水平旋流消能泄洪洞通气特性研究

4.4.3.1　起旋室通气井通气量

闸门开启过程，起旋室通气井内的气流十分紊乱，闸门开度较小时，同一断面上有些部位进气，有些部位往外排气；当闸门开度大于65%时，起旋室通气井内的风速均大于零（进气），闸门开度超过70%后，多数测点的风速迅速增加，闸门全开后，各测点的风速值趋于稳定。

闸门全开后，通气井各测点的平均风速波动比较大。第三次过水试验过程中，各测点的风速值见表4.8。从表中可见，断面所有测点的平均风速在17.52～21.88m／s之间变化，测量结果平均值是19.67m／s，断面最大平均风速（单次平均）较均值大11.2%，断面最小平均风速较均值小10.9%。

表4.8　第三次过水试验过程中起旋室通气井各测点风速值

工作闸门全开后，各测点的风速波动也较大，各测点最大瞬时风速与最小瞬时风速的差值一般在20～40m／s之间，主要原因是：

（1）起旋室通气孔进气口形状不对称，使测量断面风速分布不均匀。

（2）旋流洞旋转水流和水垫塘内的水流存在大尺度的波动，进而引起进气量的波动。3次过水试验工作闸门全开后，起旋室通气井断面上各测点的风速值如表4.9所示。通气井测量断面平均风速分别是23.13m／s、28.55m／s和21.88m／s；相应的，通气井的通气量分别是226.7m3／s、279.8m3／s和214.4m3／s，平均值为240.3m3／s。起旋室通气井的通气量与模型试验结果比较接近。

表4.9　闸门全开起旋室通气井测量断面各测点风速值　单位：m／s

4.4.3.2　环形掺气坎通气孔的通气量

试验中在环形掺气坎5个通气孔内共布置了15只毕托管，每个通气孔内安装了3只毕托管，其布置见图4.4。

图4.4　环形掺气坎通气孔风速测量各测点布置图（单位：m）(www.xing528.com)

（1）闸门开启过程风速变化特性。3次过水试验，工作闸门开启过程各测点的风速变化基本相同。闸门开度小于11%时，各测点的风速接近0；闸门开度达11%时，各测点的风速迅速增加；闸门开度升至32%左右时，风速增加幅度减小；闸门开度超过80%～85%时，各测点的风速趋于稳态值。试验发现，闸门开度在32%～80%范围内时，环形掺气坎的挟气能力最强，通气孔的风速也大于闸门全开后的风速值。

（2）闸门全开后通气孔的通气特性。工作闸门全开后，各测点的风速变化较大，其瞬时最大风速与瞬时最小风速之差一般在20～50m／s之间。试验测试表明泄洪洞运行期间，环形掺气坎下游空腔处于波动变化之中，水流的挟气量会发生周期性变化。

工作闸门全开后，3次过水试验通气孔风速的算术平均值分别为112.8m／s、106.1m／s和121.3m／s，相应环形掺气坎的5个通气孔，在3次过水试验中的单孔平均通气量分别是：35.2m3／s、33.1m3／s和37.8m3／s。从试验结果可以看出，环形掺气坎平均挟气量基本不变。

从监测得到的风速量级来看，已超过规范规定的50%～100%，通气孔的通气量也远大于模型测量结果，表明竖井掺气设施具有较强的挟气能力。

4.4.3.3　环形掺气坎下游空腔负压

在闸门开启过程，闸门开度大于13%时，环形掺气坎下游空腔封闭，空腔内压力逐渐降低，实测最小瞬时压力接近－80kPa，最小时均压力为－60kPa左右。

第一次过水试验，工作闸门全开后，D—D断面4个测点的时均压力在－30.55～－32.02kPa范围内变化，环形掺气坎后空腔负压传感器测量的时均压力是－31.41kPa。第二次过水试验，闸门全开后，D—D断面4个测点的时均压力在－25.39～－26.46kPa范围内，空腔负压传感器的测量结果是－25.86kPa。第三次过水试验，闸门全开后，D—D断面4个测点的时均压力是－35.11～－36.56kPa，空腔负压传感器的量程超限或是电缆被气流拉断，没有测量数据。由三次试验空腔负压的量级大小，以及空腔负压、空腔长度及挟气能力的相关关系判断，第三次试验时空腔最长，第二次试验空腔最短。

空腔负压是掺气设施通气是否充分的指标之一。水利部颁发的SL253—2000《溢洪道设计规范》规定：空腔负压应保证空腔顺利进气，其值可在－2～－14kPa范围内选取；电力系统颁发的DL／T5199—2002《溢洪道设计规范》规定：空腔负压不超过－5kPa。本次监测到坎下空腔的负压为－25～－35kPa，已超过规范的规定值，说明通气孔的过流面积稍小，通气风速偏大。从前面通气量的监测结果看，在现有体型条件和原型试验条件下，空腔负压增加系由空腔长度增加而引起，与水流挟气能力的增强和通气量的增加有着必然联系。

4.4.3.4　进口和退水洞的通气状态

工作闸门的启闭阶段，以开度50%～60%为界（开门时为明流过渡到满流前，关门时为满流过渡到明流后），堰面自由溢流挟带着强大的水舌风由闸门槽进入竖井。

从闸门开启时退水洞内形成第一个涌浪开始，至闸门关闭后最后一个涌浪消失的整个过程，下游退水洞明涵段通气孔均表现出周期性的吞吐气流现象，尤以闸门全开阶段的吞吐气流最为猛烈，由于退水洞明涵段通气孔面积较小，伴随着强烈的吼叫声。实测退水洞明涵段通气孔孔口处1min平均的最大风速近14m／s，风向变换周期1～2s。

分析认为，进口进气为闸门初开和终关阶段，堰面溢流挟气所致，且历时仅4～5min；下游退水洞明涵段通气孔周期性的吞吐气流现象，为洞内水面波动所致，但未见水雾喷出。说明设计泄量和当前下游水位条件下，退水洞具有足够的洞顶余幅，泄洪洞运行正常。