長河壩水電站泄洪洞摻氣減蝕設施設計

蒙富強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

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長河壩水電站泄洪洞摻氣減蝕設施設計

蒙富強

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

長河壩水電站3條泄洪洞水頭高、流量大、流速高，泄洪洞空化空蝕問題突出，需設置摻氣減蝕設施。結合水工模型試驗，分析了泄洪洞空化特性，優化了摻氣減蝕設施型式選擇。流態及摻氣效果分析表明，最終確定的方案能有效地防止或減少氣蝕的破壞，摻氣效果良好。

泄洪洞；高速水流；摻氣減蝕設施；空化空蝕；長河壩水電站

1 工程概況

長河壩水電站系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第10級電站，上接猴子巖水電站，下接黃金坪水電站。長河壩水電站正常蓄水位為1 690.00 m，正常蓄水位以下庫容為10.15億m3，電站裝機容量為2 600 MW。電站的開發任務主要為發電，樞紐由礫石土心墻堆石壩、左岸地下引水發電系統和右岸泄水建筑物組成。

泄水建筑物布置在河道右岸，由泄洪洞、放空洞組成，泄洪洞從左至右依次由1條深孔泄洪洞(1號泄洪洞)和2條溢洪洞(2號、3號泄洪洞)組成，其主要任務是下泄大、中、小洪水。1號泄洪洞由岸塔式短有壓進口、無壓隧洞和出口挑流鼻坎組成。進口塔體尺寸為49.0 m×27.0 m×52.0 m(長×寬×高)，進口底板高程為1 650.00 m，工作閘門孔口尺寸為14.0 m×11.5 m(寬×高)。無壓隧洞采用一坡到底的形式，洞身總長1 372 m，縱向坡度為0.102 79；洞身斷面形式為圓拱直墻型，斷面尺寸為14.0 m×(16.0～19.0)m(寬×高)。出口挑坎采用斜切扭曲挑坎，挑角15.14°～30.58°，尾坎高程為1 511.18～1 519.98 m。泄洪洞最大泄量3 692 m3/s，最大流速約44.86 m/s。2號、3號泄洪洞由開敞塔式進口、無壓隧洞和出口挑流鼻坎組成。進口塔體尺寸為43 m×28.0 m×38.5 m(長×寬×高)，采用實用堰形式，堰頂高程為1 673.50 m，工作閘門孔口尺寸為17.0m×16.5m(寬×高)。無壓隧洞采用一坡到底的形式，洞身總長分別為1 508、1 540 m，縱向坡度分別為0.108 48、0.105 52；洞身斷面型式為圓拱直墻型，斷面尺寸為(14.0～17.0) m×(18.0～15.0) m(寬×高)。2號泄洪洞出口挑坎采用窄縫挑坎，挑角6.73°，尾坎高程為1 500.23 m；3號泄洪洞出口挑坎采用擴散斜切挑坎，挑角8.51°～15.48°，尾坎高程為1 501.72～1 506.77 m；單洞最大泄量3 138 m3/s，最大流速分別為45.06、47.11 m/s。

長河壩泄洪洞泄洪流量大、流速高，其空化空蝕問題非常突出。本文簡要介紹了長河壩泄洪洞摻氣設施的設計及優化過程，結合泄洪洞水工模型試驗，對該泄洪洞摻氣減蝕設施的體型和水力特性作了分析和論述。

2 泄洪洞空化特性分析

若長河壩泄洪洞洞身不設摻氣減蝕設施，通過水工模型試驗發現：在最高水位1 694.60 m工況下，1號泄洪洞0+330.00之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化數小于0.35；2號泄洪洞0+350.00之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化數小于0.32；3號泄洪洞0+320.00 m之后洞身段流速大于30 m/s，水流空化數小于0.31。試驗成果表明，隨著流速增大，水流空化數減小，洞身段極易發生空化空蝕破壞。因此，根據規范及相關工程經驗，長河壩泄洪洞應設摻氣減蝕設施。

3 摻氣減蝕設施設計

3.1 摻氣減蝕設施位置確定

摻氣減蝕技術是一種防止空蝕的有效工程措施，摻氣一般采用底部進氣。當混凝土過流面上水流流速在30 m/s左右時，或者水流空化數為0.3時，可根據具體情況確定是否設置摻氣減蝕設施，當流速大于35 m/s時，應設置摻氣減蝕設施。根據長河壩泄洪洞流速及水流空化數分布情況，并結合相關工程經驗，將第1道摻氣設施布置在0+350.00位置。摻氣設施保護長度一般約為200 m，考慮到第1道摻氣設施流速較小，摻氣效果可能較差，因此適當縮短其保護長度，將第2道摻氣設施布置在0+500.00位置。其余摻氣設施保護長度取200 m，因此泄洪洞第3～6道摻氣設施位置分別為0+700.00、0+900.00、1+100.00、1+300.00。

3.2 摻氣減蝕設施型式選擇

目前，摻氣設施的樣式比較繁多，摻氣設施的一般的工程形式包括挑坎式、跌坎式、槽式以及組合式等。摻氣設施空腔負壓決定摻氣量的多少，空腔負壓較小時，摻氣不充分，摻氣效果不好。但并非空腔負壓越大越好，當空腔負壓較大時，會使摻氣量大量溢出，同時造成邊墻水翅過大；再者，空腔負壓過大，空腔被壓縮，水舌不穩，摻氣量也會減少。因此，一個高效的摻氣設施必須具有一定的空腔長度，適宜的空腔負壓和充分的通氣量。

根據泄洪洞底坡并結合類似工程經驗，摻氣設施采用坎跌組合形式。①第1、2道摻氣設施。由于Fr<0.4，水流重力占據主要作用，采用常規連續摻氣設施，出現強回溯水流，無法形成有效的摻氣空腔，摻氣效果較差；為解決低Fr數、大單寬流量的泄洪洞摻氣設施空腔回水問題，試驗中多次對挑坎高度、角度以及下游底板水舌沖擊角等進行調整，最終確定的摻氣設施體型為：第1、2道摻氣坎下游斜坡為半徑87 m，弦長約27.9 m的圓弧形底板，再以半徑約0.9 m圓弧銜接原底板，如圖1a、1b所示。②第3～6道摻氣設施挑坎高度為0.5 m，挑坎下游平坡接陡坡，在摻氣坎兩側布置通氣孔，面積為1 m×1.5 m(高×寬)，如圖1c所示。第1～6道摻氣設施在各工況下摻氣效果均較好。

圖1 第1～6道摻氣坎體形示意

3.3 補氣洞布置優化

初期設計1號、2號、3號泄洪洞均布置2條補氣豎井，2條補氣豎井各連接1條補氣平硐通向山外，補氣平硐之間斷開不連接，在設計及校核工況下，補氣洞通氣量為5.99～23.98 m3/s，進氣量較小。補氣平硐連接后，且對補氣豎井進行了微調，補氣豎井進氣量增大到200 m3/s，補氣效果提高非常明顯。故最終采用連接補氣平硐的方案。

4 流態及摻氣效果分析

由最終試驗成果看出，洞內水流比較平順，摻氣充分，水體變成乳白色，沒有出現翻滾、爬高、竄頂等惡劣流態。在校核洪水位下閘門全開泄流時，1號泄洪洞洞內水深11.25～6.42 m，低于邊墻高度，最小洞頂余幅17.18%；2號、3號泄洪洞洞內水深11.00～5.60 m，低于邊墻高度，最小洞頂余幅15.43%，洞頂余幅均滿足要求。在各工況下，1號、2號、3號泄洪洞各級摻氣設施下游均能形成穩定的空腔，空腔長度8～28 m；空腔內并有一定的空腔負壓值，約為-0.3～-1.5 m，均在允許范圍內，落水點后均無水翅。各摻氣設施水力參數詳見表1、2。從試驗實測的底板摻氣濃度看，在設計水位及校核水位工況下，1號、2號、3號泄洪洞底板摻氣濃度均大于3%，摻氣效果良好，說明摻氣設施對泄洪洞起到了保護作用。

表1 1號泄洪洞摻氣設施水力特性(設計工況)

摻氣坎編號坎上水深/m坎上平均流速/m·s-1空腔長度/m空腔負壓值/981kPa回溯水流(強度、水深)挑流水舌最高點水深/m挑流水舌最高點位置1號82528142750-03弱10跌坎下游115m2號72848800-05弱75跌坎下游75m3號73354914～275-04無81跌坎下游14m4號71236314～30-15無86跌坎下游155m5號60540915～285-135無835跌坎下游12m6號6274007145～28-15無75跌坎下游12m

表2 2號、3號泄洪洞摻氣設施水力特性(設計工況)

摻氣坎編號坎上水深/m坎上平均流速/m·s-1空腔長度/m空腔負壓值/981kPa回溯水流(強度、水深)挑流水舌最高點水深/m挑流水舌最高點位置1號575233810～15-07弱625跌坎下游6m2號4752756115～145-13無55跌坎下游75m3號4633667155～21-175無7跌坎下游105m4號455394185～21-1無65跌坎下游8m5號488405416～21-1無575跌坎下游11m6號4634174155～21-05無525跌坎下游9m

5 結 語

類比國內外同類已建工程，摻氣減蝕是一種經濟有效的抗沖技術措施。通過水工模型試驗驗證，長河壩水電站1號、2號、3號泄洪洞設置摻氣設施后，能使摻氣坎后在各工況下形成穩定的摻氣空腔，保證向下游供氣，高速水流達到一定的摻氣濃度后，就能有效的防止或減少氣蝕的破壞，摻氣效果良好。

[1]R. T. 柯乃普， J. W. 戴利， F. G. 哈密脫. 空化與空蝕[M]//水利水電科學研究院譯. 北京： 水利出版社， 1981. 9．

[2]RAHMEYER W. Energy dissipation and limiting discharge with orifices[J]. Journal of Transportation Engineering， 1988， 114(3)： 232- 238．

[3]白立新. 摻氣對空化空蝕影響的機理研究[D]. 成都： 四川大學， 2009．

[4]王均星. 長河壩水電站整體水工模型試驗研究報告[R]. 武漢： 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 2012．

(責任編輯 王 琪)

Design of Spillway Tunnel Aeration and Cavitation Mitigating Facilities in Changheba Hydropower Station

MENG Fuqiang

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

As the high water head, large discharge and high flow velocity of three spillway tunnels in Changheba Hydropower Station, the cavitation erosion of spillway tunnels will be prominent, so the aeration and cavitation mitigating facilities need to be set. Combined with hydraulic model tests, the cavitation characteristics of spillway tunnels are analyzed and the type selection of aeration and cavitation mitigating facilities is optimized. The flow pattern and aeration effect analyses show that the final solution of aeration and cavitation mitigating facilities can effectively prevent or reduce cavitation erosion and the aeration effect is good．

spillway tunnel; high-speed flow; aeration and cavitation mitigating facility; cavitation; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

蒙富強(1980—)，男，廣西百色人，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程設計．

TV651.3(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0036- 03