深孔泄洪洞工作(閘)弧門下游水流空化特性分析

張逸軍，尹進步

(1.陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽 712000；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

泄洪洞作為一種主要的泄洪建筑物被許多工程所應用。有些工程泄洪洞是根據工程樞紐布置及泄洪運行水頭需要而設置，還有一些是結合工程施工期的導流洞經后期改建而成[1-6]。根據施工導流洞改建的泄洪洞布置形式一般有兩類，一類是按傳統形式布置，另一類有可能被改建為豎井旋流式或洞塞式泄洪洞。近幾年雖然關于豎井旋流泄洪洞的洞內消能相關研究成果較多[7-10]，其也具有霧化程度低等諸多優點，但受泄洪規模及可參考的已建工程數量少等因素限制，目前使用量比較少，多數工程泄洪洞布置仍以傳統形式為主。傳統泄洪洞一般由以下幾部分構成：進口段、有壓段、檢修閘室段、工作閘室段、泄槽段及出口消能段。進口段一般布置于水下一定深度處，有壓段及明流泄槽段一般依托地形條件布置，出口消能段根據出口位置采用底流或挑流消能布置形式。受有壓段與泄槽段地形條件限制，檢修閘門閘室和工作閘門閘室基本根據有壓洞地形及洞線位置布置，有的將檢修閘門閘室與進口結合在一起設置為進水塔布置形式，有些設置于有壓洞中間某一位置，也有的和工作閘門閘室布置在一起組成共用閘門室或中閘室[11]。工作閘門閘室的底板由兩部分構成，前一段是有壓段后的平底段，該段一直延伸至弧門下緣之后一定長度，之后為銜接平底與下游泄槽陡坡連接的拋物線段。由于閘室位置一般根據上游有壓段與下游陡槽段所確定，閘室的平底段長度與拋物線水平長度也因此被確定。閘室段總長度變化范圍非常有限，而拋物線長度又必須結合壓坡后的水流流速確定，致使弧門下游平底段長度的可變化幅度一般都比較小。

檢修平板閘門室基本為有壓水流運行，只要門槽設計合理，無論哪種布置形式，水流運行基本不受影響，運行一般比較安全。相對而言，工作閘門既要控制流量，又要承擔泄洪洞有壓水流向無壓明流轉換的過渡作用，特別對一些深孔泄洪洞而言，其運行水頭高且體型復雜，閘門下游水流運行安全問題相對較多。許多工程運行發現，無論是平底段的長度，還是拋物線的體型，或者閘門的開啟方式均可能對水流流態產生影響，導致弧門后形成水流空化現象，空化嚴重時底板甚至出現空蝕破壞問題。

本文根據某抽水蓄能電站下水庫泄洪洞建筑物構建了深孔泄洪洞工作門局部水力學試驗模型，通過水力學模型試驗測試與資料分析，結合數值模擬計算結果，對工作閘室下游段水流的空化特性規律及機理進行了研究。

2 水力學模型制作及試驗方案

制作的深孔泄洪洞工作閘門閘室及其前后結構體型模型布置形式如圖1所示。模型長度比尺為1∶30，由于測試重點在于工作閘室段，因此模型未設置檢修閘室，只選取了進口段、部分有壓段、工作閘室及部分泄槽段進行制作。由于缺少了檢修閘室及部分有壓洞段的部分水力損失，相對實際工程而言，出口流速可能偏大。工程原型有壓段洞徑為D=6.5 m，工作弧門出口為5.8 m×4.8 m(b×h)，出口段與下游泄槽寬度均為5.8 m，閘室水平底板下游接方程為y=x2/230的拋物線，其水平方向總長度為9.2 m，拋物線下游接i=0.08的陡坡。為了分析閘室與拋物線之間的水平段長度對水流空化特性的影響，模型首先按原工程設計的弧門底緣下游平底長度2.78 m進行制作(即短水平段方案)，測試結束后再將水平長度增加5 m，其下游順延，即總長度按7.78 m再次進行模型制作和試驗測試(即加長水平段方案)。

兩個方案試驗均按進口底板以上總水頭及弧門不同開度分別進行多個組次的測試，進口底板以上總水頭分別為40、55、65 m，是工程中比較常用的水頭運行范圍。弧門開度分別為全開(4.8 m)、1/2開度(2.4 m)、1/4開度(1.2 m)及1/6開度(0.8 m)。考慮一般工程泄洪洞與溢洪道或表孔泄洪建筑物聯合應用時，其主要為滿足溢洪道或表孔堰面附近水位的泄洪需求，因此底板以上總水頭的最大變幅取25 m。弧門開度也是按照常規工程泄洪洞可能面臨的不同開度需求而確定。試驗主要對每個組次的過流量、拋物線及其上下游底板壓強進行測試，同時也對特征斷面水深進行測試。

3 試驗結果與空化特性分析

3.1 短水平段方案壓強分布

試驗從壓坡起始斷面至下游陡坡段的底板上共布置了12個壓強測點，其中壓坡處3個，壓坡出口的水平段1個，拋物線段3個，下游陡坡段5個。但壓強測試結果發現，壓坡處3個測點基本處于有壓水流范圍內，壓強值比較大，比總水頭略小，從第4個測點開始壓強出現快速下降現象，下游陡坡段5個測點中的后4個測點的壓強基本是一個相對比較均勻的變化過程，因此試驗只對壓強有明顯變化的中間8個測點進行分析。不同作用水頭各弧門開度下各測點壓強分布如圖2所示。

圖1 深孔泄洪洞體型布置示意圖

圖2 不同作用水頭各弧門開度下短水平段方案各測點壓強分布

由圖2可以看出，底板以上總水頭40 m時，弧門全開的各測點壓強均比較大，隨著弧門開度減小，拋物線及下游壓強普遍下降，開度減小至1/4時，陡坡上的第1個測點出現負壓，開度減小至1/6時，負壓值增加至-6 kPa；底板以上總水頭增加至55 m時，雖然壓強總體變化規律與40 m時相同，但局開時壓強降低的幅度和負壓范圍均較大，特別是1/4及1/6開度時，3#～5#測點均出現負壓，而且呈現負壓值隨開度減小而不斷增加的趨勢，最大負壓值超過-10 kPa；底板以上總水頭增加至65 m時，壓強總體變化規律與55 m相同，繼續呈現負壓值隨開度減小而不斷增加的趨勢，負壓出現范圍也進一步增加，3#～5#測點在局開時均出現負壓，開度減小至1/4及1/6時，負壓值進一步增加，最大負壓值接近-14 kPa。

上述結果表明，隨著弧門開度的減小，壓強總體呈現減小趨勢，隨著底板以上總水頭的增加壓強也呈現減小趨勢，即開度最小時，壓強減小的幅度可能最大。

為了進一步明確該規律，將圖2中的不同水頭1/6開度的壓強分布匯總為圖3，從圖3可以清晰看出，隨著水頭的增加，小開度負壓增加的趨勢非常明顯。由此可以預測，如果開度進一步減小，負壓可能還會進一步增加。

圖3 不同作用水頭弧門1/6開度下短水平段方案各測點壓強分布

3.2 短水平段方案空化特性分析

一般空化現象均發生于壓強最小點，從上述壓強測試結果可以看出，最大負壓基本出現在5#測點，1/2開度時，3#測點負壓略大(見圖2(b)、2(c))。對上述幾個開度壓強最低斷面的水流空化數進行計算，計算方法為規范推薦公式，為了使空化特性具有一定的地區代表性，海拔高程選擇700 m，計算中斷面平均流速根據水深和流量測試結果計算得到，汽化壓強按水溫15℃選取，計算結果如表1。

從表1的計算結果可以看出：(1)隨著總水頭的增加，幾個開度的空化數都在減小，總水頭40 m時空化數均大于0.2，總水頭增加至55和65 m后，局開工況水流空化數均減小至0.2以下，最小值為總水頭65 m、1/4開度的0.133；(2)總水頭40和55 m時，空化數隨開度的減小均在不斷減小，而總水頭達到65 m時，空化數在全開至1/4開度變化之間仍保持與前面相同的變化規律，但1/4至1/6開度之間不再減小，空化數隨開度變化的幅度也很小，1/6開度比1/4開度還增加了0.006，不足5%。這一分布規律說明水頭增加到一定值，開度減小到某一小開度后，水流空化數可能穩定在某一值附近不再大幅度變化。這一分析結果說明，對空化數變化而言，1/6開度可能是極限，不需要再減小。

3.3 加長水平段方案壓強分布

根據短水平段方案測試及分析結果，將閘室與拋物線之間水平段加長5 m，試驗重點對加長水平段方案進行了總水頭55和65 m、弧門開度為1/2、1/4及1/6幾個組次的壓強及相關參數測試，考慮到水平段增加5m后陡坡段壓強可能出現變化的因素，在陡坡段底板增加了1個壓強測點，試驗共進行了9個壓強測點的分析，其中前8個測點位置與原斷面重合布置，各組次壓強測試結果如圖4所示。

表1 短水平段方案各工況極小壓強空化數計算結果

圖4 不同作用水頭各弧門開度下加長水平段方案各測點壓強分布

從圖4中可以看出，水平段的加長使拋物線位置后移了5 m，最小壓強值仍出現在5#測點附近，但加長后壓強值普遍有所提高，壓強分布呈現出與圖2測試結果不同的分布規律：(1)水平段、拋物線段及陡坡起始段壓強均為正壓，雖然個別測點壓強仍然偏小，但始終無負壓出現；(2)水流出弧門壓強值快速下降后變化比較平穩，雖然最小值仍出現在拋物線段，但總體無明顯波動現象，壓強變化幅度均很小；(3)開度對壓強值有一定的影響，1/2開度時壓強值略大，1/4及1/6開度時，拋物線與陡坡段壓強值均較小，但隨著總水頭的增加，壓強值的變化不是非常明顯，基本都在0～10 kPa之間變化。

3.4 加長水平段方案空化特性分析

采用與短水平段方案相同的方法對水平段加長后的水流空化數進行計算。斷面平均流速取值與前面相同，仍根據水深和流量測試結果計算得到，壓強依然取各組次極小壓強值。各組次水流空化數計算結果如表2所示。

表2 加長水平段方案各工況極小壓強空化數計算結果

從表2與表1的空化數比較可以看出：(1)隨著水平連接段的加長，壓強隨之提高后，水流空化數也普遍有所增加，總水頭55 m、開度1/4時水流最小空化數已超過0.2，達到0.226，總水頭65 m時，各開度的水流最小空化數均已超過0.16；(2)空化數隨水頭及開度的變化規律與短水平連接段基本相同；(3)仍有幾個工況水流空化數低于0.2。

4 弧門出口段底板空化問題討論

4.1 空化特性及機理

通過前面不同總水頭、弧門開度等參數變化后的水流最小空化數分析結果發現，當總水頭低于40 m、弧門開度不是特別小時，弧門出口段最小水流空化數基本在0.3以上，弧門開度較小，水流最小空化數有可能低于0.3；當總水頭超過40 m，接近55 m及以上時，只有開度較大時，最小空化數才可能大于0.3，否則隨著開度的減小，最小空化數會快速降至0.3以下，隨著水頭的進一步增加，最小空化數有可能降至0.2以下，甚至于小于0.15；雖然通過增加閘室與拋物線之間的底板水平段長度可以使壓強盡可能不出現負壓，水流空化數有所增大，但隨著開度的減小，高水頭下的水流最小空化數仍小于0.2。

從所有最小壓強及空化數出現的斷面位置看，基本位于拋物線段或其后斷面，雖然在此類體型設計中，拋物線能較好地完成閘室與下游陡坡之間的過渡，但拋物線卻改變了閘室后水流的連續性，特別是閘門小開度條件下改變現象更加明顯。為了對該段水流流態有一個相對比較清楚的分析，考慮到由于物理模型縮尺影響，難以準確顯示流態變化，參考同類工程數值模擬計算方法[12-13]，此處利用數值模擬，對弧門小開度條件下閘室下游局部水流流態進行詳細模擬計算。計算得到的總水頭40 m、弧門開度為1/6時閘室后水流流態及壓強分布云圖如圖5所示。

圖5 總水頭40 m、1/6開度弧門下游水流流態及壓強分布

由圖5可以看出，雖然弧門開度較小，但水流出閘室在平底初始段的短距離內基本為均勻射流狀態，在水平段末端射流受空氣阻力及水面摻氣影響，表面略有上升。與此同時底部開始逐漸進入拋物線的曲線段，出現微小的脫壁現象，再繼續向下游流動過程中，水流一方面保持水平方向的慣性運動，另一方面受重力作用，主體出現向下傾斜的趨勢，水流出現總體導向現象。通過該流態過程分析可知，正是水平方向的慣性運動導致水流在曲線段出現脫壁及壓強減小現象，圖5中總水頭只有40 m，弧門出口流速相對比較低，所以負壓總體較小，隨著水頭進一步增加，保持水平方向慣性運動的流速也會隨之增加，則曲線段負壓會進一步增大，最終出現空化數減小的趨勢。

如果將閘室與拋物線之間的水平段加長，則出弧門的射流只受到空氣阻力及水面摻氣影響，水深會逐漸增加，底部在初始段不會出現脫壁現象。水流在水平底板運行一定距離后，水深有一定幅度增加，流速會有所減小，此時再進入拋物線曲線段后，底部脫壁現象會有所減緩，壓強雖然也可能下降，但仍比短水平連接段的壓強大，因此空化數相對而言會有所增加。

4.2 空蝕破壞的可能性及弧門開度控制

許多工程泄洪洞先后出現不同部位的空蝕破壞，根據資料統計發現，早期大量導流洞被改建為龍抬頭式泄洪洞，其進口位置比較高，即進口底板以上總水頭相對較低，因此大量破壞發生在泄槽下游的反弧段及其下游段，美國的黃尾壩及我國的劉家峽等工程均出現過此類破壞[14-15]。近幾年隨著壩高的增加，由于已經設置了溢洪道或表孔泄洪建筑物，一些工程泄洪洞進口設置相對比較低，導致其工作門下游的水頭與流速相對較高，因此部分工程在工作門出口及下游也出現了不同程度破壞現象。前面分析已經表明，深孔泄洪洞受弧門開度和工作水頭影響，部分工況的拋物線段及其下游段水流空化數比較低，都可能是空蝕破壞極易發生的部位，因此有必要對其空蝕破壞的可能性進行分析。

文獻[15]對泄洪洞反弧段及其上、下游的水流初生空化數進行研究發現，水頭在115 m以上時，泄洪洞反弧段初生空化數大約為0.22，陳椿庭對霍爾資料分析后提出空化數在0.2～0.3時，要控制過流面的不平整度，美國專家布格認為空化數在0.12～0.3時要增加摻氣設施，小于0.12時就必須修改設計。圍繞拋物線段及其上下游體型設計需求，國內先后進行了幾個工程的不同試驗研究[15-18]，對研究資料進行分析發現，雖然部分工程初生空化數按0.3取值，但如果過流面不平整度有一定控制，比較安全的傾向意見認為拋物線上、下游水流初生空化數也可以按0.2取值。

按照上述結論對本文兩種體型進行分析發現，水頭40 m時，各種工況的水流最小空化數基本大于0.2；如果水頭增加至55 m，則短水平連接段體型開度最小只能為1/2，否則空化數就小于0.2，水平連接段加長5 m后最小開度為1/4；水頭再進一步增加至65 m，短水平連接段體型只能全開，加長后最小開度為1/2。為了分析海拔高程對其影響，又按上述計算方法對海拔增加至2 000 m的空化數進行計算發現，水頭40 m時，兩種體型最小開度均為1/4；水頭增加至55 m后，水平段加長后最小開度為1/2，短水平連接段最小開度為3/4；水頭再增加至65 m后，短水平連接段體型只能全開，水平段加長后開度1/2時空化數為0.197，推測開度為3/4時空化數可能會大于0.2。

上述分析結果說明，如果控制好不平整度，以0.2作為拋物線及其上、下游初生空化數界限，則40 m以下水頭，弧門最小開度可控制為1/4，隨著水頭增加，弧門最小開度界限會逐漸增加，水頭達到65 m后，高海拔地區弧門只能全開，低海拔地區雖然通過增加水平連接段長度可以適當局開，但開度也不能小于1/2～3/4。

5 結 論

通過物理模型試驗與數值模擬計算相結合的方法對深孔泄洪洞工作弧門下游底板的水流空化與空蝕問題進行了分析，分析結果表明：

(1)受弧門射流流場分布影響，弧門下游拋物線及下游陡坡初始段底板壓強隨著底板以上總水頭的增加及弧門開度的減小會快速減小，最大負壓接近或超過-14 kPa，連接閘室與拋物線之間的水平段長度增加5 m后，雖然可以使底板壓強有一定幅度的增加，但高水頭、小開度工況下的水流最小空化數仍然比較小，最小值不足0.2。

(2)如果確定深孔泄洪洞拋物線及其上、下游段水流初生空化數為0.2，而且底板不平整度得到一定控制，則總水頭40 m時弧門最小開度可以達到1/4，若總水頭增加至65m，弧門只能全開或3/4開度運行，低海拔地區或水平段加長5 m后弧門最小開度可到1/2～3/4。

(3)本文研究是在拋物線方程確定的條件下進行，但實際拋物線體型對水流空化與空蝕特性也具有一定影響，相關問題有待進一步研究確定。