岸边导流底孔水力特性模型试验研究

2022-10-12闫新建罗永钦

水力发电 2022年8期

杨磊，袁强，赵伟，李欣，闫新建，罗永钦

(1.昆明理工大学电力工程学院，云南昆明 650500；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院，云南昆明 650051)

0 引言

导流底孔运行水位变幅大，易引起立轴旋涡、明满流交替、空化空蚀、泄洪振动等不良水力现象，常采用模型试验对其进行研究，以保证其导流安全[1-2]。导流底孔淹没水深较低时，会在进水口形成立轴旋涡，降低过流能力，恶化流态，吸入漂浮物，引起建筑物的振动，危及水工建筑物的安全[3-5]。明满流交替现象常伴随着吸气旋涡、闸门井吸气，会增大洞内的压力脉动，使洞体长期处于交变负荷作用下，危及洞体运行安全[6]。郭军等[7]基于三峡水利枢纽导流底孔试验表明，短有压管流速高，可能引起水流的空化空蚀，泥沙可能引起底板和壁面的磨损，运行风险高。吉雪松等[8]基于观音岩1号导流底孔模型试验表明，闸门井窜水不仅会改变导流底孔内的流态和空化特性，还会降低泄流能力。针对导流底孔可能出现的上述安全问题，国内学者对于消涡研究多聚焦于来流条件、边界条件、临界淹没水深[9-11]；黄国兵[12]、李蘅[13]等表示通过优化进口体形消涡、出口压坡，可减小明满流交替区间，避免空化空蚀危害；三峡大坝导流底孔通过改善主纵梁周围的局部水流条件和减小耦合作用力的面积，显著减小闸门振动[14]。

因导流建筑属于临时性建筑，目前我国对关于导流底孔模型试验均基于特征水位及流量进行，很少针对不同水位变化下的底孔水力特性进行研究[15]，现行标准除了泄流能力必须满足设计要求外，对其余不良水力学指标也未做强制性要求[16]。随着“一带一路”的推进，国外水利水电工程建设增多，在国外水力学专家的咨询过程中，常提出需分析导流建筑物不同库水位下的导流安全，这与我国国内标准的要求有一定差异，导流的水力设计受到一定质疑。通过科研试验，准确回答导流建筑的泄洪安全，对于我国水利水电建设标准走向世界，是重要的支撑。本文以老挝南俄4水电站为研究对象，通过水工模型试验，详细测试、分析评价岸边导流底孔不同库水位运行下的泄流能力、水力特性，给出工程建议，旨在为国外工程的导流建筑物设计与运行提供借鉴。

1 模型试验的总体设计

老挝南俄4水电站的导流底孔位于枢纽左侧坡脚，导流底孔为平坡，进口底板高程985.00 m，全长52.5 m；上游明渠宽8 m，导流底孔进口喇叭口高11.5 m，洞身段高8 m，宽5.5 m，闸门井顶部高程为1 010.00 m，底孔体形见图1。导流建筑物级别为4级，导流底孔导流标准为20年重现期洪水，设计泄流量988 m3/s，对应上游库水位为1 028.35 m，运行的库水位的变幅达43.35 m。

图1 导流底孔体形(风速、压力、流速测点布置)

在导流底孔洞顶(测点B1～B9)、洞底(测点C1～C4)中心轴线上布置内径1.5 mm的紫铜管和内径10 mm的测压管，测量水流的时均压力；脉动压力用脉动压力传感器与DJ800数据采集系统测量。在导流底孔进、出口断面采用旋浆流速仪测量断面底表流速(测点D1～D4)；流态用数码摄相机照相与录像。为了定性研究闸门井的补气问题，用风速仪测量闸门井的中部进气风速(测点A1)。

为系统分析不同库水位下导流底孔的立轴旋涡、明满流、压力特性的变化趋势与程度，拟定7个试验工况；为了评价高水位进口闸门井的是否加顶盖对泄流能力、水力特性的影响，拟定4个试验工况，进行了相应的对比试验。

2 模型试验成果分析

2.1 泄流能力

首先选择2个特征水位分析闸门井顶部加盖对泄流能力的影响，见表1。从表1可知，当水位分别为1 016.000 m和1 025.000 m时，闸门井顶部不加盖的实测流量比设计值分别小1.61%和0.53%；加盖的实测流量比设计值大12.9%和6.10%。综上，闸门井顶部不加盖的泄流能力不满足设计要求，高水位运行时，导流底孔的闸门井顶部需加盖封堵。

表1 闸门井是否加盖的实测流量比较

图2 导流底孔闸门顶部加盖后水位流量关系曲线

从图2可知，泄流量小于278 m3/s时，实测库水位与设计库水位几乎一致；泄流量为278～538 m3/s时，相应实测库水位为995.479～1 003.030 m时，高于设计库水位0～1.08 m；泄流量为538～988 m3/s时，实测库水位均低于设计库水位。虽在局部的流量区间水位未达到设计值，但导流底孔的泄流能力总体满足要求，可通过施工程序的调整，达到顺利泄洪的目的。

在底孔泄流区间为278～538 m3/s(对应库水位为995.479～1 003.030 m)，实测泄流能力未达到设计值，通过试验观察，该水位区间正是立轴旋涡产生、发展的阶段。表明导流底孔进水口前的立轴旋涡会减小设计过流能力，减小幅度最大为10.97%，需通过试验进一步评判立轴旋涡及其他水力参数对底孔泄洪安全的影响。

2.2 流态

不同水位下导流底孔进口流态见表2。从表2可知，在闸门井顶部高程1 010.000 m以下运行时，在库水位995.087 m以下，底孔水流均为明流，流态均很好；在库水位在995.087～996.572 m水位区间(工况1～工况3)，水流在上游明渠总体平顺，进水口为明流，有绕流现象，水面呈左高右低，进水口、闸门井有进气现象，进口最大风速0.8 m/s，闸门井最大风速0.8 m/s，水流在压力测点B6前半段为明流，后半段至底孔出口均为满流；在库水位为997.067～998.282 m时(工况4～工况6)，水流在上游明渠总体平顺，导流底孔进口右上方产生间歇性吸气旋涡(见图3)，吸气量较少，闸门井进气风速较低，无明满流交替现象，洞内可看见一串小气泡；水位为998.282～1007.000 m时(工况6～工况7)，立轴旋涡强度呈现先加强后逐渐消失的规律，最后水面趋于平静。

在闸门井顶高程1 010.000 m以上运行时，若闸门井不加盖，在库水位1 016.000 m时，导流底孔进口右侧有直径大小为0.90～1.80 m的串通吸气旋涡，洞内为明流；在库水位1 025.000 m时，导流底孔进口右侧有直径大小为2.25～2.70 m的串通吸气旋涡，洞内为明流。若闸门井加盖，在库水位1 016.000 m时，导流底孔进口左侧有间歇吸气旋涡，最大直径达为1.80 m，洞内为满流；在库水位1 025.000 m，导流底孔进口无明显旋涡，进水口水面呈逆时针旋转，洞内为满流。

2.3 立轴旋涡

水位淹没至闸门井顶部以下时，淹没水深较低，进口前出现扰流现象，未形成明显立轴旋涡，旋涡半径随着淹没水深的增加呈现先增后减的趋势(见图3)，变化趋势与王英奎、赵雪萍等在试验中的结论一致[17-18]，且本工程的旋涡也有其特有现象与规律。

2.3.1 立轴旋涡位置分布

库水位淹没至闸门顶部以下时，立轴旋涡的分布位置随着水位上升，不会有较大改变，多集中于进水口右上方(见图4)。初步分析底孔右侧水域开阔，进流量相对比左侧大，在吸入进水口时流速逐渐增大，右侧流速大于左侧流速，形成速度环量，造成水面逆时针旋转而形成立轴旋涡。

库水位淹没至闸门顶部以上，闸门井是否加盖两种情况下，立轴旋涡均重现，但旋涡位置不一致，闸门井不加盖的旋涡位于进水口右侧，加盖后旋涡位于进水口左侧(见图4)。分析原因，水位淹没至闸门井以上，闸门上部水域边界变得更连续、宽广，有利于旋涡的产生，加盖与否旋涡的位置不同，也再次证明底孔进口易在水面开阔一侧形成立轴旋涡。

图4 不同水位下立轴旋涡上游立视位置

2.3.2 临界淹没水深分析

实际工程常用临界淹没水深Sc来推断进水口前产生有害旋涡的最小水深，进水口前轴向流速和切向流速共同作用形成立轴旋涡，发生旋涡时，轴向流速主要由弗劳德数Fr决定，切向流速主要由环量数NΓ控制[19]。许多学者得到的临界淹没水深经验公式大多与弗劳德数Fr和环量数NΓ有关[20-22]。

1970年Gordon[23]根据29个常规水电站的原型观测数据得到临界淹没水深的经验公式，目前我国的《水电站进水口设计规范》采用的就是该公式，即Sc=kVD1/2，式中，V为进口断面流速，m/s；D为水口直径，m；k为系数，正向进水取0.543，侧向进水取0.724。

本工程进水喇叭口高11.5 m，若采用特征洪水频率P=5.0%(导流底孔泄流量Q=501 m3/s)计算临界淹没水深，实测进口流速为5.27 m/s，用该公式按正向进水计算的临界淹没水深为9.71 m，对应库水位为1 006.210 m，模型试验表明库水位1 007.000 m时水面已平静，模型试验值与理论计算值基本吻合，表明在水力边界未改变情况下，我国规范临界淹没水深的计算公式是合理的。

2.4 水面线

在库水位995.087～995.222 m时(工况1～工况2)，导流底孔前半段为明流，测压点B6之后为满流；在库水位996.572 m时(工况3)，在测压点B6附近为明流，其余部位为满流；当库水位为1 016.000、1 025.000 m闸门井不加盖时(工况10、工况11)，洞内呈现为明流；其余工况均为满流。

导流底孔不同工况水面线见图5。从图5可以看出，当水位即将淹没进水口时易造成明满流交替。当淹没至闸门井以上时，不加盖会产生高强度吸气旋涡，吸入大量气体，闸门井窜入的竖向水流与底孔主流垂直交汇，导致底孔脱流，洞内呈现为明流，相比闸门井加盖情况，洞内过流面积最大减小7.48%，继而影响过流能力。

图5 导流底孔不同工况水面线

2.5 脉动压力

脉动压力是评判导流建筑泄洪安全的重要指标，库水位在闸门井顶高程以下且为立轴旋涡发生的水位区间时，库水位分别为997.067、997.922、998.282 m，进口洞顶最大脉动压力均方根分别为44.78、46.34、56.58 kPa，脉动压力与立轴旋涡的强度与大小呈明显正相关，表明因旋涡吸气，进水口附近水流紊动强度随之加大，导流底孔进口处洞顶脉动压力也相应增大，但脉动压力值总体不大，不会产生严重危害。

库水位高于闸门井顶高程，顶部不加盖导致脱流，洞内为无压流，脉动压力相对较小。库水位为1 016.000、1 025.000 m，闸门井不加盖时，导流底孔洞顶、洞底最大脉动压力均方根分别为0.68、2.68 kPa；闸门井加盖后，导流底孔洞顶、洞底最大脉动压力均方根分别为22.52、3.56 kPa。脉动压力主频均在0.45 Hz以下，属于低频脉动，一般不会引起流激共振。

综合分析表明，在立轴旋涡产生的水位区间，底孔进口脉动压力均方根相比无涡时会增大约2～3倍，在运行时可加强对洞口的监测，避免洞口顶部承受过大的交替荷载而遭受破坏；底板脉动压力均方根均未超过4 kPa，不会危及底板的泄洪安全。

3 原型运行情况

原型在137 m3/s泄流量下，实测水位库991.804 m，来流由上游导流明渠均匀平顺引入导流底孔，进水口前无绕流等不良现象，泄流能力满足设计要求，与模型试验观测结果一致(见图6a)。

图6 原型及模型对比

2021年6月13日发生强降雨，洪峰流量约750 m3/s，原型上游库水位为1 004.121 m，进水口发现产生吸气旋涡(见图6b)，漂浮物进入底孔进口的水面。模型试验上游库水位为1 007.000 m时，库区水面平静。原型旋涡出现水位、位置与模型试验结论一致，位置多集中于进水口右上方，经过泄洪考验后，工程运行安全。