泄水建筑物中的摻氣技術研究與實踐

周祁 楊霄 張書峰 袁福民 南軍虎

摘?要：摻氣技術是避免高水頭泄水建筑物遭受空蝕破壞的重要手段，為明晰各類摻氣技術在工程中的應用情況，對泄水建筑物中傳統底部摻氣技術、底部摻氣新技術、環形摻氣坎技術和旋流摻氣技術等摻氣技術的工作原理、工程應用及各自的適用條件進行了綜述，總結了不同工程中體形尺寸和水力條件等對空腔長度、摻氣濃度、通風量等摻氣技術指標的影響。針對當前高水頭、大流量泄水建筑物不斷增多的情況，指出多種摻氣技術的耦合應用、新型摻氣技術的理論分析、氣泡的微觀機理研究是今后摻氣技術研究的重點。

關鍵詞：泄水建筑物;摻氣技術;底部摻氣;環形摻氣坎;旋流摻氣

中圖分類號：TV65?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.027

Research and Practice of Aeration Technology in Discharge Structures

ZHOU Qi1， YANG Xiao2， ZHANG Shufeng2， YUAN Fumin2， NAN Junhu2

（1.Gansu Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Lanzhou 730000， China;

2.School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：Aeration technology is an important way to avoid the cavitation damage of high-head discharge structures. In order to clarify the application of various aeration technologies in engineering， the working principle of aeration technology such as traditional bottom aeration technology， bottom aeration technology， annular aeration technology and swirl aeration technology in the discharge structures， engineering applications and their respective applicable conditions were reviewed. The effects of body size and hydraulic conditions on the aerated technical indexes such as cavity length， aeration concentration and ventilation were summarized. In view of the increasing number of high-head and large-discharge outlet structures， it was pointed out that the coupling application of various aeration technologies， the theoretical analysis of new aeration technologies and the microscopic mechanism of bubbles were the focus of future aeration technology research.

Key words： discharge structure; aeration technology; bottom aeration; annular aeration; swirl aeration

隨著國民經濟的快速發展，大規模水電開發已成為解決我國能源問題的一個重要途徑。目前，我國已經建成了許多高水頭、大流量的水利水電工程，例如：龍灘水電站壩高216.50 m，表孔溢洪道最大單寬流量249.5 m3/（s·m）;溪洛渡水電站壩高285.5 m，泄洪洞單洞最大泄流量超過4 000 m3/s，4條泄洪洞最大泄流量達16 700 m3/s。同時從經濟角度考慮，越來越多的工程將導流洞改建成了永久性泄水建筑物，如：沙牌水電站豎井旋流泄洪洞工作水頭88.0 m，泄流量242 m3/s;清遠抽水蓄能電站豎井泄洪洞設計最大泄量534.2 m3/s;黃河公伯峽水電站泄洪洞在校核水位2 008 m泄洪時，泄流量為1 132 m3/s。高水頭、大流量泄水建筑物不斷增多，與之相關的空蝕、霧化、下游河床及岸坡沖刷等問題愈發突出。如：二灘水電站泄洪洞反弧末端下游發生過嚴重的空蝕破壞，白山水電站泄洪霧化產生暴雨造成廠房被淹，長湖水電站下游河床及兩岸岸坡曾遭受嚴重的沖刷。為保證工程的安全，必須采取必要的措施來解決相應的高速水流問題。

水利水電工程中泄水建筑物的過流表面在高速水流的作用下引起的空蝕破壞是高壩建設過程中必須重視的問題。摻氣技術是避免高水頭泄水建筑物遭受空蝕破壞的重要手段，通過在高水頭泄水建筑物上設置摻氣設施，強迫水流摻氣，能有效減免局部低壓區可能發生的空蝕破壞，經濟效益、生態效益和安全意義均十分明顯。摻氣減蝕的機理就是在高速水流中摻入空氣，水流摻氣后，固壁附近的空氣泡會潰滅，產生強烈的相互作用，減小沖擊波壓強，減弱傳遞到固壁的高強沖擊，減免空蝕破壞[1-2]。研究表明[3]，當泄水建筑物近壁面水流摻氣濃度為1.5%～2.5%時混凝土試件的空蝕破壞顯著減少，摻氣濃度為7%～8%時混凝土試件的空蝕破壞基本消失。半個多世紀的研究和工程實踐使摻氣減蝕技術有了很大的發展，從底部摻氣發展到三維摻氣，從平面（包括斜面）過水表面摻氣發展到豎井縱向全斷面摻氣，很好地解決了工程問題。本文對不同的摻氣技術及其適用條件、工作原理、工程應用進行了總結概述，并且對不同水力條件下摻氣設施的應用進行了總結與展望。

1?傳統底部摻氣技術

在泄槽或溢洪道底部設置摻氣挑坎、跌坎、摻氣槽以及它們的組合形式是工程中常見的傳統底部摻氣技術，其基本原理是將水流與底部固體邊界分離，形成摻氣空腔，強迫水流摻氣，從而達到減免空蝕破壞的目的。這類摻氣設施的相關研究開展較早，成果已廣泛應用于工程實際。

摻氣坎（槽）設置合理的標志是各種水頭下坎后均能形成穩定的空腔、無空腔回水等不利流態，因此坎高的選擇至關重要。傳統底部摻氣技術中坎高的下限可按如下公式計算[4]：

（ΔR1）er≥23.5X-3（1）

式中：Δ為挑坎高度;R1為摻氣坎上水流水力半徑;X為組合參數;下標er表示坎高的下限。

X=（u/gR1）（1/cos α）cos θ（2）

式中：u為坎上水流速度;α為槽底坡角;θ為挑坎挑角;g為重力加速度。

空腔長度是驗證摻氣坎（槽）高度有效性最直接的參數，主要受來流條件、上下游邊界條件及摻氣設施體形參數的影響。工程設計中空腔長度可按如下經驗公式估算[5]：

L=υ0cos θ+12gT2sin α（3）

T=υ0sin θg（cos α+pN）[1+1+2gΔ（cos α+pN）（υ0sin θ）2]（4）

式中：L為空腔長度;T為射流到達底板的時間;pN為空腔負壓指數;υ0為挑坎末端端面射流初始流速。

文獻[6]表明，空腔長度隨泄槽底坡、挑坎高度及挑坎坡比的增大而增大，其中挑坎高度的影響最為顯著，因此在特定流量下可通過增大挑坎高度或挑坎坡度來增大空腔長度。此外，當弗勞德數Fr增大時，空腔長度呈先增大、后減小、再增大的變化趨勢;當水流的雷諾數Re和韋伯數We增大時，空腔長度增大，在相同的雷諾數Re和韋伯數We情況下，空腔長度隨挑坎坡比增大而增大。

通氣孔的通風量會影響泄洪洞底部摻氣濃度，通風量的影響因素大致分為兩類[7]：一是水體自身容納氣體的能力，主要受水深的影響;二是水流從空腔內吸納空氣的能力，主要由射流流速與底空腔長度決定。通風量可按如下半理論半經驗公式[8]計算：

Qa=KQwcos α{Δhsin α+Frcos（α-θ）cos α[Frsin θ+

Fr2sin2θ+2Δhcos α]}（5）

式中：Qa為通風量;K為待定系數;Qw為來流流量;Fr為坎上水流弗勞德數;h為坎上水深。

根據烏江渡、馮家山和福茲杜阿里水電站原型觀測資料，得到K值的經驗公式為

K=0.018-0.000 065qw（6）

式（6）適用于單寬流量qw=7.5～163.0 m3/（s·m）的情況。

空腔積水是制約底部摻氣效率的一個不利現象，影響摻氣效果，嚴重時甚至摻不進氣。其影響因素包括[9]摻氣坎體形、坎上水流流速、單寬流量、坎前水深、坎后條件等。加大泄槽底坡對減輕空腔積水有利，但當泄槽底坡變幅達到某一值后，空腔長度反而會減小，容易產生積水，其原因是空腔負壓達到了臨界值，負壓對水流施加一個向空腔方向的作用力，水流流向空腔產生積水[10]。

根據《溢洪道設計規范》（SL 253—2018）[11]，為避免發生空蝕破壞，摻氣設施保護范圍內近壁處的摻氣濃度最低范圍為3%～4%。

隨著流量的增大，設置反弧段的溢洪道沿程各過流斷面摻氣濃度總體呈減小趨勢，坎高越高，水舌落點后水流摻氣濃度越大。摻氣坎后水流摻氣濃度沿程分布規律為先增大、后減小;在斷面上的分布規律由水流表面到底部逐漸減小。水流在通過不同半徑的反弧段時，反弧半徑越小，受到的離心力越大，氣泡越易消散;另外在離心力作用下，水流底部流速增大，沿程壓力梯度降低，使得摻氣濃度降低，容易引起空蝕[12-14]。從微觀角度來看，氣泡直徑是影響空腔長度的因素，隨著氣泡直徑的增大，摻氣濃度降低[15]。文獻[16]給出了減免空蝕最低摻氣濃度與高速水流流速的關系式：

Cmin=0.026υ1.41 （7）

式中：Cmin為減免空蝕最低摻氣濃度;υ為高速水流流速。

典型工程中底部摻氣技術的摻氣濃度見表1。

2?適用于底部摻氣的新技術

隨著水利水電技術的進步和經濟的發展，具有高水頭、大流量、低弗勞德數等特點的高壩越來越多，傳統的底部摻氣技術存在一定的局限，如溢流反弧后僅有底部摻氣，易出現邊墻清水三角區，小底坡上的連續坎有時難以避免空腔回水。部分學者根據具體工程問題，改進和研究了適用于底部摻氣的新技術，進一步提高了摻氣效率。

凹形摻氣坎是一種適用于緩坡條件的新技術，如圖1（a）所示。在相同“當量坎高”（當量坎高是指沿摻氣坎末端寬度方向上的平均坎高）的前提下，凹形摻氣坎在空腔特性、摻氣濃度、通風量等指標上優于平面凹形、平面凸形、平面梯形等摻氣坎體形，并且對提高邊壁角隅區域水流的摻氣能力、減緩邊墻的空蝕破壞具有一定的優勢[17-18]。V形摻氣坎是一種適用于“龍抬頭”式泄洪洞泄洪的新技術，如圖1（b）所示。試驗表明，V形摻氣坎能夠使空腔射流落水點沿橫向的分布前后錯開，解決了坎后空腔回水的問題，并且三維擴散充分，水舌與空腔接觸面積較大，有利于改善摻氣條件[19-20]。U形摻氣坎是一種適用于高流速、大單寬流量、小底坡明流泄洪洞條件的新技術，如圖1（c）所示。U形摻氣坎射流的沖擊作用將空腔內回旋水流推向主流，能夠有效抑制水流回溯，有利于消除空腔積水，增大水氣交界面積，提高摻氣效率[21]。各類底部摻氣新技術的參數見表2。

3?環形摻氣坎技術

摻氣技術在半個多世紀的研究和工程實踐中，逐漸從底部摻氣發展到三維摻氣，從平面過水表面摻氣發展到豎井縱向全斷面摻氣，例如在導流洞改建成永久性泄水建筑物時，為解決豎井壁面空蝕破壞問題，往往會在豎井內設置摻氣設施，達到豎向全斷面摻氣的目的。環形摻氣坎（見圖2）是適合于泄洪洞豎井的全斷面摻氣技術，其通常設置在WES溢流堰或者環形溢流堰下部。水流豎向運動時可在環形摻氣坎孔口形成淹沒射流，射流挾帶空氣使其周圍的環狀空腔內產生負壓，在通氣孔進出口壓差作用下空氣通過通氣孔進入空腔，并由射流沖擊豎井水體產生的大尺度旋渦挾帶至水流中，達到豎井垂向全斷面摻氣的目的。黃河公伯峽水電站和新疆吉音水利樞紐的泄洪洞均為水平旋流泄洪洞，為保證旋流洞內的水流具有足夠的摻氣濃度，特在豎井段設置了環形摻氣坎。大石門水電站和金平水電站的消能形式為消力井消能，其豎井段的環形溢流堰下部豎井段也設置了環形摻氣坎。此外，為減免高水頭作用下豎井旋流消能工豎井壁面的空蝕破壞，提高壁面摻氣濃度，在豎井旋流進口段設置的環形摻氣坎也是豎向全斷面摻氣的形式。

在溢流堰下端增設環形摻氣坎有利于水舌摻氣并促進豎井消能，有利于減小溢流堰面的負壓、防止空蝕破壞[22]。通過公伯峽水平旋流泄洪洞原型、模型試驗以及數值模擬，對環形摻氣坎的通風和摻氣特性進行研究，結果表明：設置環形摻氣坎后豎井內水流的摻氣效果明顯;通氣孔的通風量越大，水流摻氣越多;摻氣濃度沿高程呈乘冪規律衰減，豎井圓變方段及下游區域受沖擊射流的影響較小，凈輸氣量基本穩定，過流表面的摻氣濃度保持在0.5%左右。豎井內設置環形摻氣坎后能夠形成分級消能的效果，與不設摻氣坎相比，消能率大大提高，很大程度上減少了旋流洞空化空蝕和泄洪洞總體消能的壓力;空腔長度越長，射流速度越快，其沖擊力越強，豎井內旋渦尺度越大和紊動程度越高，則消能率越高[23-24]。

豎井式溢洪道多應用于河床狹窄、泄洪系統布置困難的高壩中，大石門水電站和金平水電站均采用了豎井溢洪道，這種消能設施主要是靠摻氣水流從豎井跌入消能井中上下翻滾、相互沖撞進行消能，為防止氣蝕現象的發生，需在溢流堰下端增設環形摻氣坎。其中為解決大石門水電站峽谷河道工程布置困難的問題，采用了脫壁流豎井結構形式溢洪道泄洪，豎井式溢洪道由環形溢流堰進水口、豎井段、消力井段組成，在工程布置中加大了豎井直徑，并以突擴方式將其與喇叭口下端連接起來，在突擴部位對稱布置4個內徑為0.45 m的通氣管。設置通氣管一方面使豎井內脫壁水流強迫摻氣，減輕了空蝕破壞;另一方面滿足了豎井底部消力井水躍消能的摻混需要。在設計與校核洪水位工況下，環形溢流堰進流流態良好，呈現為自由堰流流態;通氣管最大風速為83.80 m/s，屬于合理范圍;水流均以脫壁流形式跌入消力井內，在消力井內形成強摻混、強紊動的水流流態，消能率分別為89.9%與78.7%[25-27]。在對金平水電站豎井溢洪道1∶45水工模型試驗中觀測到，設置環形摻氣坎并在其周圍增設4個孔徑為0.45 m的通氣孔后坎下水流紊動劇烈，在一定范圍內形成了空腔，摻氣效果良好，隨著水位的升高，空腔范圍減小;通氣孔進氣量隨著下泄流量的增大呈增大趨勢，最大進氣量可達85.35 m3/s;豎井下落的水流與消力井中水體產生劇烈的碰撞，消除了大部分的能量，大大減輕了水流對下游河道的沖刷[28]。

典型工程中豎井段環形摻氣坎的水力特性見表3。

4?旋流摻氣技術

旋流消能工是生態環境友好的消能技術，不少學者對旋流內消能泄洪洞體形和流態、壓力、流速、消能率等水力特性進行了研究，取得了豐碩的成果[29-32]。其通過在豎井進口或者水平段入口設置起旋裝置，讓水流軸向運動的同時疊加切向的旋轉運動，從而在豎井或水平洞內形成中心為空腔、周圍為旋轉水流的空腔旋流，以達到增大壁面壓強、延長水流流程、增大水流消能率的目的，其結構簡單，能較好地適應復雜的地質條件。根據布置形式的不同，可將旋流消能工內的空腔旋流分為豎井旋流和水平旋流兩種，水流運動時旋流內表面水流挾帶空氣致使空腔內形成負壓，空氣在壓力差作用下隨水流運動而摻氣。

小灣水電站、猴子巖水電站、兩河口水電站、清遠抽水蓄能電站導流洞改建為永久泄水建筑物時，采用或論證了豎井旋流內消能工技術。但在高水頭、大流量的運行情況下，豎井壁面會出現摻氣不足而發生空蝕破壞的情況，因此如何使豎井內水流正常貫通、增大壁面摻氣濃度成了需要解決的技術難點。通過在旋流豎井中增設環形摻氣坎能夠較好地解決空蝕破壞問題，增設環形摻氣坎后，水流摻氣效果好，下游豎井壁面不再有清水區，并且對下游井壁時均壓強影響較小，加之井壁有充分的摻氣保護，不會出現安全威脅[33]。雙渦室摻氣型旋流豎井是適用于高水頭大流量條件的旋流豎井新型改建技術，試驗研究結果表明，豎井壁面摻氣濃度沿程略有降低，摻氣濃度最高達11%、最低為4.8%，基本上可以減免豎井壁面空蝕破壞，并且旋流豎井底板壓強較無摻氣設施的有所降低，保證了結構的安全性，同時水流進入上渦室形成螺旋流，經過收縮段后水流的離心力突然釋放，進一步增加了水流旋轉圈數，使得水氣混摻更加充分，消能效果顯著[34]。壁面全程摻氣旋流豎井能夠較好地解決在流量比較大時，隨著水流的旋轉下落水流中空氣溢出的問題，水流從收縮段進入豎井段，在豎井內螺旋向下流動，產生渦腔，渦腔內充滿大量空氣，水流在流動的過程中可以從渦腔內摻入空氣，使得整個豎井壁面的摻氣濃度都很高，同一高程豎井壁面摻氣濃度分布較均勻，最高可達15%，最低也有1.2%。當流量較小時，隨著流量的增大，摻氣空腔長度有所增大;當流量較大時，隨著流量的增大，摻氣空腔長度變化不大，能夠滿足水利工程過流壁面摻氣濃度的設計要求[35]。

豎井旋流摻氣技術各類參數見表4。

黃河公伯峽水電站和新疆吉音水利樞紐的泄洪洞均為水平旋流的消能方式，由于在水平段水流高速旋轉，為防止壁面發生空蝕破壞，因此在起旋室處設置通氣孔進行摻氣。公伯峽水平旋流洞1∶40及1∶60反演模型試驗表明，1∶40模型起旋室通氣孔通風量隨上游水位的提高呈現出增大的趨勢;在相同水力條件下，1∶60模型通風量隨上游水位的提高呈現出減小的趨勢。旋流空腔靠近泄洪洞壁面時，可觀測到近壁面水流摻氣，某一斷面處的旋流流層越薄，該位置處摻氣濃度越大。總體來看，摻氣效果良好，能夠起到摻氣減蝕的作用，同時旋轉水流能夠加強局部水流紊動和相鄰流層間的剪切力，延長水流流程，增大了沿程能量損失，經計算消能率高達84%[36]。在吉音水利樞紐模型試驗研究中，觀測到旋流洞水流繞洞軸線作旋轉流動，并且通過通氣孔往起旋室吸氣，旋轉流內空腔穩定，緊鄰起旋室約27.0 m的旋流洞段水流內有明顯摻氣現象，該洞段水流呈乳白色。隨著流量的增大，通氣孔往起旋室吸氣的通風量不斷增大，最高可達91.3 m3/s[37]。

水平旋流摻氣技術各類參數見表5。

5?結?語

對各種不同形式的摻氣技術及其適用條件、工作原理、工程應用情況進行了總結概述，在當前高水頭、大流量泄水建筑物不斷增多的情況下，摻氣設施對于消除高速水流帶來的空蝕破壞問題顯得愈發重要。目前，關于底部摻氣技術的研究成果較為豐富并且技術已經趨于成熟。隨著高壩建設的增多，尋求多種摻氣技術的耦合應用是將來發展的趨勢。但從目前國內外的研究情況看，以下問題仍需進一步深入探討：

（1）對新型摻氣技術的研究尚處于試驗階段，其各種物理指標還沒有系統完整的結論與規律，可以作為一個新的研究方向。

（2）對泄水建筑物中摻氣技術的研究主要立足于水氣兩相流宏觀水力特性方面，而對摻氣氣泡微觀機理如摻氣泡與空化泡的作用機理等的研究尚需深入開展。

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【責任編輯?張華巖】