水平旋流消能泄洪洞主要试验成果

本次监测试验测试技术手段先进，监测数据合理、重复性好、可信度高。主要成果如下。

5.5.3.1　水流流态与消能率

进口流态：闸门开启初期，水流从溢流堰面跌落，竖井内为自由流。闸门开度大于70%～80%，竖井内为淹没流。闸门全开，进口水流平稳，受进口左右边墙侧收缩的影响，竖井表面水流形成向左或向右的竖轴旋滚，最大波动幅度为1.9m，平均水位较库水位低1.8m，未见不利流态。

水垫塘出口及退水洞流态：随着闸门的开启，水垫塘出口后形成涌浪，并逐渐向下游推移，最大波峰接近高程1907.00m。闸门全开，由摄像头监测到退水洞首部前后断面均为明流，水流平稳，波动较弱，无明显的横向水面超高和水气团撞击洞顶现象。由于水垫塘内水流强烈掺混，致使退水洞首部明满流交界的位置无法界定，并产生了周期性水雾团沿退水洞向下游漂移，但水雾总体强度较弱，不影响泄洪洞正常运行。

泄洪洞出口流态：随闸门开启泄洪流量增加，出口水深也缓慢增加并伴有波动。闸门全开后，水位趋于稳定，平均水深6.4m。实测退水洞出口平均流速14.5m／s，总体消能率约84.5%，表明旋流消能泄洪洞消能效果很好。试验条件下，下游河道水位高程1903.50m左右，出口挑坎末端形成局域小水跃。泄洪洞出口归槽流速低、波浪小，基本不冲刷对岸。

5.5.3.2　压力特性

竖井段掺气环上部（高程1973.00m）断面，上游测点在工作闸门开启过程（开度17%～50%），测得最小瞬时负压为－28.32kPa，其余状态下均为正压；下游测点受水流冲击的影响，工作闸门开度大于50%时呈正压，闸门全开，时均压力趋于稳态值，与竖井水位波动及表面旋滚相对应，上游侧压力在160～183kPa范围波动，下游侧压力在180～207kPa范围波动。

竖井段掺气环下部（高程1956.50m）断面，闸门开启过程（开度13%～80%），各测点压力迅速降低，最小瞬时压力是－78.14kPa；闸门开度大于80%时，各测点的压力回升至稳态值。闸门全开，各测点的时均压力比较接近，3次运行试验的时均压力在－24.3～－36.6kPa范围内变化。脉动均方根值不超过3.6kPa，表明该断面位于掺气坎后空腔内。

竖井段掺气环下部（高程1946.00m）断面，闸门开启过程（开度20%～75%），各测点压力迅速降低，实测最小瞬时压力为－86.67kPa；闸门开度大于75%，各测点压力迅速增加，并趋于稳态值；闸门全开，各测点的时均压力相差较大，第一次运行试验测得最大及最小时均压力分别为62.95kPa、25.12kPa；第二次运行试验为100.97kPa、49.74kPa；第三次运行试验测得时均压力均小于零，最大负压为－17.95kPa，各测点的压力波动也很大。根据压力测量结果判断，第一、第二次运行试验中，该断面接近掺气环后的空腔末端，空腔位置不对称且是波动的；第三次运行试验，该断面位于空腔内或处于空腔末端。综合空腔探测器和掺气浓度的监测成果，可以判断第三次运行试验的空腔长度接近17m，大于模型试验值，同时也说明竖井段掺气空腔长度的变化，受水流随机性影响较大。竖井段（高程1936.00m）断面，闸门开启过程（开度30%～68%），测得最小瞬时压力为－82.55kPa；闸门开度大于68%，测点压力迅速增加，闸门开度至80%时，压力趋于稳态值；闸门全开，各测点的时均压力比较接近，时均压力在340.0kPa左右。3次运行试验的脉动均方根值分别为30.40kPa、12.28kPa和27.89kPa，不超过时均压力的10%。估计是受环形掺气坎下游空腔摆动的影响，下游断面的脉动压力有所增加。

起旋室，闸门开启过程（开度2%～80%），各测点压力逐渐增加，变化趋势亦相同；大于80%开度，压力趋于稳态值；闸门全开，各测点的时均压力为300～650kPa，压力较高，脉动均方根值为10～26kPa，表明起旋室水流紊动比较强烈。对比模型试验成果，无论时均压力或脉动压力均方根的数值都十分接近，说明起旋室水流为稳定的空腔旋转运动状态。闸门关闭过程，各测点压力变化与开启过程近似互逆关系。从频率特性看，竖井段、起旋室各测点脉动压力优势频率均不超过1.0Hz，属大尺度低频脉动。多数测点脉动压力优势频率为0.2Hz或其倍频，同掺气浓度的优势频率一致，与建筑物自振频率相差甚远。

5.5.3.3　通气状态与通气量

原型监测发现在工作闸门的开启过程中，有大量的水汽首先从起旋室通气井中排出，部分水汽在通气井进口附近凝结。工作闸门全开后，通气井开始进气，由于进气风速较高，通气井周围凝结的水体逐渐被吸入通气井内。受通气井进口的边界条件和起旋室水流的影响，工作闸门开启过程中和闸门全开，风速测量断面的流场不甚均匀。3次运行试验中，起旋室通气井的平均风速分别是23.1m／s、28.6m／s和21.9m／s，平均通气量为226.7m3／s、279.8m3／s和214.4m3／s。与模型试验结果比较接近。

竖井环形掺气坎下设的5个通气孔，当闸门开度小于11%时，风速接近为零，未见吐气现象；当闸门开度至11%时，随着竖井内流态的变化，风速迅速增加；闸门开度升至32%左右，风速增幅减小；闸门开度超过80%～85%时，风速趋于稳态值。试验发现，闸门开度在32%～80%范围内，通气孔的风速最大。3次运行试验中各通风孔的风速变化趋势基本相同，闸门全开平均风速分别达112.8m／s、106.1m／s和121.3m／s，单孔平均通气量分别是35.2m3／s、33.1m3／s和37.8m3／s，较常压模型试验结果大58%～81%。考虑第三次运行试验时，因传感器量程限制，估计测值比真实情况偏小，故总通气量应比模型试验结果还大些。泄洪期间环形掺气坎通气孔进口发出连续的啸叫声，噪声声级接近120dB。

5.5.3.4　近壁掺气特性

近壁掺气测试采用电导率仪和电阻式掺气仪，测量了闸门启、闭和全开后的近壁水流掺气浓度分布，3次运行试验测得掺气浓度的分布规律基本相同。竖井段掺气环下部附近断面，3次运行试验测得的掺气浓度都很高，均超过70%，说明该断面在掺气坎后空腔内；在竖井空腔末端附近掺气浓度值达4.2%～34.5%，这一结论与该断面的压力测试结果相互印证；竖井下部近壁掺气浓度值相对较小，3次运行试验分别为2.2%、1.4%和1.3%；水平旋流洞的掺气浓度为1.6%、1.3%和0.5%。各测点所反映的掺气浓度的脉动主频为0.2Hz或其倍频。总体来看，旋流洞环形掺气坎的掺气效果较好，起到掺气减蚀的作用。(www.xing528.com)

5.5.3.5　水流空化特性

通常以160kHz噪声频率分析水流噪声声压级的变化特性，3次运行试验过程中监测到的水流噪声特性基本相同。竖井进口溢流面下游测点，工作闸门开至20%时，高频段噪声迅速抬升，变化曲线为脉冲型，闸门开度增至70%时，噪声声级迅速降低，随后在47.3dB附近波动；起旋室各测点水流噪声的表现特征是，工作闸门开启后噪声声级迅速增加，闸门开至80%时，噪声强度趋于稳定。若以闸门全开后溢流面下游噪声为背景，该部位的最大噪声声级增幅为22.8dB。

根据高频段噪声曲线的变化特性和溢流面下游水流特点，可以判断溢流面下游仅在闸门开启过程中的（开度20%～70%）小范围内出现了初生空化。因该部位的空化强度弱、历时短，不会对建筑物造成不利的影响。根据旋流消能泄洪洞的体型和高频噪声变化特性，起旋室监测到的为升坎附近的剪切型空化，其空泡是在水体内溃灭，故不会对建筑物造成不利的影响。

5.5.3.6　冲蚀调查情况

三次运行试验后，均对泄水建筑物过流面进行了检查，检查发现，第一次运行试验后，平洞段过流表面混凝土多处发生了局部冲蚀破坏，破坏区域均是强度相对较低的新老混凝土结合处的缺陷处理部位。这些区域在第二、第三次试验后检查没有扩大的趋势，对竖井段过流表面检查，未发现明显的冲蚀迹象。

5.5.3.7　结构振动及动力响应特性

工作闸门开启、关闭过程与全开泄洪期间，泄洪洞、启闭机房和大坝振动均较小，最大振动加速度量级小于0.05g。特别是闸门开启和关闭阶段，无显见的振动现象；3次运行试验期间，各结构部位测缝计、应变计等均无明显的动力反应。

5.5.3.8　结构监测

（1）测缝计测值表明：竖井段各测点的测值变化规律基本一致，测值变化不大，基本在0.6mm以下，只有个别测点测值达到1.2mm左右，测值基本都趋于稳定。下平洞段最大测值基本稳定在0.4mm左右，其他测点基本处于闭合状态或测值很小。总体来说，右岸泄洪洞基岩与老混凝土衬砌之间及新老混凝土套衬之间结合紧密，测缝计测值基本趋于稳定。

（2）岩石变位在泄洪洞过水前后变化竖井部分为0.1mm左右，下平洞段为0.15mm左右，表明泄洪洞过水对岩石变位影响很小。

（3）渗压计测值过水前后变化，一般在0.01MPa左右，最大值在0.04MPa左右。可以看出，泄洪洞过水对混凝土衬砌外围的渗透压力影响很小。

（4）钢筋计测值运行前后变化很小，一般在1MPa左右，最大值为4MPa左右。可以看出，水平旋流消能泄洪洞运行对钢筋混凝土结构影响很小。钢筋最大拉应力在60MPa以下，远小于钢筋强度。

综上所述，泄洪洞过水运行对衬砌结构影响小，体型结构设计合理。