深孔短管掺气设施方案研究

深孔不设掺气设施的斜直泄槽方案,泄槽底板的最小水流空化数虽已达0.3,满足设计要求,但深孔设计水头为85m,最大运行水头90.4m,明流段最大流速超过35m/s,按溢洪道设计规范,要求设置掺气减蚀设施,以防施工平整度达不到要求而引起水流空化与空蚀。另一方面,根据闸门设计和运用实践,认为水头超过80m宜采用偏心铰变形止水或液压伸缩式止水,两种止水型式均要求在闸门后孔口突扩,形成周边止水平台。三峡水利枢纽深孔闸门的设计水头略大于80m,因此有关专家提出结合深孔闸门止水布置突扩掺气减蚀设施。

5.2.2.1　突扩掺气方案研究

为研究突扩掺气在三峡深孔上运用的可行性,曾进行了两方面的工作:即对工程实例进行调查分析;对水力学模型试验进行研究。

结合高压弧形门止水布置的突扩突跌式掺气设施,长委会设计院收集了国内外不少工程实例,如表5.3所列。其中大部分运行良好,获得了预期的掺气减蚀效果,但也有少数工程,在突扩突跌下游仍发生空蚀破坏。

表5.3　国内外弧形闸门后突扩突跌式布置工程实例

如前苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站的底孔,1967年投入运行,工作水头60m以下,1968年检查发现有空蚀破坏,其原因是通气量不足所致。巴基斯坦塔贝拉工程3号泄洪洞,1974年检查发现在混凝土陡槽底板上残留水泥砂浆块,其下游发生空蚀破坏,后来在陡槽起始段增设了挑坎掺气设施,未见再发生破坏的报导。美国德沃歇克坝设有三个泄水孔,经泄水一个月后,三个泄水孔均发生不同程度的空蚀,经分析,其原因为边界不平整引起。我国龙羊峡水电站底孔泄水道1987年开始运用,过水历时5417h后,发现泄槽不同部位发生了轻微的破坏;1988年过水历时137h,当年过水后没有检查;1989年过水历时1583h后,经全面检查,发现泄槽部分遭受了比较严重的空蚀破坏;经分析认为,破坏原因除前两年的破坏未及时修复外,水流掺气不足及混凝土浇筑分段接缝不平是其主要原因。

从以上4个遭受破坏的工程实例可以看出,在弧形门门底突扩突跌后,必须保证足够的通气量,结合闸门止水而布置的突扩突跌并不一定能满足掺气减蚀的要求,要对水力学条件进行认真的研究。此外还要保证突扩突跌下游过流面的平整度和混凝土质量,否则仍有可能发生空蚀破坏。

长江委设计院综合了文献[13～15]中对突扩掺气的研究成果,认为任何这类掺气措施,都有一个临界通气水头,当工作水头大于临界通气水头时,水流四周均与边界脱空,形成稳定的底空腔和侧空腔,工程设计中应保证获得这种流态。对于三峡深孔,临界通气水位定为135.0m。

长科院对图5.6所示的方案经过计算分析,并进行了比尺为1∶35的断面模型试验,结果认为该方案流态尚属正常,泄流能力可以满足设计要求,空腔长度满足掺气需要,有压段及明流段的压力分布无异常。但模型所测反弧段的掺气浓度较小,因此判断其减蚀效果较差,有一部分侧墙上接近水流空化初生。

水科院进行了减压模型试验[16],其模型比尺为1∶30,试验方案与图5.6剖面基本相同,仅跌坎位置略后移至桩号20+20.8m处,试验结果表明:有压段未见到水流空化带,进入明流段后才出现水流空化。侧空腔始终与底空腔是贯通的,侧空腔下游侧壁区掺气很少,空化带在该区溃灭时,仍有可能发生空蚀,侧墙的空蚀破坏应予以足够的重视。跌坎上增加小挑坎对增加侧壁附近的掺气浓度,改善出口流态有较好的作用,但其体型尚待优化。

5.2.2.2　跌坎掺气方案研究[17,18]

跌坎掺气方案的研究重点是跌坎位置、跌坎和挑坎高度、泄槽底坡和通气孔尺寸。有压段与图5.6的体型相同。跌坎位置设在弧门底座下游5.0m处,桩号为20+23.42m。在比尺1∶35的断面模型上进行了三种组合方案的试验研究。

方案Ⅰ:跌坎高度2.0m,泄槽底坡i=1/5,通气孔直径φ1.0m,鼻坎顶高程为80.56m;

方案Ⅱ:跌坎高度1.2m,泄槽底坡i=1/4,通气孔直径φ1.1m,鼻坎顶高程为79.93m;

方案Ⅲ:跌坎高度1.0m,泄槽底坡i=1/3,通气孔直径φ0.9m,鼻坎顶高程为77.98m。

图5.6　泄洪深孔突扩掺气方案体型

(a)剖面图;(b)平面图;(c)详图A;(d)短管出口下游剖视图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

试验表明,三种方案在设计运用水位135.0～180.4m范围内,跌坎下游均能形成稳定的空腔,但在流态、空腔特性和压力分布方面又有所差异,经综合比较,以方案Ⅱ的体型较优,如图5.7所示。

由于掺气浓度量测结果显示其减蚀效果仍较差,将上述方案略作修改如图5.8所示,在比尺为1∶35的减压模型上进行研究。减压试验表明:跌坎及其下游坝面一定范围内、反弧段和鼻坎,在各级水位下均无空化。

5.2.2.3　新一轮大比尺突扩掺气方案研究

三峡深孔决定采用掺气减蚀措施。跌坎掺气方案应用经验较多,但难以解决好闸门止水问题。突扩掺气方案虽能同时解决高水头泄水孔掺气减蚀和闸门止水难题,但试验发现突扩掺气设施下游流态复杂,侧墙掺气浓度小,且已建工程有采用此类掺气设施后仍发生空蚀破坏的实例。故仍按跌坎掺气方案设计,但对闸门止水问题需深入细致地研究论证,同时进一步开展突扩掺气方案研究。为此长科院、水科院及清华大学水利水电工程系分别对突扩掺气方案的体型进行了大比尺新一轮的模型试验。该三单位的研究成果简介如下。

图5.7　泄洪深孔跌坎掺气方案体型(www.xing528.com)

(a)剖面图;(b)平面图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

图5.8　深孔突扩掺气剖面大样图

(a)详图A;(b)门槽详图;(c)短管出口断面示图;(d)原设计压坡起点体型详图B;(e)优化压坡起点体型详图B
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm,A、B详图位置见图5.6)

(1)长江科学院的研究成果。

1)深孔突扩跌坎掺气方案的数值计算[19]。该项计算是与清华大学水利水电工程系共同完成,主要研究内容有:建立三峡泄洪深孔的三维水流数值模型;计算不同方案的流速、压力、自由面和空腔形态、空腔通气量等水力参数;论证突扩掺气的可靠性和安全性。

该计算模型的剖面与图5.6基本相同,但将进口曲线改为:顶曲线方程,侧曲线方程对不同优化途径,共计算了不同参数的11个方案,其主要设计参数列于表5.4。数值计算结果基本反映出试验中观察到的各种复杂的水流现象。

表5.4　三峡深孔突扩掺气方案主要设计参数

2)深孔突扩掺气方案1∶30常压、减压模型试验[20,21]。该项试验对图5.8及图5.9所示的不同尺寸的折流器、突扩弧面、有压段出口顶板压坡和挑坎进行了优化研究。该项研究表明:三峡深孔突扩体型如布置不当将在侧空腔下游发生水流空化,影响该类空化的体型因素主要有:有压段出口顶、底板坡度、侧向折流器型式及侧扩弧面水平长度等。侧向折流器可保持侧空腔通畅,但也加剧了侧壁冲击区的压力脉动,易于在该区产生水流空化,缩短侧扩弧面水平长度,有利于减免水流空化和使侧空腔畅通。试验方案中的方案十六(见图5.9)可免于水流空化,保持侧、底空腔的贯通,但必须加大通气管直径。

图5.9　深孔各试验方案突扩体型简图(单位:m)

3)深孔突扩掺气方案1∶20水工常压模型试验[22,23]。本项试验研究了四种方案,主要的体型参数见表5.5,其中比较了侧向折流器侧扩水平长度、侧扩宽度及顶板压坡对水力特性的影响。试验结果认为,方案四为“免空化”体型。由于突扩掺气体型使突扩后的水流流态复杂化,若布置不当,可使侧壁水流冲击区成为空化源。所建议的“免空化”体型应将主通气管直径扩大。报告中还建议在突扩下游侧壁作20m长钢衬砌保护,因为该段水流的近壁掺气效果不佳。另外,对明流段过流边界(尤其是侧、底水舌冲击区及其下游)仍应严格控制平整度,因为在槽面水舌冲击区及其邻近区的掺气浓度不到1%左右。

表5.5　各方案突扩体型主要参数

(2)水科院的研究成果[24]。试验的基本体型与长科院上述试验体型基本相同,均由设计单位提供,为常压单孔模型,比尺为1∶26。当上游水位为166.9m时,模型中的流速已大于6.0m/s,符合规范要求,可进行掺气设施选型研究,对突扩掺气方案的可靠性进行论证。

试验过程中,主要对比研究了以下4个方案:方案Ⅰ有底部挑坎,有侧向折流器;方案Ⅱ有底部挑坎,无侧向折流器;方案Ⅲ无底部挑坎,无侧向折流器;方案Ⅳ无底部挑坎,有侧向折流器。

该试验通过对突扩突跌后的水流流态、空腔特性、通气量、沿程掺气浓度和侧墙与底板上的压力分布测量,得出下列结论:泄洪深孔采用突扩突跌体型在水力学上是可行的。经过4个方案多方对比后,认为带底部挑坎的方案Ⅰ及方案Ⅱ均能满足设计要求,但两侧边墙将会出现低压区,其范围约在桩号20+29.00～20+36.00,最低压力值为-0.73m,设计施工时应从严控制该段平整度。深孔有压段顶板与明流段底板的压力分布无异常现象,加设侧向折流器与底部挑坎后,泄流能力有所降低(约降低0.6%～4%),但仍能满足设计要求。2号通气管易受水流侧向扩散水翅的影响,补气作用不大,建议取消。

(3)清华大学的试验研究成果[25]。试验模型为比尺1∶25的半孔模型,以深孔中心线为边线取半个坝段宽度10.5m进行模拟,相应于上游水位135.0m和175.0m时,有压段出口处模型流速可达4.7～7.0m/s,满足掺气试验要求。试验用的深孔剖面基本体型与上述长科院、水科院试验用的相同。试验内容为:侧壁与底板上的时均压强、底空腔及侧空腔的长度、底空腔及侧空腔的沿程掺气浓度分布和通气量、脉动压强等。

试验比较方案只改变侧向折流器的尺寸,深孔的其他几何特征值均不改变,不同试验方案的参数见表5.6。

表5.6　试验方案

试验结果表明,突扩形成的侧空腔与底空腔贯通;增设折流器对加长侧空腔长度有明显好处,但侧空腔掺气不稳定,空腔的腔体小,最大掺气浓度只有1%左右;高度较小的折流器可增加侧空腔末端的掺气浓度,侧墙虽有低压区,甚至负压,但负压绝对值很小。

综合上述可以看出,经过各有关单位对深孔突扩掺气设施各种方案的研究,对侧空腔的掺气减蚀作用仍无把握,因此,三峡二期工程招标设计和招标文件编制均按工程中应用比较成熟的有压短管跌坎掺气方案进行。