设有掺气分流墩的溢流表孔优化试验

陈文辉，南军虎，陈 晴

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000；2.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050；3. 北京国电水利水电工程有限公司，北京 100024)

0 引 言

随着国民经济的快速发展，大规模水电开发已经成为我国解决能源问题的一个重要途径，然而，高山峡谷处河道相对狭窄，在这种地形条件下建坝，建筑物的布置上通常存在困难，如何避免各表孔水流直接倾砸岸坡和在空中的对撞，并在狭窄的空间内归槽成为首要问题，同时，空蚀、雾化、下游河床及岸坡冲刷等高速水流问题也值得广泛关注。

郭红民等[1]采用数值模拟的方式对比了溢流表孔多种优化消能方案，通过增大挑流反弧半径、优化鼻坎挑角改善出口水流流态；秦根泉等[2]通过模型试验从泄流能力和堰面动水压力等方面验证了表孔溢流堰体型改进设计的合理性；张春满等[3]研究了表孔宽尾墩-深孔窄缝挑坎联合泄洪消能方式，表、深孔不发生空中碰撞，较好地解决了工程中大流量、窄河谷的泄洪消能防冲难题。研究表明[4-6]，强迫掺气有助于减少和防止高速水流泄水建筑物过流壁面上发生空蚀破坏，广泛应用在各类高水头建筑物上。基于此，结合具有河道狭窄、单宽流量大、下游岸坡地质条件差等特点的亚碧罗水电站，采用试验研究的方法，通过优化其整体布局和表孔的挑流型式，并进一步验证通气孔的通风特性、压强特性等水力参数，具有重要的工程意义，成果可为同类工程的设计提供参考。

1 工程简介和试验工况

亚碧罗水电站主要建筑物由重力坝、4个溢流表孔、2个泄洪排沙底孔及地下厂房等组成。其正常蓄水位为1 079 m，坝高为165.00 m。原方案中4个溢流表孔(图1)整体上分高、低两层次布置，1号和3号表孔为高位表孔，2号和4号表孔为低位表孔，宽度均为14 m，由开敞式溢流堰、直线段、反弧段及挑流设施组成，其中堰顶高程1 058.00 m，单孔最大设计泄流量为3 001 m3/s。该工程具有作用水头高、河道狭窄、单宽流量大、下游岸坡地质条件差等特点，且表孔反弧段后水流流速大，空化空蚀问题值得关注。

模型按重力相似准则设计，采用有机玻璃制作，比尺分别为1∶50(单体)和1∶100(整体)，试验工况见表1。试验中流速采用毕托管量测，时均压强采用测压管量测，脉动压强采用压力传感器和DJ800多功能水工数据采集分析系统量测，水面线采用水准仪标定，通气孔风速采用热球式风速量测。

图1 表孔总体布置(单位：m)Fig.1 General arrangement of spillway surface orifice

表1 试验工况Tab.1 Experimental condition

2 整体布置优化

原方案中4个表孔出口挑流型式均为曲面贴角窄缝式鼻坎，并在末端设跌坎式掺气设施。结果表明，由于挑流鼻坎尺寸相同，尽管表孔整体上分高低两层次布置，但水流纵向拉伸不够充分，挑射水流的落点集中在下游河道160 m长度范围内且挑射水流上部水冠较为离散，水流倾砸岸坡，不仅影响下游错落体的稳定，也引起较为严重的雾化(图2)。因此，需从整体布局上解决挑射水流落点集中的问题，并需从细部上优化出口段水流流态；同时水舌下沿的落点位于曲面贴角下部的跌坎内，无法形成有效的掺气空腔，使得通气孔通气不畅；此外，低位表孔反弧段的作用水头在各工况下介于65.41～83.47 m间，在正常蓄水位工况下水流流速达40 m/s以上，故反弧段的掺气减蚀技术值得进一步研究。针对上述问题，结合1∶100和1∶50模型试验研究，对整体的布置进行了如下优化：

图2 原方案流态Fig.2 Flow pattern of original scheme

(1)将高、低位表孔出口段的曲面贴角窄缝式鼻坎分别优化为窄缝式挑坎和掺气分流墩，使高位表孔出口水流纵向拉伸，低位表孔出口水流横向扩散。试验表明，这种布置不仅分散了挑射水流落点，而且节省了消能空间，有效解决了河道狭窄对总体布置带来的困难(图3，工况6)。

图3 优化后的整体流态图Fig.3 Optimized overall flow pattern

(2)根据已有的研究成果[7,8]，从经济及安全角度出发，经过系列试验研究后确定在陡坡直线段桩号下0+055.950 m处设置一道掺气设施，其中挑坎高度0.85 m，跌坎高度0.8 m。

3 低位表孔分流墩优化

低位表孔出口段挑流型式共进行了三种分流墩的试验研究：四面体分流墩、萁舌形分流墩、四面体优化墩(图4)。上游水位1 079.00 m时三种型式分流墩的相关水力参数如表2所示，横向扩散流态如图5所示。由图5(a)可知，在低水位工况下，由于泄槽内水层较薄且横向扩散，挑射水流在尚未到达四面体分流墩顶部时已被对称分开，挑射水流不连续，存在产生雾化的可能；由图5(b)可知，萁舌形分流墩的流线型设计保证了挑射水流的连续性，但其体型较为复杂，且其末端出现较小负压，存在一定的安全隐患；四面体优化墩结构简单，保证了挑射水流的连续性且横向扩散充分[图5(c)]，壁面压力较大，水流归槽情况良好，无倾砸岸坡现象，高位表孔出口段导墙不会阻碍其横向出流，很好地解决了低位表孔的挑流问题[8]。

图4 分流墩体型图(单位：m)Fig.4 The body figure of diversion pier

分流墩体型最大挑距/m扩散宽度/m挑射水舌最高点/m最小压力/m四面体133.046.0995.661.34萁舌形150.045.01 002.97-0.54四面体优化墩125.037.5998.054.86

图5 水流流态比较图Fig.5 Comparison of flow pattern

4 其他水力参数

4.1 空腔长度及通风量

闸门开启后，上游水库及进口段水位平稳，水流绕过收缩圆弧后，靠近侧墙边壁水流呈“V”型沟状，堰顶水面较上游水库水位低。门槽处存在未贯穿的立柱漩涡，高度约为门槽处水深的一半。陡坡直线段水流平稳，在表孔直线段末端设置掺气挑坎及跌坎后，水流强迫掺气，空腔形态、空腔长度及通风量分别如图6和表3所示。空腔长度随上游水位的增大而减小，在试验工况下其值介于15～19.5 m之间。由于空腔长度较大，掺气坎挑射水流落点位于反弧段内，从而不可避免地在挑射水流落点处的空腔内出现回流现象，回水长度介于8.0～12.0 m之间，但各工况通气孔通风，单个通气孔的最小通风量22.48 m3/s，总通风量介于46.21 ～57.46 m3/s之间。

图6 空腔形态Fig.6 Cavity morphology

上游水位/m空腔长度/m回水长度/m左岸通风量/(m3·s-1)右岸通风量/(m3·s-1)总通风量/(m3·s-1)1 070.00 19.5 8.0 24.9822.4847.461 072.49 18.0 8.5 28.7328.7357.461 076.49 17.0 10.0 26.2323.7349.961 079.0016.0 11.0 24.3523.7348.081 080.06 15.0 12.0 23.7322.4846.21

4.2 压强特性

各工况闸门全开时，进口段堰顶以前部分曲线段未产生负压，由于流速逐渐增大，堰面压强沿程呈降低趋势，溢流坝段壁面压强无突变。规范规定[9]：对于常遇洪水位闸门全开情况，堰顶附近负压值不得大于0.03 MPa，对于校核洪水位闸门全开情况，堰顶附近负压不得大于0.06 MPa。研究表明，仅在上游水位为1 080.06 m时(校核水位)堰顶附近出现负压，其值约为-1.27 kPa，满足规范规定，因此堰面曲线选用合理。

表孔直线段各测点压强均为正压，通气孔下游空腔中最大负压值为-13.52 kPa，规范规定[9]：空腔压强以保证空腔顺利进气为原则，可在-2～-14 kPa之间选取，因此满足设计要求。表孔反弧段压强变化符合自由表面凹曲面上水流的压强分布规律，即反弧段中部壁面压强大于上下切点处的壁面压强，且随着上游水位的升高、单宽流量的增大，反弧段压强逐渐从多峰型向单峰型转变；此段壁面压强未出现负压，压强最小值为6.52 kPa。出口段由于分流墩的阻水作用，壁面压强在分流墩前端最大，随后呈减小趋势，在分流墩末端最小且均为正值。

脉动压强均方根沿程变化曲线如图7所示，特征点上的脉动压强系数(脉动压强系数=脉动压强/时均压强)和优势频率如表4所示，其特性可概括如下：

图7 脉动压强均方根沿程变化曲线Fig.7 Root mean square variations of of fluctuating pressure

(1)水头高、泄量大、水流紊动剧烈，脉动压强亦大。堰面曲线段水流稳定，脉动压强相对较小，水流脉动压强在掺气坎下部水舌落点处最大，随后沿程逐渐减小。

(2)除个别点之外，多数测点脉动压强的优势频率在0.033～0.201 Hz范围内变化，属低频，远小于建筑物的固有频率。

(3)计算后可知脉动压强系数变化范围为0.07～0.16。

表4 优势频率Tab.4 Dominant frequency

(4)分析样本的统计特征值，各测点的脉动压力都近似正态分布。

4.3 水流空化数

水力学中常用水流空化数σ来衡量泄水建筑物各部位水流的空化特性，亚碧罗水电站中溢流表孔的水流空化数σ沿程变化曲线如图8所示。可以看出水流空化数沿程呈现先减小然后增大随后又减小的趋势，其中在堰顶处和反弧中部最大，在掺气坎下游空腔内和挑坎段相对较小。流态研究表明，掺气坎保护范围一直到出口末端，掺气坎下游到表孔挑坎末端泄槽近壁面水流为乳白色的水气混合物。但由于局部部位水流空化数较小，最小值为0.15左右、且挑坎末端最大流速接近于39 m/s，结合溢流堰面和反弧段空化空蚀的研究成果[10]，在施工时须控制上述部位施工的不平整度、采用抗冲耐磨材料，并改善运行工况，控制闸门小开度局开运行。

图8 水流空化数沿程变化曲线Fig.8 Variations of flow cavitation number

5 结 语

采用试验研究的方法优化了亚碧罗水电站溢流表孔的总体布置，研究了设有掺气分流墩的低位表孔的水力特性，主要结论如下。

(1)高位表孔出口水流纵向拉伸，低位表孔出口水流横向扩散，使得挑射水流的落点分散，从整体布局上解决挑射水流落点集中的问题。

(2)溢流表孔出口段采用的四面体优化分流墩结构简单，壁面压力大，不仅保证了挑射水流的连续性和整体性，而且横向扩散充分，水流归槽情况良好。

(3)溢流表孔直线段末端(下0+055.950 m)设置掺气设施时，通气孔总通风量介于46.21～57.46 m3/s之间，掺气保护范围包括反弧段及出口段。

(4)反弧段压强变化符合自由表面凹曲面上水流的压强分布规律，脉动压强的优势频率在0.033～0.201 Hz之间变化；脉动压强系数变化范围为0.07～0.16，且各测点的脉动压力都近似正态分布。

(5)由于局部部位水流空化数较小，且流速较大，必须严格控制该部位施工的不平整度、采用抗冲耐磨材料，并改善运行工况。