云南省万花溪水库溢洪道防空蚀试验研究

杨卫甲，岳朝俊，段 寅，张 超

(1.大理白族自治州水利水电勘测设计研究院，云南 大理 671014； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

在水利枢纽工程中，溢洪道作为工程中最常见的泄水建筑物，主要用于宣泄水库设计库容不能容纳的洪水，防止洪水满溢坝顶，确保大坝安全[1]。溢洪道在开闸泄水时，当最大流速超过20 m/s时，根据一般工程经验，此时经过溢洪道的高速水流可能引起局部空化空蚀，导致溢洪道遭受破坏，影响水库安全运行。常见的抗空蚀措施主要有掺气减蚀、优化体型、控制溢流表面的不平整度和采用抗空蚀材料等[2]。麦家煊等[3]推荐采用窄缝式挑坎，潘露等[4]在溢洪道挑流鼻坎体型优化试验基础上提出了一种新型的内凹折线型斜切挑坎，崔玉柱等[5]在巴基斯坦卡洛特水电站项目中通过计算采用了连续式挑流鼻坎和扭鼻坎两种形式。

以上研究或侧重于试验研究，或侧重于数值计算，未对何种工况下出现空化空蚀进行深入研究。本文通过数值计算并结合水工模型试验，研究分析溢洪道在下泄高速水流时何种工况下会产生空蚀、可能产生空蚀的位置以及消除空蚀现象的措施。

1 溢洪道布置及运行工况

1.1 溢洪道布置

万花溪水库工程地处云南省大理州祥云县米甸镇境内楚场河左岸支流金旦河(渔泡江二级支流)下游河段，属金沙江流域。水库死水位2 023.4 m，正常蓄水位2 041.83 m，兴利库容851.0万m3，总库容1 254.9万m3，年供水量1 109.8万m3，设计灌溉面积1 604.33 hm2(2.406 5万亩)。水库为Ⅲ等中型工程，设计洪水标准为50 a一遇，校核洪水标准为1 000 a一遇，消能防冲洪水标准为30 a一遇。

万花溪水库工程溢洪道布设于主坝左岸坡，为河岸式有闸控制溢洪道，堰顶高程为2 038.33 m，轴线方位134°38′04″，呈直线布置。

万花溪水库工程溢洪道全长219.60 m，由进口引渠段、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段、出口挡墙段组成(图1)。

图1 溢洪道纵剖面Fig.1 Longitudinal profile of spillway

1.1.1 进水渠段

溢洪道里程SY0-035.20～SY0+000.00段为进水渠段，位于主坝左岸坡。进口段平面布置为“八”字形喇叭口渐变段，采用C20埋石混凝土浇筑，边墙及底板采用分离式结构。

1.1.2 控制段

控制段位于溢洪道轴线里程SY0+000.00～SY0+015.00段，水平长15.0 m，堰顶高程2 038.33 m，堰型为WES双圆弧曲线型实用堰，净宽6.0 m，单孔布置。

1.1.3 泄槽段

溢洪道里程SY0+015.00～SY0+140.00段为泄槽段，长125.0 m，断面型式为矩形，采用C35钢筋混凝土衬砌，底宽6.0 m，底坡由i=1/10逐步渐变为i=1/2，底部设尺寸为0.8 m×0.4 m的砂、碎石排水盲沟，侧墙顶部设栏杆。

1.1.4 挑流鼻坎段

SY0+140.00～SY0+149.708段，长9.708 m，底宽6.0 m，边墙净高为3.2 m，采用C35钢筋混凝土衬砌，溢洪道的消能方式采用挑流消能，将水流挑至下游河道，挑流鼻坎末端高程为1 988.267 m，反弧半径R=15.0 m，挑射角φ=0°。

1.1.5 出口挡墙段

SY0+149.708～SY0+184.40段为左岸出口挡墙段，轴线长34.692 m，斜长31.0 m，挡墙采用衡重式挡墙结构，衡重式挡墙总高度为6.0 m，墙顶宽0.6 m，挡墙临水面铅垂。

1.2 运行工况

考虑水库调蓄作用，溢洪道在运行过程中出现的主要工况见表1。

表1 溢洪道运行工况

2 数值计算

SL 253-2018《溢洪道设计规范》附录A.7 防水流空蚀设计的相关要求如下。

判别发生空化与否应按以下标准：① 当σ≥σi，不发生空化水流，不会产生空蚀；② 当σ≤σi，发生空化水流，可能发生空蚀(其中，σ为水流空化数；σi为初生空化数)。

水流空化数σ可按下式计算：

(1)

(2)

式中：h0为来流参考断面时均压力水头，m；v0为来流参考断面平均流速，m/s；ha为建筑物所在地区的大气压力水柱，m；X为当地的海拔高度，m；hv为水的汽化压力水柱，m，与水温度有关，查询水的汽化压力水柱与水温关系表可得。

溢洪道各部分的初生空化数σi与所在部位和体型有关，其中，泄槽段初生空化数σi与泄槽的不平整度关系很大，不平整度越大初生空化数越小，发生空蚀的可能性也就越大[6]。

由于在工况4校核洪水位时，溢洪道流速最大，所以采用该工况下溢洪道下泄流量进行空蚀计算。经计算，可能发生空蚀部位的空化数及初生空化数结果见表2。

表2 溢洪道水流空蚀计算成果

由以上计算成果可知，在泄槽陡坡段(底坡i=1/2)及挑流鼻坎段σ<σi，会出现空化水流，可能发生空蚀，需要采取一定的工程措施，以防发生空蚀现象。

3 模型试验

在数值计算的基础上，为进一步研究分析万花溪水库溢洪道在高速水流条件下的空蚀现象，还开展了水工模型试验研究，模型试验的具体工况与运行工况一致。

3.1 模型设计与制作

模型上下游长度应保证建筑物相应位置上下游流态的相似性，模拟范围确定为上游模拟至溢洪道引水渠起始桩号以上至少80 m，下游长度应保证溢洪道挑流消能工下游河道弯道之后50 m，以满足冲坑下游流态的相似性。

模型宽度范围为上游库区宽度左岸70 m、右岸50 m高程2 050 m内的地形范围，下游宽度为高程2 010 m内河道地形范围。

根据万花溪水库工程溢洪道布置和运行特性，试验模型采用正态模型[7]，按重力相似准则设计，并满足阻力相似要求。模型几何比尺λL=30，流速比尺λv=λL0.5=5.477，流量比尺λQ=λL2.5=4 929.5。糙率比尺λn=λL1/6=1.763，由于溢洪道混凝土糙率取n=0.015，对应的水工模型溢洪道的糙率为0.008 5，而有机玻璃的糙率n=0.008～0.010，故采用有机玻璃材料制作模型[8]。

3.2 流速及时均动水压强

各试验工况下水库水面平稳，控制段、泄槽段及其抛物线连接段、挑流鼻坎段水流流态正常，在泄槽陡坡段和挑流鼻坎段流速最大，具体见表3，工况1泄槽陡坡段水流形态见图2。

表3 各种工况下水流速度

图2 工况1泄槽陡坡段水流形态Fig.2 Flow state on the steep slope section of the spillway chute

根据水力学原理，空化发生的条件为p≤pv，其中，p为水流中某点的瞬时压强，pv为水的蒸汽压强，两者均采用压力水柱高度表示，以试验时水温20 ℃计，pv=0.24 m。

模型沿轴线共布置30个测压孔。在各种工况下，除泄槽陡坡段及挑流鼻坎段外，其他部位时均动水压强实测值P测均未出现负压，且均大于0.24 m，时均动水压强值正常，分布合理。泄槽陡坡段(12个测压孔)及挑流鼻坎段(3个测压孔)时均动水压强见表4，5。

由表4，5可知，在工况1条件下，时均动水压强分别在泄槽陡坡段(0+071.600～0+140.000)段Y25处(0+125.266)、挑流鼻坎段Y28(0+141.374)处出现负值，其他部位均为正值且大于0.24 m，时均动水压强值正常，压强分布基本合理。在其他工况条件下，泄槽陡坡段(0+071.600～0+140.000)段及挑流鼻坎段也均为正值且大于0.24 m，时均动水压强值正常，压强分布基本合理。由以上分析结果可知，发生空蚀的部位主要是Y25及Y28处(时均动水压强出现负值)，也就是泄槽陡坡段和挑流鼻坎段。

表4 泄槽陡坡段(0+071.600～0+140.000)段实测时

表5 挑流鼻坎段实测时均动水压强

3.3 水流空化数

由试验测得的时均动水压强可知，溢洪道可能出现空化水流的位置为泄槽陡坡段和挑流鼻坎段，该段水流流速较大，动水压强数值为负值。根据实测流速及动水压强计算该区域不同断面的水流空化数σ，具体结果见表6。SL 253-2018《溢洪道设计规范》4.7.1条中要求水流空化数σ≤0.3的部位应进行防空蚀设计，以此为依据将泄槽陡坡段、挑流鼻坎段水流空化数(表6)与0.3作对比，以判断是否会出现空化水流，是否需要进行防空蚀设计。

表6 泄槽陡坡段、挑流鼻坎段水流空化数

由水流空化数值可知，在工况1～4条件下，泄槽陡坡段(测压孔Y25处)水流空化数最小值分别为0.287，0.252，0.256和0.268，均小于0.30，按照SL 253-2018《溢洪道设计规范》4.7.1条中要求“水流空化数σ≤0.3的部位应进行防空蚀设计”并结合该处时均动水压强数值为负值的情况进行判断，泄槽陡坡段Y25处(0+125.266)发生空蚀可能性最大，需要采取措施防止空化空蚀。而在工况1～4条件下，Y26(0+130.632)、Y27(0+135.999)、Y28(0+141.374)3处测压孔处也有水流空化数小于0.30的情况出现，以规范进行判断，泄槽段末端(Y26、Y27处)挑流鼻坎段(Y28属于挑流鼻坎段)也需要采取措施防止空化空蚀。

4 工程措施及效果分析

数值计算结果表明，在泄槽陡坡及挑流鼻坎段均可能发生空蚀。在水工模型试验中，下泄常遇洪水时，泄槽陡坡段及挑流鼻坎段流速较高，达20 m/s级，局部出现了负压，同时空化数小于0.30，具备产生水流空化气蚀的条件。数值计算及模型试验均表明泄槽陡坡段及挑流鼻坎段均可能发生空蚀。为解决可能出现的空蚀问题，根据以往工程经验并结合万花溪水库溢洪道体型，选择在泄槽陡坡段上部(空化空蚀部位以上)设置掺气坎[9]。

4.1 工程措施

根据SL 253-2018《溢洪道设计规范》的要求，掺气坎应布置在易于发生空蚀部位的上游。设置掺气坎后应确保泄槽流态良好、坎后水流掺气充分、掺气空腔形态合理稳定，同时对水流流态无明显不利影响，水流边壁、挑坎空腔内部不出现过大的负压。在规范要求的基础上，经模型试验研究，最终确定在泄槽陡坡段起始段(桩号0+087.700～0+090.38)设置高度为0.3 m的掺气坎解决空化空蚀问题，掺气坎的具体布置见图3。

图3 溢洪道掺气坎体型(单位：m)Fig.3 Conformation of base aerator on the spillway

4.2 水工模型试验及效果分析

在原水工模型试验的基础上，修改调整增设掺气坎，在表1工况条件下进行新的模型试验。

增设掺气坎后，各工况下模型各部位(尤其是泄槽陡坡段及挑流鼻坎段)均未出现负压，时均动水压强值为正值且均大于0.24 m，时均动水压强值正常，分布合理，并且水流空化数均大于0.30。以时均动水压强值并结合SL 253-2018《溢洪道设计规范》4.7.1条中要求进行判断，增设掺气坎后溢洪道部位不再具备产生空化空蚀的条件。

试验各工况实测数据表明：掺气坎后形成的空腔稳定，坎后水流充分掺气且流态平顺，溢洪道泄槽陡坡段(0+090.383～0+140)及挑流鼻坎段(0+140～0+149.708)均得到有效保护，增设掺气坎后工况1水流形态具体见图4。空腔特征值尺寸见图5及表7。

图4 增设掺气坎后工况1水流形态Fig.4 Flow state in the first condition after aerator installation

图5 掺气坎后空腔尺寸示意(单位：m)Fig.5 Schematic diagram of cavity size after aerator

表7 掺气坎后空腔特征值

模型试验表明：水流经掺气坎上挑后，脱离底部边界并形成较大的稳定空腔，水流在这个过程中掺气充分，水流流态较好，水流平顺，坎后泄槽陡坡段及挑流鼻坎段均得到保护，不再具备产生空化空蚀的条件，空化空蚀问题已得到有效解决。

5 结 语

本文在数值计算的基础上，通过水工模型试验对祥云县万花溪水库工程溢洪道进行研究分析，判断出在高速水流条件下溢洪道是否发生空化空蚀，并确认泄槽陡坡段及挑流鼻坎段可能发生空蚀。同时在此基础上，提出增设掺气坎的处理措施，并通过水工模型试验加以验证，可有效解决万花溪水库工程溢洪道存在的空化空蚀问题，还可为类似工程设计提供借鉴。