臺(tái)階溢流壩摻氣減蝕的分析研究

臺(tái)階溢流壩摻氣減蝕的分析研究

如果樓梯內(nèi)水流的單寬排水量不超過153m，（s）m，水舌將緩慢排放，并在樓梯上形成強(qiáng)烈的漩渦，使水體急劇波動(dòng)。表面上混合了大量氣體，具有一定的消能作用。因此，下游消能工程的規(guī)模和長(zhǎng)度也減少了。20世紀(jì)80年代美國(guó)修建柳溪壩(WillowCreekDam)時(shí)推出一種碾壓混凝土新工藝(RCC),結(jié)合碾壓混凝土的施工過程,可以方便地修建臺(tái)階,臺(tái)階式溢流壩也因此產(chǎn)生。資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),早期臺(tái)階溢流壩壩高均不足100m,臺(tái)階的單寬過流量最大只有30m3/(s·m)。如果壩高上升至百米以上,單寬泄量超過100m3/(s·m),臺(tái)階壩面將出現(xiàn)空蝕破壞,如我國(guó)丹江口水庫利用施工預(yù)留臺(tái)階泄洪超過100m3/(s·m),汛后檢查發(fā)現(xiàn),臺(tái)階出現(xiàn)多處空蝕破壞。如何解決臺(tái)階溢流壩大單寬泄洪空蝕破壞問題,是一個(gè)值得探索的問題。水東、大朝山、索風(fēng)營(yíng)等國(guó)內(nèi)一批建成或相繼在建工程,采用寬尾墩+臺(tái)階壩面+消力池的泄洪消能方案成功解決了這一問題,其中水東和大朝山經(jīng)過原型驗(yàn)證,取得了許多寶貴資料。本研究在大朝山表孔臺(tái)階溢流壩減壓模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)比原型有關(guān)資料,對(duì)臺(tái)階溢流壩大單寬過流摻氣減蝕問題進(jìn)行了分析,以期為臺(tái)階溢流壩摻氣減蝕問題的解決提供參考。1沒有形成單條臺(tái)階梯式高寬度階梯結(jié)構(gòu)大朝山水電站位于瀾滄江中下游,是瀾滄江規(guī)劃開發(fā)中的梯級(jí)電站之一。工程以發(fā)電為主,電站裝機(jī)總?cè)萘繛?350MW,壩高111.0m,總庫容9.4億m3。工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、右岸地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水隧洞等組成。泄洪系統(tǒng)采用壩頂5個(gè)泄水表孔、左右岸3個(gè)排沙底孔的聯(lián)合泄洪方式。其中5個(gè)表孔均采用寬尾墩+臺(tái)階壩面+消力池的聯(lián)合消能形式,臺(tái)階溢流壩縱剖面如圖1所示。寬尾墩底部堰面上設(shè)一小挑坎,寬尾墩后接44個(gè)臺(tái)階,其中第一個(gè)臺(tái)階高度為2m,第二、三個(gè)臺(tái)階高度為1m,前3個(gè)臺(tái)階的寬度均為0.78m,第四個(gè)臺(tái)階以下共40個(gè)高寬為1.0m×0.7m的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階,最后一個(gè)臺(tái)階為1.0m×0.35m。正常蓄水位為899.0m,對(duì)應(yīng)的堰面單寬泄量為142.7m3/(s·m),校核水位為905.89m,對(duì)應(yīng)的堰面單寬泄量為237.8m3/(s·m),無論其壩高還是單寬泄量,在已建臺(tái)階溢流壩工程中均屬第一。2空化問題分析減壓模型試驗(yàn)的目的是通過摻氣濃度、空化噪聲等測(cè)試結(jié)果分析,對(duì)臺(tái)階壩面過水可能產(chǎn)生的空化問題進(jìn)行研究。取5個(gè)表孔中1孔在減壓箱中進(jìn)行試驗(yàn),模型比尺為1∶40。2.1試驗(yàn)相似真空度模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),同時(shí)必須滿足減壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型水流空化數(shù)相等的要求。根據(jù)水流空化數(shù)計(jì)算式、減壓箱內(nèi)真空度表達(dá)式及減壓試驗(yàn)相似要求,推導(dǎo)出試驗(yàn)相似真空度計(jì)算式為ηm=1-hap-hvpLr?ha-hvmha。ηm=1?hap?hvpLr?ha?hvmha。式中,ηm為相似真空度;hap為原型大氣壓強(qiáng),與當(dāng)?shù)睾０胃叨扔嘘P(guān),計(jì)算式為hap=9.8(10.33-原型高程/900)(kPa);hvp,hvm分別為原型、模型的水氣化壓強(qiáng)(kPa);ha為試驗(yàn)室大氣壓強(qiáng);Lr為模型長(zhǎng)度比尺。2.2測(cè)試分析和結(jié)果分析試驗(yàn)對(duì)臺(tái)階面摻氣濃度、空化噪聲等相關(guān)內(nèi)容分別進(jìn)行測(cè)試。2.2.1u3000近底摻氣濃度測(cè)試摻氣濃度用目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)中比較常用的848型電阻式摻氣濃度儀進(jìn)行測(cè)試,為了便于近底摻氣濃度的準(zhǔn)確測(cè)量,在不改變其測(cè)試參數(shù)的前提下,對(duì)其探頭的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝。分別在15#,20#,25#,31#臺(tái)階的孔軸線方向布置了4個(gè)摻氣濃度測(cè)點(diǎn),模型上每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試位置均在距離臺(tái)階面0.2～0.6cm處,以保證所測(cè)結(jié)果基本為近底摻氣濃度。測(cè)試是在常壓條件下進(jìn)行,表1為其中兩個(gè)工況的測(cè)試結(jié)果。由于小挑坎的作用,在臺(tái)階初始段形成7～10個(gè)臺(tái)階不觸水的空腔。寬尾墩水舌空中橫向收縮,又產(chǎn)生水舌縱向臨空面。與空氣的充分接觸使水舌的摻氣量大幅度提高。低水位小流量時(shí),最小摻氣濃度超過5%;中高水頭大泄量的摻氣濃度比較大,基本都在10%以上。校核水位時(shí),尾水位以上摻氣濃度更大,最大到30%以上。尾水位以下,受尾水影響,摻氣濃度較小,但最小也超過5.5%。完全滿足摻氣減蝕的要求。2.2.2空化測(cè)試(1)噪聲特性分析水流發(fā)生空化時(shí),空化泡的形成、發(fā)展和潰滅過程中均產(chǎn)生與一般水流流動(dòng)噪聲不同的噪聲輻射,輻射出的噪聲即空化噪聲。根據(jù)水聲學(xué)原理可知,該噪聲是一種典型的體積聲源,而且基本是單極子聲源,其聲輻射能量主要集中在空泡潰滅階段,約為空泡總勢(shì)能的30%～50%。因此,在高頻范圍內(nèi),排除背景噪聲后,對(duì)水流空化噪聲的聲強(qiáng)、頻譜等特性進(jìn)行測(cè)試分析,可判斷水流是否有空化產(chǎn)生,以及產(chǎn)生空化的強(qiáng)度。(2)系統(tǒng)工作流程噪聲測(cè)試儀器采用丹麥B&K公司生產(chǎn)的頻譜分析系統(tǒng),包括8103型水聽器、2010型外差式頻譜分析儀和2308型X-Y繪圖儀,系統(tǒng)工作流程如圖2所示。8103型水聽器將接受到的水流空化噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),輸入2010型頻譜分析儀進(jìn)行分析處理,最后通過2308型繪圖儀在確定的頻段范圍內(nèi)輸出噪聲頻譜圖。(3)譜線噪聲譜積分對(duì)噪聲頻譜圖,分別采用以下兩種方法進(jìn)行分析。方法一,通過噪聲頻譜圖的譜峰、譜差、頻域等特性,分析水流是否有空化產(chǎn)生。以往試驗(yàn)結(jié)果表明,不同過流條件下水流空化噪聲譜有如下特征:①聲壓級(jí)會(huì)突然增加,有明顯的峰值產(chǎn)生,高頻部分聲壓級(jí)上升幅值一般是10～20dB;②存在優(yōu)勢(shì)頻率,范圍較寬。方法二,空化噪聲譜是由一系列隨機(jī)脈沖產(chǎn)生的連續(xù)譜構(gòu)成的,對(duì)連續(xù)譜進(jìn)行能量積分,其高頻段聲壓能迅速增加是空化產(chǎn)生的顯著特點(diǎn)。具體方法為:根據(jù)不同真空度下的噪聲譜進(jìn)行積分計(jì)算,得到相應(yīng)噪聲強(qiáng)度I,繪制I與相對(duì)真空度η/ηm的關(guān)系曲線,其中ηm為相似真空度,η為測(cè)試真空度。依據(jù)曲線中噪聲強(qiáng)度開始大幅度上升的拐點(diǎn)處η/ηm值與1的關(guān)系,判斷原型水流是否發(fā)生空化。(4)尾水位上的噪聲為了對(duì)尾水位上、下水流都進(jìn)行空化測(cè)試,分別在1#測(cè)點(diǎn)(28～32#臺(tái)階、?832.7～827.7m)和2#測(cè)點(diǎn)(38～42#臺(tái)階、?822.7～817.7m)處安裝水聽器測(cè)試盛水盒,對(duì)應(yīng)水聽器分別為1#,2#。由于水盒盛滿水后,懸掛其中的水聽器能捕捉與水盒相接的5個(gè)臺(tái)階上出現(xiàn)的噪聲,因而保證了尾水位以上噪聲一般能被1#水聽器接收,尾水位以下噪聲一般能被2#水聽器接收。圖3是工況4兩個(gè)測(cè)點(diǎn)相似真空度頻譜聲壓級(jí)圖,圖4分別為相應(yīng)I～η/ηm關(guān)系曲線。圖3與圖4清楚地表明,1#測(cè)點(diǎn)有空化發(fā)生,而2#測(cè)點(diǎn)未發(fā)生空化。對(duì)所有測(cè)試進(jìn)行匯總,結(jié)果見表2。由表2可以看出,尾水位以下,由于尾水的水墊消能減速作用,水流一般不發(fā)生空化。尾水位及其以上,在中高水位大泄量時(shí)無空化發(fā)生,只有中低水位,流量不大時(shí),可能發(fā)生空化。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)壓強(qiáng)與流速計(jì)算可得水流空化數(shù),將空化數(shù)與噪聲分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可得到水流初生空化數(shù)約為0.291。2.2.3空化的產(chǎn)生模型摻氣濃度測(cè)試結(jié)果表明,臺(tái)階溢流壩摻氣方法設(shè)計(jì)合理,通氣順暢,臺(tái)階面水流紊動(dòng)劇烈,近底部摻氣濃度較高,不會(huì)發(fā)生空化。但空化測(cè)試的噪聲分析結(jié)果表明,一些工況有空化產(chǎn)生,即原型有可能出現(xiàn)空蝕破壞。摻氣濃度與空化測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)矛盾,臺(tái)階能否發(fā)生空蝕破壞,只能依據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。3實(shí)際運(yùn)行工況大朝山水電站自2001年底蓄水開始,表孔泄洪建筑物先后進(jìn)行過多種工況的運(yùn)行,2002-06又進(jìn)行了水力學(xué)原型觀測(cè)試驗(yàn),取得了一些有價(jià)值的資料。通過對(duì)該資料及實(shí)際運(yùn)行工況的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),與上述空化測(cè)試結(jié)果匯總表中工況1～6相近的運(yùn)行工況,在原型中均出現(xiàn)過,如表3所示。2003年汛前進(jìn)行了抽水檢查,發(fā)現(xiàn)臺(tái)階壩面未發(fā)生空蝕破壞。表4是原型觀測(cè)摻氣濃度測(cè)試結(jié)果匯總,測(cè)試工況為3#孔全開,庫水位為899.0m,即表2中的工況6。從表4可以看出,原型臺(tái)階面的摻氣濃度在30%～50%,比較大。4空化過程的結(jié)果和討論首先進(jìn)行摻氣濃度對(duì)比。表1中模型摻氣濃度約為表4原型摻氣濃度的30%。從摻氣減蝕機(jī)理分析,模型底流速大約4～5m/s,由于存在摻氣比尺效應(yīng)問題,模型摻氣濃度總比原型小,試驗(yàn)所測(cè)摻氣濃度比較合理。從數(shù)值上分析,模型摻氣濃度基本都在5%以上,完全可以滿足消除空蝕破壞的要求,即模型與原型摻氣濃度的測(cè)試均可達(dá)到減蝕的目的,也比較客觀的反映了原型與模型之間的關(guān)系。從空化角度對(duì)比分析。模型試驗(yàn)的所有結(jié)果必須反映原型的實(shí)際情況,原型是對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果的最直接、最真實(shí)驗(yàn)證。此處減壓模型試驗(yàn)雖然測(cè)試發(fā)現(xiàn)臺(tái)階面有空化發(fā)生,而原型沒有空蝕破壞出現(xiàn),即模型所測(cè)空化并未真實(shí)反映原型。為了對(duì)這一問題進(jìn)行深入探討,首先對(duì)空化發(fā)生過程中氣泡內(nèi)外壓強(qiáng)的發(fā)展進(jìn)行分析。根據(jù)熱力學(xué)定律和空泡動(dòng)力學(xué)原理可計(jì)算出空泡潰滅時(shí)釋放出的沖擊壓強(qiáng)P與初始?jí)簭?qiáng)P0的關(guān)系,如圖5所示。圖5曲線說明,當(dāng)空泡初始?jí)簭?qiáng)P0增加時(shí),空泡的潰滅沖擊壓強(qiáng)P快速下降。而提高空泡初始?jí)簭?qiáng)的方法就是向水流摻氣。水流摻氣至空泡內(nèi),使空泡初始內(nèi)壓強(qiáng)增加,延緩了局部壓強(qiáng)降低至水汽化壓強(qiáng)的過程,減小了空泡潰滅的沖擊壓強(qiáng);若摻氣至空泡外,可對(duì)空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波有減緩作用。上述作用均可減小或消除水流對(duì)固體邊壁產(chǎn)生的空蝕破壞。文獻(xiàn)總結(jié)了莫森、沃斯科維斯、拉斯馬森等通過不同試驗(yàn)方法得到的結(jié)果,與上述規(guī)律基本相同,即水流摻氣后,水的含氣量大于飽和含氣量時(shí),無論是空泡內(nèi)含氣還是空泡外含氣,水流的空蝕破壞開始減輕,摻氣到一定程度時(shí),可消除空蝕破壞。原型水流流速超過20m/s,在臺(tái)階面上紊動(dòng)度大,補(bǔ)氣暢通,促使臺(tái)階面形成強(qiáng)摻氣水流,水流摻氣濃度高,具有消除空蝕破壞的作用。而模型試驗(yàn)中,水流流速約4～5m/s,不足7m/s,摻氣能力在常壓條件下比原型小。減壓條件下,相似真空度高達(dá)95%,無法正常通入空氣,水流挾帶空氣能力減小,致使水流摻氣量難以達(dá)到大于飽和含氣量的要求,發(fā)生空化成為必然。在試驗(yàn)中,如果將模型比尺不斷放大,則試驗(yàn)相似真空度隨之下降,水流挾氣能力逐漸提高,達(dá)到某一比尺后,水流挾氣量開始大于飽和含氣量,空化也就因此而減小或消除。這就是減壓試驗(yàn)的縮尺效應(yīng)問題。本試驗(yàn)中,縮尺效應(yīng)使試驗(yàn)結(jié)果與原型出現(xiàn)了質(zhì)的差異,因此本試驗(yàn)小