水流掺气设施布置型式的研究总结与展望

文林森，黄国兵，王才欢，陈东新

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.华南理工大学 电力学院，广州 510641)

水流掺气设施布置型式的研究总结与展望

文林森1，黄国兵1，王才欢1，陈东新2

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.华南理工大学 电力学院，广州 510641)

泄水建筑物在高速水流的作用下常发生空蚀破坏，通常工程中采用掺气减蚀措施来达到对水工建筑物保护的目的。为了总结不同的水流掺气布置型式在高水头大流量的泄流建筑物中的可利用性和重要性，以及各自的主要特点及优缺点，综述了不同型式的掺气措施的结构、原理和工程应用;并对在不同的水力条件下掺气设施布置型式的优化选择及掺气设施布置型式的相关研究进行了总结与展望。

泄水建筑物；掺气减蚀；高速水流；布置型式；水力条件

1 研究背景

近年来，很多重大水电工程建设于西南、西北地区的高山峡谷中，其中高水头、大流量泄水建筑物中的水力学问题十分突出，特别是高速水流的空蚀空化问题。为解决该类问题，掺气减蚀技术应运而生。科学合理地布置掺气减蚀设施可对泄水建筑物的边墙和底板起到良好的保护作用，是工程应用上解决高速水流空蚀破坏问题的有效方法。

掺气减蚀措施最早应用于水力机械。一般分为坎式、槽式、组合式等类别。在高水头泄水工程中的应用是在20世纪60年代开始于美国的大古力坝(Grand Coulee Dam)，该坝泄水孔锥形管出口处多次发生空蚀破坏，但在设置掺气槽后，空蚀破坏现象没有发生过。国内第一个采用掺气减蚀措施的是冯家山水库的泄洪洞。目前掺气减蚀已在溢洪道、泄洪洞、陡槽、闸下出流、竖井等多种泄水建筑物中得到广泛的应用[1]，掺气设施布置被证明是解决空蚀破坏的最有效且又经济合理的途径之一。然而在工程上，不同的掺气布置型式有时对掺气减蚀的效果影响十分显著，掺气设施还需与工程运行条件相匹配才能达到理想的掺气减蚀效果；有的不当布置型式甚至会对工程造成严重蚀损，如二滩水电站1#泄洪洞[1]反弧段末端掺气设施侧壁及底板的破坏、龙羊峡水电站底孔侧墙和底板的破坏、刘家峡水电站泄洪洞反弧段的破坏等。所以掺气设施布置型式的选择是十分重要的，根据不同的地形、地貌等有关条件对掺气体型的适当优化是工程实践中的一项重要环节。因此，水流掺气设施布置型式的总结研究可对实践中的掺气工程如何科学合理地选择布置型式提供重要的指导意义。

本文综述了不同布置型式的结构、原理及部分工程应用，并且对部分工程应用掺气设施的优化选择进行了简单介绍。

2 掺气坎

2.1 掺气挑坎及断面形状优化

掺气挑坎，就是在水流方向设挑角。水流经过掺气挑坎，产生挑射水舌，在落水点与底板碰撞产生紊动并且形成空腔区，此时完成水气掺混，达到对水流掺气的目的。

工程实践表明，掺气坎射流空腔积水，与包括泄槽底坡、掺气坎体型、掺气坎尺寸及来流水力条件等因素有关。徐一民等[2]通过建立掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程，分析计算了在下泄流量和底坡不变的情况下，挑角和挑坎高度的增大会引起空腔长度的增大，而对于空腔积水深度的影响则较弱。

单纯的连续式跌坎挑射水舌的出射角，在横向分布一致，落水点分布在垂直于洞轴线一条横线上，在高速入射水流的剧烈紊动作用下，相邻水流间的互相推动，此时空腔处于淹没与不淹没的临界状态，稳定性较差。当坎高较大，射流水面局部壅高，在高速下洞内流态较差，脉动压力变幅剧增，且在重力作用下，水舌在坎后落水处容易产生反漩滚淹没水流，空腔不稳定；当坎高较小时，空腔一旦回流，回流将恶性发展，使空腔大量积水，加上高速水流的剧烈紊动，回水将减小空腔长度，从而引起通风量减小，使得空腔内气流对挑射到底板水舌的顶推作用减小，这也使水舌落点处的水流容易产生回流。综上所述，掺气坎出口处的横断面形状会直接影响射流水舌所形成的自由空腔形态的稳定性及掺气效果。

当前针对高坝的高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，下游段水深在此流动情况下，重力作用的影响十分显著，反弧末端挑坎后的空腔区容易产生回水阻塞气流，严重时会直接影响掺气设施的正常运行。常规的平面掺气坎已经难以取得理想的减蚀效果。对掺气坎断面形状的优化取得了一定的进展。庞昌俊等[3]提出一种新颖的U型掺气坎。该设施可利用中间U型坎射流的冲击作用，将空腔内回旋水流推向主流，随射流的作用力往下移动，这样小底坡掺气坎后空腔出现的回溯积水问题可以得到较好的改善。

随后，王海云等[4]又通过实验研究提出了一种新型的V型槽式掺气坎，见图1。该设施使坎后射流水舌沿横向方向的高程与挑角沿中心向二侧保持连续性变化，水舌落水点范围即空腔长度，这就可以减弱甚至消除水流落水处产生的碰撞形成回水，水舌与空腔的接触面积增大，有利于水流掺气量的增加。

图1 V型和U型掺气坎平面图Fig.1 Plane graphs of V-shaped and U-shaped aeration step

2.2 突扩式掺气跌坎及体型优化

突扩式掺气跌坎，两边墙壁面向外使泄槽扩宽，两侧出现突扩弧面。当工作门开启运行时，两突扩边墙后形成侧空腔，底部跌坎后形成底空腔，共出现3处水流掺气面。该体型的掺气布置形式理想状态下是两侧空腔和底部空腔相互贯通，可同时对边墙和底板起到掺气减蚀作用。

对于高水头泄水深孔，工程上通常采用偏心铰弧门或者伸缩式水封布置型式来解决闸门止水问题。不论哪种型式都要求门座侧向突扩，底部突跌。在此种情况下突扩跌坎式掺气体型不但满足掺气减蚀的要求，又可以很好地解决此种高水头泄水深孔的闸门止水问题。所以在工程上，突扩式跌坎掺气得到广泛应用，如水布垭高水头放空洞[5-6]、龙羊峡深孔、小浪底泄洪洞、三峡泄洪深孔[7]等都采用突扩跌坎式掺气型式。

有压出口高速水流，在撞击侧扩边墙形成侧空腔的同时，一方面向上形成“水翅”，可能溅击弧形支铰；另一方面在侧空腔和底空腔形成“水帘”，水帘受重力作用沿侧墙滑落入泄槽的底空腔内，形成清水层，使底空腔有效长度减小，影响掺气效果。此外，当掺气体型不符合实际运行条件时，会导致两侧空腔封闭，从而产生涡漩流流态，涡漩流就有可能成为空化源；同时可能导致底空腔有效长度不足，从而减弱掺气减蚀效果。实例中，突扩跌坎掺气体型在运行过程发生空蚀空化破坏的情况为数不少，如美国德沃歇克坝的泄水孔、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等，而产生空蚀空化破坏的原因复杂多样。

水布垭高水头放空洞作为永久性泄水建筑物，工作闸门最高挡水水头152.2 m，运行工作水头0～100 m，最大泄量1 600 m3/s，闸门孔口最大流速约38 m/s，下游明流洞有500 m长，其最大流速达45 m/s，需要布置掺气减蚀设施。综合各方面因素与资料显示，取跌坎高度Δ=1.2 m，侧扩宽b=0.6 m，跌坎后明流底坡i=0.2。该体型的跌坎上可形成射流流态，使得底空腔和两侧空腔稳定且贯通。

小浪底水利枢纽在孔板泄洪洞三级孔板消能装置后布置长约85 m的中闸室段，中闸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，孔板洞形成2个面积为4.8 m×4.8 m的闸孔，跌坎高度1.47 m，闸孔后两侧突扩0.5 m。模型试验[8]与原型观测的验证，证明此种突扩跌坎掺气设施布置的优化满足要求。

由此可见，对突扩跌坎体型的优化显得十分重要，突扩跌坎掺气设施体型参数除应满足闸门止水布置要求，还必须保证两侧及底部有稳定贯通的空腔和足够的通气量。

3 掺气槽

3.1 挑坎掺气槽体型特点及优化

挑坎掺气槽是一种较简单的体型，在工程中的应用是十分广泛的。掺气槽过流，可将整个流动划分为来流区、空腔区和浓度散耗区。其中空腔区则是射流完成掺气的区域。水气界面处的紊动交换作用和射流冲击底板时的局部掺气作用是空腔区内水流完成掺气的2种机理。

掺气设施体型优化在工程实践中有很重要的意义，但目前关于掺气槽体型优化方面的研究很少。掺气槽射流冲击点附近存在旋辊，减小旋辊的大小，可以减少逸气，但也削弱了掺气的效果。在工程运行条件下，掺气槽挑坎坎高的选择，要保证坎后保持稳定的空腔和满意的流态，否则挑坎将成为人工突体，在高速水流经过时将产生分离型空穴，即要求坎高不能太小。就泄洪洞和溢洪道的工程设计而言，还应使掺气保护范围尽量长，而其二者的边墙高度尽量小。

时启燧等[9]、Visvher等[10]通过模型试验对掺气槽的选型进行过较系统的研究。并给关于掺气槽优化选型的一些定性意见。Rutschmann等[11-12]曾对掺气槽的体型优化做过比较系统的研究，但通过与原型实测资料的对比观察来看，误差很大。杨永森等[13-15]通过建立计算挑坎掺气槽坎高的目标优化函数和掺气设施水力特性的数学模型，可以通过数值计算求出通气量、空腔负压、空腔长度等水力参数，从而得出掺气槽的实际工作状况，并得出：来流Fr数越大所需坎高越小，来流Fr数越小所需坎高越大的结论。

3.2 跌坎掺气槽工作原理

跌坎型掺气槽体型偏简单，对水流的流态的扰动相对较小，便于通气孔布置和在低Fr数流动情况下增加水气接触面和通气量，是目前工程建设中比较常用的掺气体型，二滩水电站泄洪洞采用的就是上述掺气体型。

图2 跌坎掺气槽示意图Fig.2 Schematic diagram of aeration tank with falling sill

如图2所示，跌坎处的射流水舌由于脱离底部边界形成空腔，在紊动的作用下，水舌下表面发生掺气。在紊动扩散和压力梯度的双重作用下，水舌内的气泡逐渐地向水体深处发展，从而使水舌断面形成一定的浓度分布。研究表明，跌坎型掺气槽的掺气特性与挑

坎型掺气槽不完全相同，挑坎的设置与否，对水流的紊动结构会造成一定的影响，从而会影响掺气特性。设置挑坎，相当于增加底部的糙率n，这必然会影响到掺气起始流速和掺气层厚度的增长率，导致掺气量的改变。目前对这方面的定量研究相对较少，工程中通常在小底坡的情况下，为了防止重力作用明显造成空腔积水的问题，会在掺气槽前增设挑坎。底坡相对较大，重力作用不会明显在槽内产生空腔回水，射流水舌所产生的空腔长度相对较长，掺气体型相对稳定。在低Fr数的情况，由于重力作用明显，情况亦是如此。

4 工程实践中的组合掺气

目前工程上的一般溢流坝面和斜坡段有掺气坎、掺气槽和组合式等掺气设施。挑坎、跌坎式掺气槽，当坎较小时，掺气槽有效空腔面积和槽下游水流底部掺气浓度都相对较小，水舌对坝面的冲击力也小；当坎较大时，有效空腔面积与槽下游水流底部掺气浓度都相对较大，但水舌冲击力也相对较大。槽式掺气槽的空腔容易被水淹没，水流冲击力较小。然而组合式掺气设施可以结合坎、槽的优点而规避缺点，所以在工程上应用十分广泛。

溪洛渡水电站是位于金沙江中段的一座以发电为主，兼拦沙、防洪等综合利用的大型水电站[16]。水电站坝高278 m，上、下游落差约190 m，两岸对称布置了4条泄洪洞。泄洪洞最大总泄量约16 600 m3/s，采用“有压湾洞后接无压隧洞、龙落尾挑流消能”布置方式。3#泄洪洞原先在明流洞段设计的掺气设施[17]是反弧段末端不连续的三道掺气跌坎。当库水位较低时，三道掺气坎坎下游均能形成较长的掺气空腔，并且没有回水。随着库水位升高，三道掺气坎通气孔内均会出现回水现象，影响掺气效果。通过在原设计的掺气跌坎上增加挑坎，组成挑、跌组合式掺气坎，结果各掺气坎下均能形成稳定的掺气空腔，空腔内回水较少，坎下沿程掺气浓度得到提高，此时组合式掺气设施体现出明显的优越性，因此，掺气坎具体体型参数的选择要根据工程实际情况，具体问题具体分析。

另外组合式掺气槽在型式上主要需考虑有效空腔的面积，它结合了坎、槽的优点。目前国内的冯家山、石头河、以及乌江渡等工程，国外福土阿里亚等工程均采用过上述组合式掺气体型，效果显著。

在布置了多级掺气设施的龙抬头明流泄洪洞中，一般会在反弧段下游附近布设一个掺气设施，但下游侧墙发生空蚀破坏的事例也有报道，分析原因主要是底部掺气需要一段流程才能达到水流中层和表层，而上一级掺气设施所产生的掺气水流经过反弧段后，其水中气泡的溢出速率更快，没有覆盖本级掺气设施的首端侧墙，以致出现侧墙水流掺气盲区，直至发生空蚀破坏，此类情况需尽量考虑底板与侧墙的组合掺气方式。

有一种新的思路[18]是在反弧末端底板设常规掺气设施的同时增加侧面掺气设施，例如在底掺气跌坎上游加设侧挑坎，即侧墙贴角，另一种是将底掺气跌坎下游的二侧边墙向外突扩。此类研究成果目前在工程上已经得到验证。

二滩水电站1#泄洪洞采用常规底部掺气设施，反弧段及下游底板的掺气减蚀效果良好，不过反弧段下游侧墙却出现了空蚀破坏，总长约400 m的衬砌遭受严重破坏，并在基岩上形成数个冲坑。通过对1#泄洪洞2#掺气坎(反弧段下游)体型进行优化改造，采用在反弧末端上游侧墙贴角加凸型跌坎的三维组合掺气方案[19]，原型观测[20]表明，此方案能够增加2#掺气坎下游侧墙的水流掺气浓度，坎下游底板和侧墙均未再出现空蚀问题。

5 掺气设施布置型式研究展望

多项工程实践表明，传统的单一的掺气设施并不能满足复杂的水力条件。掺气设施的研究进展还远远没有结束。当前多数情况下，组合式掺气体型体现出显著的优越性。未来，根据实际条件对掺气设施的体型优化则显得愈发重要。不同的掺气设施组合型式可能会达到不同的效果，本着对泄水建筑物起到保护的目的，开发不同条件下的不同掺气设施组合将会是将来的工作重心，而创新全新的满足掺气要求的掺气设施布置型式则是将来的研究方向。

6 结 语

本文对不同的泄流建筑物掺气设施体型、功能、原理进行了分析与总结，阐明了目前随着高坝建设的不断创新和发展，掺气设备对高速水流进行掺气以防止产生空蚀破坏愈发显得重要。

工程中不断出现的蚀损问题表明了水流掺气布置型式的研究还有很大空间，而已经存在的掺气体型，根据工程实际情况进行优化则显得十分重要。对于大流量高水头泄水建筑物组合式掺气体型已经表现出显著的优越性。在底板、侧墙等易产生空蚀空化的地方增设有效的掺气设施，以及创新更加有效的水流掺气技术还需作进一步的工作。

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(编辑：姜小兰)

Summary and Prospect of Researches on the Layoutof Water Flow Aerators

WEN Lin-sen1, HUANG Guo-bing1, WANG Cai-huan1, CHEN Dong-xin2

(1.Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010，China;2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641，China)

Cavitation damage often occurs in outlet structure under the action of high-velocity flow. Measures of aeration and cavitation mitigation are often taken in engineering to protect hydraulic structures. The availability and importance of different layout types of water flow aerators in outlet structures with high water head and large discharge were summarized. Their characteristics, advantages and disadvantages, the structure, principle and engineering application of aeration measures in different layout types were reviewed. And the optimal selection of layout types of aerators under different hydraulic conditions was also summarized.

outlet structure; aeration and cavitation mitigation; high-velocity flow; layout; hydraulic condition

2015-12-29;

2016-02-28

国家自然科学基金项目(51379020，51279013)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2014042/SL)

文林森(1992-)，男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学，(电话)13026192956(电子信箱)wenlinlinsen@163.com。

10.11988/ckyyb.20151121

2017,34(4):52-55,60

TV135

A

1001-5485(2017)04-0052-04