岸邊導(dǎo)流底孔水力特性模型試驗研究

楊 磊，袁 強，趙 偉，李 欣，閆新建，羅永欽

(1.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650051)

0 引 言

導(dǎo)流底孔運行水位變幅大，易引起立軸旋渦、明滿流交替、空化空蝕、泄洪振動等不良水力現(xiàn)象，常采用模型試驗對其進行研究，以保證其導(dǎo)流安全[1-2]。導(dǎo)流底孔淹沒水深較低時，會在進水口形成立軸旋渦，降低過流能力，惡化流態(tài)，吸入漂浮物，引起建筑物的振動，危及水工建筑物的安全[3-5]。明滿流交替現(xiàn)象常伴隨著吸氣旋渦、閘門井吸氣，會增大洞內(nèi)的壓力脈動，使洞體長期處于交變負荷作用下，危及洞體運行安全[6]。郭軍等[7]基于三峽水利樞紐導(dǎo)流底孔試驗表明，短有壓管流速高，可能引起水流的空化空蝕，泥沙可能引起底板和壁面的磨損，運行風險高。吉雪松等[8]基于觀音巖1號導(dǎo)流底孔模型試驗表明，閘門井竄水不僅會改變導(dǎo)流底孔內(nèi)的流態(tài)和空化特性，還會降低泄流能力。針對導(dǎo)流底孔可能出現(xiàn)的上述安全問題，國內(nèi)學者對于消渦研究多聚焦于來流條件、邊界條件、臨界淹沒水深[9-11]；黃國兵[12]、李蘅[13]等表示通過優(yōu)化進口體形消渦、出口壓坡，可減小明滿流交替區(qū)間，避免空化空蝕危害；三峽大壩導(dǎo)流底孔通過改善主縱梁周圍的局部水流條件和減小耦合作用力的面積，顯著減小閘門振動[14]。

因?qū)Я鹘ㄖ儆谂R時性建筑，目前我國對關(guān)于導(dǎo)流底孔模型試驗均基于特征水位及流量進行，很少針對不同水位變化下的底孔水力特性進行研究[15]，現(xiàn)行標準除了泄流能力必須滿足設(shè)計要求外，對其余不良水力學指標也未做強制性要求[16]。隨著“一帶一路”的推進，國外水利水電工程建設(shè)增多，在國外水力學專家的咨詢過程中，常提出需分析導(dǎo)流建筑物不同庫水位下的導(dǎo)流安全，這與我國國內(nèi)標準的要求有一定差異，導(dǎo)流的水力設(shè)計受到一定質(zhì)疑。通過科研試驗，準確回答導(dǎo)流建筑的泄洪安全，對于我國水利水電建設(shè)標準走向世界，是重要的支撐。本文以老撾南俄4水電站為研究對象，通過水工模型試驗，詳細測試、分析評價岸邊導(dǎo)流底孔不同庫水位運行下的泄流能力、水力特性，給出工程建議，旨在為國外工程的導(dǎo)流建筑物設(shè)計與運行提供借鑒。

1 模型試驗的總體設(shè)計

老撾南俄4水電站的導(dǎo)流底孔位于樞紐左側(cè)坡腳，導(dǎo)流底孔為平坡，進口底板高程985.00 m，全長52.5 m；上游明渠寬8 m，導(dǎo)流底孔進口喇叭口高11.5 m，洞身段高8 m，寬5.5 m，閘門井頂部高程為1 010.00 m，底孔體形見圖1。導(dǎo)流建筑物級別為4級，導(dǎo)流底孔導(dǎo)流標準為20年重現(xiàn)期洪水，設(shè)計泄流量988 m3/s，對應(yīng)上游庫水位為1 028.35 m，運行的庫水位的變幅達43.35 m。

圖1 導(dǎo)流底孔體形(風速、壓力、流速測點布置)

在導(dǎo)流底孔洞頂(測點B1～B9)、洞底(測點C1～C4)中心軸線上布置內(nèi)徑1.5 mm的紫銅管和內(nèi)徑10 mm的測壓管，測量水流的時均壓力；脈動壓力用脈動壓力傳感器與DJ800數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量。在導(dǎo)流底孔進、出口斷面采用旋漿流速儀測量斷面底表流速(測點D1～D4)；流態(tài)用數(shù)碼攝相機照相與錄像。為了定性研究閘門井的補氣問題，用風速儀測量閘門井的中部進氣風速(測點A1)。

為系統(tǒng)分析不同庫水位下導(dǎo)流底孔的立軸旋渦、明滿流、壓力特性的變化趨勢與程度，擬定7個試驗工況；為了評價高水位進口閘門井的是否加頂蓋對泄流能力、水力特性的影響，擬定4個試驗工況，進行了相應(yīng)的對比試驗。

2 模型試驗成果分析

2.1 泄流能力

首先選擇2個特征水位分析閘門井頂部加蓋對泄流能力的影響，見表1。從表1可知，當水位分別為1 016.000 m和1 025.000 m時，閘門井頂部不加蓋的實測流量比設(shè)計值分別小1.61%和0.53%；加蓋的實測流量比設(shè)計值大12.9%和6.10%。綜上，閘門井頂部不加蓋的泄流能力不滿足設(shè)計要求，高水位運行時，導(dǎo)流底孔的閘門井頂部需加蓋封堵。

表1 閘門井是否加蓋的實測流量比較

圖2 導(dǎo)流底孔閘門頂部加蓋后水位流量關(guān)系曲線

從圖2可知，泄流量小于278 m3/s時，實測庫水位與設(shè)計庫水位幾乎一致；泄流量為278～538 m3/s時，相應(yīng)實測庫水位為995.479～1 003.030 m時，高于設(shè)計庫水位0～1.08 m；泄流量為538～988 m3/s時，實測庫水位均低于設(shè)計庫水位。雖在局部的流量區(qū)間水位未達到設(shè)計值，但導(dǎo)流底孔的泄流能力總體滿足要求，可通過施工程序的調(diào)整，達到順利泄洪的目的。

在底孔泄流區(qū)間為278～538 m3/s(對應(yīng)庫水位為995.479～1 003.030 m)，實測泄流能力未達到設(shè)計值，通過試驗觀察，該水位區(qū)間正是立軸旋渦產(chǎn)生、發(fā)展的階段。表明導(dǎo)流底孔進水口前的立軸旋渦會減小設(shè)計過流能力，減小幅度最大為10.97%，需通過試驗進一步評判立軸旋渦及其他水力參數(shù)對底孔泄洪安全的影響。

2.2 流 態(tài)

不同水位下導(dǎo)流底孔進口流態(tài)見表2。從表2可知，在閘門井頂部高程1 010.000 m以下運行時，在庫水位995.087 m以下，底孔水流均為明流，流態(tài)均很好；在庫水位在995.087～996.572 m水位區(qū)間(工況1～工況3)，水流在上游明渠總體平順，進水口為明流，有繞流現(xiàn)象，水面呈左高右低，進水口、閘門井有進氣現(xiàn)象，進口最大風速0.8 m/s，閘門井最大風速0.8 m/s，水流在壓力測點B6前半段為明流，后半段至底孔出口均為滿流；在庫水位為997.067～998.282 m時(工況4～工況6)，水流在上游明渠總體平順，導(dǎo)流底孔進口右上方產(chǎn)生間歇性吸氣旋渦(見圖3)，吸氣量較少，閘門井進氣風速較低，無明滿流交替現(xiàn)象，洞內(nèi)可看見一串小氣泡；水位為998.282～1007.000 m時(工況6～工況7)，立軸旋渦強度呈現(xiàn)先加強后逐漸消失的規(guī)律，最后水面趨于平靜。

在閘門井頂高程1 010.000 m以上運行時，若閘門井不加蓋，在庫水位1 016.000 m時，導(dǎo)流底孔進口右側(cè)有直徑大小為0.90～1.80 m的串通吸氣旋渦，洞內(nèi)為明流；在庫水位1 025.000 m時，導(dǎo)流底孔進口右側(cè)有直徑大小為2.25～2.70 m的串通吸氣旋渦，洞內(nèi)為明流。若閘門井加蓋，在庫水位1 016.000 m時，導(dǎo)流底孔進口左側(cè)有間歇吸氣旋渦，最大直徑達為1.80 m，洞內(nèi)為滿流；在庫水位1 025.000 m，導(dǎo)流底孔進口無明顯旋渦，進水口水面呈逆時針旋轉(zhuǎn)，洞內(nèi)為滿流。

2.3 立軸旋渦

水位淹沒至閘門井頂部以下時，淹沒水深較低，進口前出現(xiàn)擾流現(xiàn)象，未形成明顯立軸旋渦，旋渦半徑隨著淹沒水深的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(見圖3)，變化趨勢與王英奎、趙雪萍等在試驗中的結(jié)論一致[17-18]，且本工程的旋渦也有其特有現(xiàn)象與規(guī)律。

2.3.1 立軸旋渦位置分布

庫水位淹沒至閘門頂部以下時，立軸旋渦的分布位置隨著水位上升，不會有較大改變，多集中于進水口右上方(見圖4)。初步分析底孔右側(cè)水域開闊，進流量相對比左側(cè)大，在吸入進水口時流速逐漸增大，右側(cè)流速大于左側(cè)流速，形成速度環(huán)量，造成水面逆時針旋轉(zhuǎn)而形成立軸旋渦。

庫水位淹沒至閘門頂部以上，閘門井是否加蓋兩種情況下，立軸旋渦均重現(xiàn)，但旋渦位置不一致，閘門井不加蓋的旋渦位于進水口右側(cè)，加蓋后旋渦位于進水口左側(cè)(見圖4)。分析原因，水位淹沒至閘門井以上，閘門上部水域邊界變得更連續(xù)、寬廣，有利于旋渦的產(chǎn)生，加蓋與否旋渦的位置不同，也再次證明底孔進口易在水面開闊一側(cè)形成立軸旋渦。

圖4 不同水位下立軸旋渦上游立視位置

2.3.2 臨界淹沒水深分析

實際工程常用臨界淹沒水深Sc來推斷進水口前產(chǎn)生有害旋渦的最小水深，進水口前軸向流速和切向流速共同作用形成立軸旋渦，發(fā)生旋渦時，軸向流速主要由弗勞德數(shù)Fr決定，切向流速主要由環(huán)量數(shù)NΓ控制[19]。許多學者得到的臨界淹沒水深經(jīng)驗公式大多與弗勞德數(shù)Fr和環(huán)量數(shù)NΓ有關(guān)[20-22]。

1970年Gordon[23]根據(jù)29個常規(guī)水電站的原型觀測數(shù)據(jù)得到臨界淹沒水深的經(jīng)驗公式，目前我國的《水電站進水口設(shè)計規(guī)范》采用的就是該公式，即Sc=kVD1/2，式中，V為進口斷面流速，m/s；D為水口直徑，m；k為系數(shù)，正向進水取0.543，側(cè)向進水取0.724。

本工程進水喇叭口高11.5 m，若采用特征洪水頻率P=5.0%(導(dǎo)流底孔泄流量Q=501 m3/s)計算臨界淹沒水深，實測進口流速為5.27 m/s，用該公式按正向進水計算的臨界淹沒水深為9.71 m，對應(yīng)庫水位為1 006.210 m，模型試驗表明庫水位1 007.000 m時水面已平靜，模型試驗值與理論計算值基本吻合，表明在水力邊界未改變情況下，我國規(guī)范臨界淹沒水深的計算公式是合理的。

2.4 水面線

在庫水位995.087～995.222 m時(工況1～工況2)，導(dǎo)流底孔前半段為明流，測壓點B6之后為滿流；在庫水位996.572 m時(工況3)，在測壓點B6附近為明流，其余部位為滿流；當庫水位為1 016.000、1 025.000 m閘門井不加蓋時(工況10、工況11)，洞內(nèi)呈現(xiàn)為明流；其余工況均為滿流。

導(dǎo)流底孔不同工況水面線見圖5。從圖5可以看出，當水位即將淹沒進水口時易造成明滿流交替。當淹沒至閘門井以上時，不加蓋會產(chǎn)生高強度吸氣旋渦，吸入大量氣體，閘門井竄入的豎向水流與底孔主流垂直交匯，導(dǎo)致底孔脫流，洞內(nèi)呈現(xiàn)為明流，相比閘門井加蓋情況，洞內(nèi)過流面積最大減小7.48%，繼而影響過流能力。

圖5 導(dǎo)流底孔不同工況水面線

2.5 脈動壓力

脈動壓力是評判導(dǎo)流建筑泄洪安全的重要指標，庫水位在閘門井頂高程以下且為立軸旋渦發(fā)生的水位區(qū)間時，庫水位分別為997.067、997.922、998.282 m，進口洞頂最大脈動壓力均方根分別為44.78、46.34、56.58 kPa，脈動壓力與立軸旋渦的強度與大小呈明顯正相關(guān)，表明因旋渦吸氣，進水口附近水流紊動強度隨之加大，導(dǎo)流底孔進口處洞頂脈動壓力也相應(yīng)增大，但脈動壓力值總體不大，不會產(chǎn)生嚴重危害。

庫水位高于閘門井頂高程，頂部不加蓋導(dǎo)致脫流，洞內(nèi)為無壓流，脈動壓力相對較小。庫水位為1 016.000、1 025.000 m，閘門井不加蓋時，導(dǎo)流底孔洞頂、洞底最大脈動壓力均方根分別為0.68、2.68 kPa；閘門井加蓋后，導(dǎo)流底孔洞頂、洞底最大脈動壓力均方根分別為22.52、3.56 kPa。脈動壓力主頻均在0.45 Hz以下，屬于低頻脈動，一般不會引起流激共振。

綜合分析表明，在立軸旋渦產(chǎn)生的水位區(qū)間，底孔進口脈動壓力均方根相比無渦時會增大約2～3倍，在運行時可加強對洞口的監(jiān)測，避免洞口頂部承受過大的交替荷載而遭受破壞；底板脈動壓力均方根均未超過4 kPa，不會危及底板的泄洪安全。

3 原型運行情況

原型在137 m3/s泄流量下，實測水位庫991.804 m，來流由上游導(dǎo)流明渠均勻平順引入導(dǎo)流底孔，進水口前無繞流等不良現(xiàn)象，泄流能力滿足設(shè)計要求，與模型試驗觀測結(jié)果一致(見圖6a)。

圖6 原型及模型對比

2021年6月13日發(fā)生強降雨，洪峰流量約750 m3/s，原型上游庫水位為1 004.121 m，進水口發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生吸氣旋渦(見圖6b)，漂浮物進入底孔進口的水面。模型試驗上游庫水位為1 007.000 m時，庫區(qū)水面平靜。原型旋渦出現(xiàn)水位、位置與模型試驗結(jié)論一致，位置多集中于進水口右上方，經(jīng)過泄洪考驗后，工程運行安全。

4 結(jié) 論

基于南俄4水電站導(dǎo)流水工模型，對不同淹沒水深情況下的進水口前和有壓洞內(nèi)流態(tài)進行試驗觀測，得出以下結(jié)論：

(1)在閘門井頂部高程1 010.000 m以下水位運行時，導(dǎo)流底孔進口前旋渦位置多集中在水域開闊的進水口右上方，會減小10.97%的泄流能力，相比進水口無渦時脈動壓力均方根增大約2～3倍，洞身雖存在明滿流現(xiàn)象，但不會形成強脈動、共振等不利現(xiàn)象，不用增設(shè)消渦措施。

(2)在閘門井頂部高程1 010.000 m以上水位運行時，閘門井不加蓋情況下，在閘門井上方形成穩(wěn)定吸氣旋渦導(dǎo)致底孔脫流，流量比閘門井加蓋減少6%。閘門井加蓋后，流態(tài)更好，泄流能力滿足要求，故閘門井頂部應(yīng)加蓋。

(3)工程2個汛期運行情況良好，與模型試驗結(jié)果吻合，表明中國導(dǎo)流設(shè)計規(guī)范可滿足國外工程的需求，是中國水電走向世界重要支撐。