弧形閘門突擴突跌出口摻氣設施體型研究

賀翠玲,劉少斌,韓 沖

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗檢測分院，西安 710043；2.西安理工大學，西安 710043)

文章編號：1006—2610(2015)04—0035—03

弧形閘門突擴突跌出口摻氣設施體型研究

賀翠玲1,劉少斌1,韓 沖2

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗檢測分院，西安 710043；2.西安理工大學，西安 710043)

基于物理模型實驗，對弧形閘門突擴突跌出口摻氣設施的體型及其影響因素進行了詳細的研究。試驗結果說明：突擴突跌摻氣設施形成復雜的水流流態，向上擴散的水流形成水翅，回到正常水面后，在其下游又會激起沖擊波，向下擴散的水流形成水簾，增加底空腔的回溯水流；底空腔的長度與跌坎、挑坎的高低、下游泄槽坡度均呈正相關關系，但泄槽坡度越陡，下游泄槽水翅越嚴重；側空腔的長度與側擴寬度呈正相關關系，但與下游泄槽水翅的嚴重程度呈反相關關系。

突擴突跌；模型試驗；摻氣設施；底空腔

隨著水利水電事業的快速發展，中國高水頭、高流速泄水建筑物也在迅速增加。高速水流和空化空蝕問題已經成為高壩設計最為棘手的問題，因此高速水流和空化空蝕問題已經備受水利界專家們的關注。突擴突跌體型與偏心角弧形閘門相結合，不但可以起到止水的作用，還可以形成較長的側空腔減免高速水流對側墻的空蝕破壞。因此，突擴突跌體型出口水力特性研究已顯得尤為重要。本文以瑪爾擋水電站泄洪放空洞閘室為研究對象，采用1∶47的物理模型，對閘室突擴突跌摻氣設施的體型以及影響因素進行了深入的研究。

1 模型設計

試驗在瑪爾擋水電站泄洪放空洞單體模型上進行的。模型按照重力相似準則設計，模型比尺采用1∶47，用有機玻璃制作。模型主要包括突擴突跌2個基本部分，以及閘室前端有壓段、閘室、下游泄槽、鼻坎等。閘室前端有壓洞出口寬7.0 m，高為6.5 m，閘室末端側擴0.5 m，跌坎高1.5 m，與后面9%的坡相接。閘室詳細體型見圖1所示。

2 原方案試驗結果

2.1 水流流態

圖2為試驗觀測到突擴突跌體型水流流態示意圖。由圖2可見突擴突跌體型后水流流態十分復雜，高速水流從有壓段流出后發生橫向擴散，由二維流動變為較復雜的三維流動，擴散水流撞擊側墻后，向上擴散的水流形成水翅，回到正常水面后，在其下游又會激起沖擊波，向下擴散的水流形成水簾，增加底空腔的回溯水流，水簾和水翅之間形成清水區[1]。

2.2 空腔效果及試驗內容

原方案側坎寬0.5 m，跌坎高為1.5 m，高速水流經過側坎突擴形成側空腔，經過突跌形成底空腔。由于側向突擴，向上擴散的水流形成水翅回到正常水面后，在其下游又會激起沖擊波，流態較復雜，向下擴散的水簾增加了底空腔的回溯水流，所以原方案各工況下空腔回水較多，設計和校核水位時下游泄槽水翅比較明顯，流態較差。說明原方案摻氣設施設置不合理，需要重新修改。該工程水頭較高，從安全的角度來考慮，該工程要求達到庫水位為3 240 m水位時進氣通暢，設計水位3 275 m時下游無水翅現象的效果。

3 摻氣設施體型影響因素研究

3.1 挑坎高度的影響

閘室末端未設挑坎時，空腔積水較多。為了消除空腔積水，試驗在閘室末端設置了高為0.35 m、坡比為1∶12的挑坎。試驗結果表明，相同流量下，摻氣坎水舌挑距變遠了，空腔長度變長了，空腔積水也略有減少，不影響通氣孔進氣，但是下游流態較差，水翅較為嚴重。因此可知挑坎越高，下游泄槽水翅越嚴重。

3.2 突擴寬度的影響

為了增大空腔長度，首先采用增大側擴寬度的方案。在保持跌坎1.5 m的體型上將原方案側擴寬度由0.5 m增大到0.7 m。在相同流量下，側空腔長度增大，底空腔長度基本不變，側空腔的增大加劇了泄槽水翅的程度。

3.3 泄槽底板坡度的影響

原方案底坡為9%，設計工況下，空腔回水較為嚴重，為了較少空腔回水，試驗保持原方案跌坎高度1.5 m和側擴寬度0.5 m的基礎上，分別將底板坡度降為12%和14%。試驗結果證明，在相同的流量下，坡度越陡，空腔效果越好，但下游泄槽水翅越嚴重。

3.4 跌坎高度的影響

試驗在保持側擴寬度0.5 m、下游底坡為12%的基礎上，設置了高為1.0 m的跌坎。與原方案高為1.5 m的跌坎效果相比，底空腔長度減小了。因此可以得出，跌坎高度越高，底空腔長度越長。

4 摻氣設施體型

綜合考慮上述因素，可知增大底坡坡度對改善空腔回水有利，但對改善下游水翅沒有益處。要想改善下游泄槽流態較差的問題，一味的增大底板坡度是不夠的，還需要設法抬高底板，使底板形狀盡量貼合挑射水舌下緣，減小水流入射角，才能消除下游濺水現象，這樣就相當于降低了跌坎高度。本工程要想同時滿足低水位摻氣要求和改善高水位下游泄槽流態，必須滿足2個條件：① 庫水位為3 240 m時水舌入水點處底板切線斜率大于水舌入射角；② 設計和校核水位時，底板形狀必須與水舌底緣曲線足夠接近。

4.1 體型1

為了同時解決空腔回水問題和下游泄槽水翅問題，本次試驗保持原方案跌坎高度1.5 m，將閘室后底板坡度改為12%，為了使得底板形狀更加接近水舌底緣曲線，試驗在閘室后設置半徑為200 m的弧形底板與12%的底坡相接，體型見圖3。

圖3 方案1體型圖 單位：m

試驗發現庫水位為3 240 m時，能夠形成穩定的空腔，但是隨著庫水位的升高，下游流態就變的越來越差，水翅隨著庫水位的升高而變得更加嚴重。試驗又將弧形下彎式底板半徑增大到240 m時，設計水位空腔特別穩定，回水基本消失，下游泄槽濺水消失，但在庫水位為3 240 m時不能形成穩定的空腔，回水較嚴重，不能滿足低水位摻氣的要求。分析得知這是由于水舌底緣入水點處底板較緩，斜率大于水舌入射角12%引起的。

4.2 體型2

為了解決3 240 m時進氣通暢的問題，須增大水舌底緣入水點處底板的斜率，因此試驗將弧形底板的半徑改為140 m，然后與14%的坡相接，體型見圖4。試驗結果發現當庫水位為3 240 m時，空腔非常穩定，進氣效果很好，但是當庫水位升高到設計水位時，下游泄槽水翅又比較嚴重，效果不是很好。

4.3 體型3

經過分析上述2個方案，得知庫水位為3 240 m時進氣通暢，空腔較好時，設計水位3 275 m時下游泄槽水翅較嚴重，當設計工況下游泄槽流態較好時，3 240 m時進氣不是很通暢，究其原因還是因為底板形狀與水舌底緣曲線相差較大引起的。經過反復試驗，最后保持側擴寬度為0.5 m，將跌坎高度由1.5 m減小到1.0 m，坎后先設置長為6 m的水平段，再用半徑為45 m的圓弧與i=12%底坡相接，使庫水位為3 240 m時水舌入水點處底板切線斜率大于水舌入射角，跌坎水舌的底緣曲線與底板的交點位于圓弧段之后i=12%的斜坡上，同時底板盡可能地與高水位時跌坎水舌的底緣接近，詳細體型見圖5。

圖4 方案2體型圖 單位：m

圖5 方案3體型圖 單位：m

試驗結果顯示3 240 m水位時，空腔雖有少量積水，但空腔非常穩定，進氣非常通暢；設計水位時，空腔內積水消失，下游泄槽比較平順，泄槽水翅濺水消失，達到了預期的目的。

5 結 語

本文主要采用模型試驗的方法，對突擴突跌摻氣設施的體型進行了詳細的研究，初步確定了跌坎的高度、泄槽底板的形狀以及泄槽底板的坡度等因素對空腔的效果影響較大，研究取得了以下的成果。

(1) 側空腔的長度與側擴寬度呈正相關關系，但側擴寬度越大，側空腔越長，摻氣量越大，但下游泄槽水翅越嚴重。

(2) 底空腔的長度與挑坎和跌坎高度均呈正相關關系，但挑坎越高，底空腔越長，下游泄槽水翅越嚴重。

(3) 底空腔的長度與下游泄槽坡度呈正相關關系，坡度越陡，空腔越長，空腔效果越好，但下游泄槽水翅越嚴重。

(4) 底板形狀必須與水舌底緣曲線足夠接近，才能解決下游泄槽水翅問題。

(5) 在實際工程中，避免產生較大水翅，根據實際工程的特點，確定合適的側擴寬度、跌坎和挑坎的高度以及下游泄槽底坡的坡度，盡可能使得水舌底緣入水點處底板的斜率大于水舌入射角，才能同時解決空腔積水問題和下游泄槽水翅問題。

[1] 李國棟,徐文海,邵建斌,陳剛.泄洪洞弧形閘門突擴突跌出口段三維流動的數值模擬[J].武漢大學學報,2007,40(5):34-38.

[2] 聶孟喜,段冰,李琳琳.突擴突跌體型側墻負壓區的演變特征[J].水利水電科技進展,2006,26(6)：34-36.

[3] 王婧雅,劉之平,張建民,繳錫云,秦大庸.有壓出流條件下突擴突跌摻氣設施空腔長度研究[J].南水北調與水利科技,2013,11(2)：28-31.

[4] 李國敬,戴光清,楊慶,馬旭東.突擴突跌側空腔摻氣水力特性大渦模擬[J].水力發電學報,2012,31(3):137-141.

Study on Outline of Aeration Facility at Outlet of Abrupt Enlargement and Drop Section of Radial Gate

HE Cui-ling1, LIU Shao-bin1, HAN Chong2

(1.Engineering Experiment and Detection Branch, Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710043,China;2. Xi'an University of Technology, Xi'an 710043,China)

Based on the physical model experiment, outline and its impact factors of the aeration facility at the outlet of the abrupt enlargement and drop section of the radial gate are studied in detail. The experiment presents that the complex flow pattern is formed by the aeration facility of abrupt enlargement and drop. The dispersed flow upward forms water wing. After it returns on the normal water surface, the impact wave at its downstream is again caused. The dispersed flow downward forms water curtain, increasing the return flow at the bottom cavity. The length of the bottom cavity forms positive phase relations with drop, flip height and downstream chute gradient. But the steeper the chute is, the severer the water wing in the downstream chute is. The length of the lateral cavity is in positive phase relation with the lateral expansion width. But this is in opposite phase relation with the degree of the water wing in the downstream chute.Key words: abrupt enlargement and drop; model test; aeration facility; bottom cavity

2015-02-26

賀翠玲(1983- )，女，陜西省延安市人，工程師，主要從事水工水力學的研究工作.

TV135.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.009