淺論摻氣設(shè)施的消能作用

栗 帥，張建民，陳劍剛，胡小禹

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

早在20世紀(jì)30年代，人們就已經(jīng)認(rèn)識到水流摻氣可以減輕對過流表面的空蝕破壞，但直到1960年，美國的大古力壩（Grand Goulee Dam）在泄水孔錐形管出口下游設(shè)置摻氣槽，才把這一認(rèn)識付諸于工程實踐。自摻氣減蝕被證明是解決空蝕破壞最有效的途徑以來，已有越來越多的工程應(yīng)用，目前摻氣減蝕槽已在泄洪洞、溢洪道、陡槽等高水頭、大單寬流量泄水建筑物中廣泛運用，對防止高速水流引起的空蝕破壞具有顯著效果[1]。摻氣坎不僅能有效地減緩空蝕和磨蝕的發(fā)生，而且具有一定的消能作用，近年來學(xué)者的研究多集中在摻氣坎的體形、摻氣的挾氣量、空腔長度、通氣量、保護(hù)長度及受力分析等方面[2-11]，在對摻氣坎消能方面的論述較少，聶孟喜[12]、肖興斌[13]曾指出過摻氣坎的消能作用，但未見定量分析結(jié)果。本文通過摻氣減蝕試驗，對摻氣坎的消能作用作進(jìn)一步的探討，為實際工程設(shè)計提供重要參考。

1 工程實例及模型試驗

某水電站最大壩高293 m，壩頂高程2 873 m，正常蓄水位2 865 m，校核水位2 870.36 m。溢洪道長940 m、進(jìn)口高程2 844.00 m、出口高程2 690.00 m，建筑物水頭落差高達(dá)175 m，槽內(nèi)最大流速接近50 m/s，屬于高水頭、大單寬流量泄洪建筑物。

該溢洪道由進(jìn)口段、無壓隧洞上平段、渥奇曲線段、陡坡段（坡度i=0.323 3）、出口挑流段組成。進(jìn)口段采用WES堰，出口為窄縫消能工。

試驗?zāi)Ｐ蜑檎龖B(tài)模型，比尺為1∶40，各水力要素的比尺如下：長度λL=40；流速λV=λL0.5=6.324 6；流量 λQ=λL2.5=10 119； 糙度 λn=λL1/6=1.849。

模型采用有機(jī)玻璃制作，糙率約為0.007 9～0.008 3，滿足阻力相似要求。流量采用薄壁堰測量，測量精度0.1 L/s，流速采用電腦旋槳流速儀測量（西科所生產(chǎn)），測量精度1 cm/s。由于水頭高、流量大，水流翻滾和紊動劇烈，用測針對摻氣坎前后水位進(jìn)行測量不妥，故采用鋼尺測量并依據(jù)流量、流速、摻氣濃度等測量資料加以修正。試驗中測試了4種體形在正常蓄水位（2 865 m）和校核水位（2 870.36 m）時的部分水力特性，如水深、摻氣空腔長度、摻氣坎前后流速等。

2 摻氣設(shè)施的應(yīng)用條件及設(shè)計準(zhǔn)則

一般認(rèn)為當(dāng)混凝土過流面上流速在20～30 m/s時，或當(dāng)水流空化數(shù)K＜0.2時，需要設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。我國的水利專家提出，當(dāng)水流空化數(shù)K＜0.1～0.3時須注意空化問題。摻氣設(shè)施的應(yīng)用條件及設(shè)計準(zhǔn)則可歸納為：①摻氣設(shè)施應(yīng)設(shè)置在容易產(chǎn)生空蝕部位的上游；②摻氣設(shè)施在各級運行水頭和流量下均應(yīng)保持挑坎水舌下有足夠的空腔，以保證有足夠的通氣量和摻氣濃度；③力求泄槽內(nèi)水流平順，避免摻氣設(shè)施對水流流態(tài)的不利影響；④附近的水層底面或空腔內(nèi)不出現(xiàn)較大的負(fù)壓，水舌沖擊還應(yīng)避開伸縮縫和施工縫；⑤摻氣設(shè)施的體形力求簡單，且應(yīng)保持足夠的強(qiáng)度和工作的可靠性，以便于施工，保證設(shè)施本身不受破壞。

試驗選擇了光滑溢洪道、兩級摻氣坎、三級摻氣坎、四級摻氣坎4種摻氣設(shè)施方案。摻氣坎體形參數(shù)根據(jù)以上5點要求優(yōu)化確定（見表1）。本文選取的坎高與時啟燧[14]等提出的臨界坎高計算結(jié)果一致，說明摻氣坎的體形參數(shù)是合理的。

3 試驗結(jié)果及分析

為了計算各級摻氣坎的消能水頭和消能率，計算時選取挑坎起點斷面和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面，由能量方程計算出各斷面的總能量，即可通過式（3）計算出摻氣坎的消能率，即

表1 摻氣坎體形參數(shù)

式中，E1、E2為選取挑坎起點斷面總能量和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面總能量；ΔE為選取的兩斷面的能量差值；Δz1為選取的兩斷面的高差；ν1、ν2為斷面的流速；h1、h2為斷面水深；α為傾角；η為摻氣坎的消能效率；g為重力加速度。

通過計算和試驗可知摻氣坎的消能率與坎前斷面流速、坎高、挑角和摻氣濃度等有關(guān)，4種體形的消能率計算結(jié)果見表2。

由表2可知，同一流量下，摻氣坎越靠近上游消能率越高，即挑坎前流速越小，消能率越高；隨著單寬流量的增大，單級摻氣坎的消能水頭有所減小。在校核工況下，設(shè)置兩級摻氣坎后大約能消去4.21 m水頭的能量，設(shè)置三級摻氣坎后大約能消去9.14 m水頭的能量，設(shè)置四級摻氣坎后大約能消去20.99 m水頭的能量，由于摻氣挑坎的消能作用，溢洪道末端的流速由55 m/s降低至52 m/s。在設(shè)計工況下，設(shè)置四級摻氣坎后大約能消去32.79 m水頭的能量。

圖1為正常水位和校核水位時消能率和坎前流速的關(guān)系，圖2為摻氣設(shè)施總消能水頭與摻氣坎級數(shù)的關(guān)系。

圖1 消能率與坎前流速關(guān)系

表2 校核水位和正常水位下各體形摻氣坎的消能率

圖2 總消能水頭與摻氣坎級數(shù)的關(guān)系

由圖1、2可知，同一體形下?lián)綒饪蚕苈恃爻讨鸺壴黾樱芩^的增量未必增加，主要原因是每增加一級摻氣坎，各摻氣坎的位置也相應(yīng)調(diào)整，摻氣坎處的流速等水力學(xué)參數(shù)不一樣，但是隨著摻氣坎級數(shù)的增加，總的消能水頭是增加的。

試驗還表明，設(shè)置4道摻氣設(shè)施后，出口挑坎前總的消能水頭增加20 m，占總水頭的13%，也使泄槽內(nèi)的水流流速由54.8 m/s減小到51.1 m/s，降低約7.6%，所以摻氣設(shè)施的消能作用不容忽視。

4 結(jié)語與建議

設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施，工程形式簡單，從試驗和工程實踐效果來看，不僅提高了溢洪道上的水流的摻氣，有效減輕了空蝕破壞，而且還具有一定的消能效果。消能作用增加主要表現(xiàn)為一方面降低了挑流出口的流速系數(shù)，挑距縮短，增加了泄流的沿程能量損失；另一方面水流摻氣增加了與空氣的接觸面積，加速了水氣的混合摻雜，加強(qiáng)空中擴(kuò)散消能作用；最后，摻氣槽本身也是一種人工加糙體，使流經(jīng)的水流改變流向，在槽后形成旋渦流，增加了紊動強(qiáng)度和能量的轉(zhuǎn)換與耗散。

因此，建議在有條件的情況下多設(shè)置幾道摻氣設(shè)施，盡量縮短保護(hù)長度。可降低泄槽末端流速，且只要摻氣設(shè)施體形設(shè)計得當(dāng)，并不會增加工程量，還可以起到輔助消能的作用。

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