空化空蚀与减蚀措施：水流的挑战与应对

高速水流引起的泄水建筑物的空化空蚀破坏,是水电工程界非常关注的问题,国内外有许多发生空蚀破坏的工程实例,多数发生在高水头泄洪洞、深孔或底孔、大型溢洪道过流表面。我国比较典型的工程有丰满溢流坝面、刘家峡泄洪洞、龙羊峡底孔等工程,它们在运行初期都发生不同程度的破坏,国外发生空蚀破坏的典型工程有美国的胡佛、格兰峡、黄尾、墨西哥的英菲尔尼罗泄洪洞,德沃夏克中孔、委内瑞拉的古里溢洪道、巴基斯坦塔贝拉泄洪洞等。造成这些高水头泄洪建筑物发生破坏的主要原因是高速水流,一般流速超过35～40m/s,在压力梯度发生急剧变化的部位,如龙抬头下游的反弧段末端,该部位水流空化数大大低于初生空化数,在高速水流作用下,极易发生空蚀破坏。另外施工体型不当和施工不平整度造成了局部负压,诱发空化水流的发生以致发生空蚀破坏。空化引起的空蚀破坏严重时会威胁整个泄洪设施的安全,如龙羊峡底孔、刘家峡泄洪洞发生空蚀破坏后,底板和侧墙发生大面积的破坏及基岩冲蚀,龙羊峡底孔左侧墙冲蚀深度达2.5m。由空化引起的空蚀破坏力极大,也引起学术界和工程界的高度重视,也成为过去的半个多世纪中水工水力学的一个研究的重点。

20世纪50年代,国外学者在试验中已证明,掺气有利于减蚀和免蚀,认为当近壁掺气浓度达到一定量时(一般认为达到7%～8%),空蚀基本可以消除。美国的Falvey在20世纪80年代后期总结了明渠水流、封闭管道水流和自由跌落水流三类问题的掺气机理方面的研究成果。在该文献中,从气体动力学的角度,研究了气泡在剪切水流和紊流中的运动规律,将诸多学者关于明渠中掺气水流纵剖结构分析进行了总结归纳,从工程应用的角度,该文献提出了5个重要的设计参数,即:掺气起点的位置、已充分发展的掺气水流的地点、水流的平均含气量、掺气水流的水深和掺气水流中的水和空气流速(见图5-10)。根据已有的研究成果,总结了用于计算掺气起点、掺气水深、含气浓度分布等的经验公式,这为后人们认识和研究掺气水流的发展规律和掺气设施的应用研究奠定了理论基础。吴持恭是中国开展掺气发展机理研究比较早的学者之一。

一般评价过流表面空化特性的重要指标之一是水流空化数。设计规范中根据以往的研究成果和实践经验,提出了当溢流表面水流空化数低于该体型的初生空化数,则应该考虑采取必要的防空蚀措施。从工程应用研究角度,德国的Koschitzky、Kobus和巴西的Pinto系统地总结和归纳了通气设施的体型,如挑坎、跌坎、通气槽、或各种组合型式,这就为在高流速区通过控制施工不平整度仍不能满足防止空蚀的要求时,提供了一个有效的、经济可行的工程措施,也成为国外工程普遍采用的一种方法(见图5-11)。自通气槽问世以来,早期建设的工程均通过改建方式增设了通气槽,如胡佛坝泄洪洞、黄尾坝泄洪洞、格兰峡坝泄洪洞、大古力坝中孔等,新建工程在设计中已考虑的通气槽设施,如伊太普溢洪道、古里溢洪道、买卡泄洪洞、卡拉卡亚坝面通气槽等工程,在实际运行中均发挥了很好的作用。国外高坝建设多在20世纪50～80年代完成,通过工程的建设和研究,掺气减蚀技术的应用已相当普遍。

图5-10　水流掺气发展机理示意图

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图5-11　通气槽体型

我国于20世纪70年代末在冯家山工程首次采用掺气设施后,该项技术迅速得到了推广与应用,并结合模型试验与原型观测,开展了大量的研究。我国的设计规范规定,当流速超过35m/s,应设置掺气减蚀设施,并选择合理的运行方式以及采用抗蚀性能好的材料等工程措施。典型的工程应用实例为乌江渡、二滩、东江、东风、鲁布革、龙羊峡、天生桥一级、小浪底等工程,结合泄洪洞和溢洪道的设计,做了大量细致的研究工作。工程运行后多数都进行了原型观测,如二滩泄洪洞内两道掺气坎间距为150～180m,2号泄洪洞原型观测结果表明,在掺气坎末端的水流掺气浓度仍有1%～2%,过水后的检查也证实了设置掺气设施可有效地减免底板的空蚀破坏。

考虑到表面不平整凸体会引起局部水流分离,形成旋涡,而产生空蚀破坏,因此开展了凸体形状与初生空化数之间关系的研究,用控制不平整度来指导工程设计和施工质量控制。但是当流速超过35m/s时,即使控制了施工不平整度,也难以避免产生空化水流,规范规定流速在30～35m/s以下可以控制不平整度的坡度;流速超过40m/s时,则需采取其他减蚀措施。

由于模型试验中存在着缩尺效应,将试验室的研究成果直接用于原型工程后,常常产生一定的差异,特别是针对空化问题的研究,比尺效应的问题更为突出。多年来,学术界一直非常重视该方面的研究。通常采用的方法是针对某一问题,开展系列比尺模型试验,以比较不同比尺的模型试验成果,通过无量纲分析寻找其中的规律和发现问题,用以指导同类问题的研究。比较典型的实例是掺气水流问题的研究,通过大量的模型试验成果分析认为,当模型试验中的水流流速一般应超过6m/s,雷诺数Re>106,基本可消除模型比尺效应的影响。在进行小浪底孔板洞的空化问题研究时,尽管减压模型比尺已经达到了1∶40,但研究者仍然认为应对试验成果进行比尺效应的修正,并提出了修正方法。2000年小浪底1号孔板泄洪洞投入运行后,通过水力学原型观测,验证了对模型试验成果进行比尺效应修正的做法是正确的。研究原模型之间的掺气比尺效应问题的另一研究手段是开展水力学原型观测,多年来,结合大型水电工程的投入运行,进行了数十个工程的泄洪水力学原型观测,如冯家山、乌江渡、东江、东风、鲁布革、小浪底、二滩等,通过对这些泄洪洞和溢洪道掺气的观测,发现原型中的掺气浓度大于模型试验值。尽管还不能完全从理论上解释其内在的机理,但是从工程应用角度讲,如果模型试验值达到或超过了规范给定的数值,可以基本保证工程的运行安全。

高水头闸门槽下游也是易发生空蚀破坏的部位,早期建设的工程发生破坏的情况很多。金泰来等人对闸门槽体型与水流初生空化数之间的关系在高速水洞中进行过系统地研究,认为决定门槽空蚀的主导因素是门槽的宽深比与错距比,其次是门槽与下游面衔接的斜坡与圆角,并给出了一般条件下的取值范围和相对应的系列标准体型及参数曲线。研究中也特别比较了两种门槽体型的水流初生空化数与雷诺数之间的关系,以对比模型比尺效应的影响,模型比尺1∶35～1∶22.5,同时对比了刘家峡以及柘溪两个原型工程门槽的运行水流条件。研究结果表明,当门槽体型一定,随着雷诺数的增加,即由模型的Re=105～106 以至到原型的Re=107,水流初生空化数基本保持不变,说明模型试验结果可直接用于工程设计。该研究成果对设计工作具有重要的指导意义,有关门槽体型的研究成果被列入规范,并得到广泛了应用。

学术界一直在努力研究空化空蚀机理问题。Keller从早期的研究不同类型的空化到目前阶段研究不同材料的空化特性、比尺效应、以及水质对空化的影响,尽管目前研究的流速还只限于10m/s左右,距解决工程问题还有一段距离,但所取得的阶段性成果已处于国内外领先的地位。目前国内外研究空化机理采用的主要手段有水洞、减压箱、高速摄影以及相应的测试仪器等。但由于空化空蚀已涉及到微观及多学科的问题,同时还需要有高精尖的仪器设备和经费的投入,在中国水利界进行空化空蚀机理方面研究的单位和部门很少,在航海和航空部门还是得到比较高的重视和有比较充足的经费的投入。