位和流量，满足试验段水流条件相似。模型中孔口平均流速为6.1～8.0 m/s，明流洞平均流速达6.5 m/s。试验研究中比较了不同水位和不同闸门开度条件，具体参数如表1所示。

图1 小浪底水利枢纽孔板洞中闸室布置示意图Fig.1 Layout of the middle chamber of Xiaolangdi hydropower project’s flood discharge tunnel with orifices

表1 水工模型试验条件Table 1 Conditions of hydraulic model test

3 通气系统及掺气浓度

试验观测了各通气管道的风速及通气量，实测参数见表2［15］。在同一试验条件下，左、中、右通气竖管的平均风速依次增大，右侧较左侧平均风速大1.3～4.5 m/s;通气管风速均随泄洪流量增大而增大;库水位250 m 时，闸门开度2.4 m，左、中、右通气竖管的平均风速依次增大，分别为27.7，29.4，32.2 m/s，相应位置风速值均比闸门开度1.2 m 和4.8 m时大，闸门开度2.4 m通气管风速最大。闸门开度4.8 m时，左、中、右通气竖管的平均风速依此为9.8，10.7，14.3 m/s。通气管满足顺畅补气，管内风速都在容许范围之内。

表2 通气管风速及通气量［15］Table 2 Wind velocity and ventilation volume of the ventilation pipes［15］

根据与3号孔板洞中闸室结构相同的2号孔板闸室原型观测成果［16］，库水位 246.37～248.04 m时，闸门启闭过程中，0.3～0.5 m开度通气管风速最大，最大瞬时风速达55～57 m/s;接近全开时，平均风速为33.5 m/s，且呈减小趋势。原型观测结果和模型试验结果得到的通气管内风速随闸门开度变化的趋势一致，但通气管风速值的模型缩尺影响还是明显的。掺气浓度等测试结果表明，闸门全开时，底空腔回水漩滚区底板掺气浓度在17%以上，此后掺气浓度降至5%以下，距跌坎56.4 m以后，底板掺气浓度在2.3%以下;距跌坎10 m的侧壁掺气浓度低于1%。闸门局部开启条件下，所有测点中底板掺气浓度均在3%以上，侧壁掺气浓度在4%以上。原型观测成果见文献［16］，库水位 246.37～248.04 m 闸门全开时，底空腔回水漩滚区掺气浓度13.2%，此后低于5%。局部开启时观测点掺气浓度相对较大。模型水流掺气浓度的测量结果和原型观测结果是一致的。

4 水流流态

水流经过突扩处，侧向扩散的射流冲击侧壁，向上形成水翅，向下产生水帘。闸门局部开启时，部分水翅越过导水板冲击到弧门支臂、支铰轴及支铰横梁，在2.4 m闸门开度时水翅冲击弧门支臂支铰横梁现象严重;闸门全开时，水翅较弱小，导流板基本将水翅拦住。向下的水帘落在底板后形成薄层流动水体，覆盖在底空腔内底板上。侧壁射流冲击区下游有一片明显的清水区，清水区范围随闸门开度增大而扩大，闸门全开时侧壁清水区最长约25.0 m、最宽约3.0 m。

闸门全开时，能形成稳定、贯通的侧空腔和底空腔。闸门局部开启时，当突扩弧面与闸门弧面间的缝隙完全封住，弧门底缘以下的突扩弧面上出现向侧壁方向的斜轴漩涡，不能形成侧空腔;当突扩弧面与闸门弧面间有缝隙时，形成缝隙射流，该射流沿突扩弧面而下，消除了斜轴漩涡，但将侧空腔与底空腔隔开。

5 压力分布

(1)跌坎下游底板:闸门全开时，底板射流冲击区及其下游，压力沿程分布波动较大;在距跌坎约46 m处，因底坡变化压力明显较大，其下游压力缓慢下降;冲击区最大时均压力值为97.0 kPa。闸门局部开启时，压力分布与闸门全开相同，但压力值降低，冲击区距离跌坎较远，冲击区最大时均压力值为44.4 kPa。底板射流冲击区压力脉动较大，其后迅速衰减，底板射流冲击区最大脉动压力均方根值达42.4 kPa;从时域和幅域特性看，脉动压力具有一定程度的正向脉冲特性，优势频率在23 Hz以下。

(2)突扩下游侧壁:侧壁射流冲击区最大时均压力出现在跌坎下游附近，其后呈明显压力降落，有一段压力在0附近的低压区，然后压力有所上升;冲击区最大时均压力达82.9 kPa，而冲击区后最低时均压力为－18 kPa。射流冲击区压力脉动较大，最大脉动压力均方根值达39.2 kPa;冲击区脉动压力呈明显正向脉冲特性，优势频段在13 Hz以下。

原型观测成果见文献［16］，库水位 246.37～248.04 m闸门全开时，空腔底板为负压，其压力值大于－4 kPa;射流冲击区压力为46.24～58.25 kPa，但压力脉动均方根值达36.58 kPa。原型和模型观测的压力及其脉动在数值上是接近的。

6 结语

(1)模型试验得到优化和验证的突扩跌坎掺气设施布置，通过原型观测和实际运行得到证实是成功的。在保证模型比尺足够大、模型流速达到6～8 m/s条件下，模型试验得到的水力特征参数，如流态、压力、掺气浓度、通气管通气量及其风速等，是能够反映原型实际的。

(2)结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置，是符合实际需求且安全可行的，同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施，具有广泛的推广应用价值。

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