高水頭大流量溢洪道摻氣減蝕設(shè)施消能效果分析

高水頭大流量溢洪道摻氣減蝕設(shè)施消能效果分析

0摻氣坎消能作用研究20世紀(jì)30年代，人們意識(shí)到水流中的混合可以減少自來水表面的空蝕和破壞。然而，直到20世紀(jì)60年代，美國的大力水庫（大型水庫）在進(jìn)水口的錐形管道下游建立了一條混合管道，并將這一理解應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐。自摻氣減蝕被證明是解決空蝕破壞最有效的途徑以來,已有越來越多的工程應(yīng)用,目前摻氣減蝕槽已在泄洪洞、溢洪道、陡槽等高水頭、大單寬流量泄水建筑物中廣泛運(yùn)用,對(duì)防止高速水流引起的空蝕破壞具有顯著效果。摻氣坎不僅能有效地減緩空蝕和磨蝕的發(fā)生,而且具有一定的消能作用,近年來學(xué)者的研究多集中在摻氣坎的體形、摻氣的挾氣量、空腔長度、通氣量、保護(hù)長度及受力分析等方面[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],在對(duì)摻氣坎消能方面的論述較少,聶孟喜、肖興斌曾指出過摻氣坎的消能作用,但未見定量分析結(jié)果。本文通過摻氣減蝕試驗(yàn),對(duì)摻氣坎的消能作用作進(jìn)一步的探討,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供重要參考。1測量模型和測量條件某水電站最大壩高293m,壩頂高程2873m,正常蓄水位2865m,校核水位2870.36m。溢洪道長940m、進(jìn)口高程2844.00m、出口高程2690.00m,建筑物水頭落差高達(dá)175m,槽內(nèi)最大流速接近50m/s,屬于高水頭、大單寬流量泄洪建筑物。該溢洪道由進(jìn)口段、無壓隧洞上平段、渥奇曲線段、陡坡段(坡度i=0.3233)、出口挑流段組成。進(jìn)口段采用WES堰,出口為窄縫消能工。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檎龖B(tài)模型,比尺為1∶40,各水力要素的比尺如下:長度λL=40;流速λV=λL0.5=6.3246;流量λQ=λL2.5=10119;糙度λn=λL1/6=1.849。模型采用有機(jī)玻璃制作,糙率約為0.0079~0.0083,滿足阻力相似要求。流量采用薄壁堰測量,測量精度0.1L/s,流速采用電腦旋槳流速儀測量(西科所生產(chǎn)),測量精度1cm/s。由于水頭高、流量大,水流翻滾和紊動(dòng)劇烈,用測針對(duì)摻氣坎前后水位進(jìn)行測量不妥,故采用鋼尺測量并依據(jù)流量、流速、摻氣濃度等測量資料加以修正。試驗(yàn)中測試了4種體形在正常蓄水位(2865m)和校核水位(2870.36m)時(shí)的部分水力特性,如水深、摻氣空腔長度、摻氣坎前后流速等。2摻氣坎結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案一般認(rèn)為當(dāng)混凝土過流面上流速在20~30m/s時(shí),或當(dāng)水流空化數(shù)K<0.2時(shí),需要設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。我國的水利專家提出,當(dāng)水流空化數(shù)K<0.1~0.3時(shí)須注意空化問題。摻氣設(shè)施的應(yīng)用條件及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可歸納為:(1)摻氣設(shè)施應(yīng)設(shè)置在容易產(chǎn)生空蝕部位的上游;(2)摻氣設(shè)施在各級(jí)運(yùn)行水頭和流量下均應(yīng)保持挑坎水舌下有足夠的空腔,以保證有足夠的通氣量和摻氣濃度;(3)力求泄槽內(nèi)水流平順,避免摻氣設(shè)施對(duì)水流流態(tài)的不利影響;(4)附近的水層底面或空腔內(nèi)不出現(xiàn)較大的負(fù)壓,水舌沖擊還應(yīng)避開伸縮縫和施工縫;(5)摻氣設(shè)施的體形力求簡單,且應(yīng)保持足夠的強(qiáng)度和工作的可靠性,以便于施工,保證設(shè)施本身不受破壞。試驗(yàn)選擇了光滑溢洪道、兩級(jí)摻氣坎、三級(jí)摻氣坎、四級(jí)摻氣坎4種摻氣設(shè)施方案。摻氣坎體形參數(shù)根據(jù)以上5點(diǎn)要求優(yōu)化確定(見表1)。本文選取的坎高與時(shí)啟燧等提出的臨界坎高計(jì)算結(jié)果一致,說明摻氣坎的體形參數(shù)是合理的。3摻氣坎消能率計(jì)算為了計(jì)算各級(jí)摻氣坎的消能水頭和消能率,計(jì)算時(shí)選取挑坎起點(diǎn)斷面和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面,由能量方程計(jì)算出各斷面的總能量,即可通過式(3)計(jì)算出摻氣坎的消能率,即式中,E1、E2為選取挑坎起點(diǎn)斷面總能量和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面總能量;△E為選取的兩斷面的能量差值;△z1為選取的兩斷面的高差;ν1、ν2為斷面的流速;h1、h2為斷面水深;α為傾角;η為摻氣坎的消能效率;g為重力加速度。通過計(jì)算和試驗(yàn)可知摻氣坎的消能率與坎前斷面流速、坎高、挑角和摻氣濃度等有關(guān),4種體形的消能率計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知,同一流量下,摻氣坎越靠近上游消能率越高,即挑坎前流速越小,消能率越高;隨著單寬流量的增大,單級(jí)摻氣坎的消能水頭有所減小。在校核工況下,設(shè)置兩級(jí)摻氣坎后大約能消去4.21m水頭的能量,設(shè)置三級(jí)摻氣坎后大約能消去9.14m水頭的能量,設(shè)置四級(jí)摻氣坎后大約能消去20.99m水頭的能量,由于摻氣挑坎的消能作用,溢洪道末端的流速由55m/s降低至52m/s。在設(shè)計(jì)工況下,設(shè)置四級(jí)摻氣坎后大約能消去32.79m水頭的能量。圖1為正常水位和校核水位時(shí)消能率和坎前流速的關(guān)系,圖2為摻氣設(shè)施總消能水頭與摻氣坎級(jí)數(shù)的關(guān)系。由圖1、2可知,同一體形下?lián)綒饪蚕苈恃爻讨鸺?jí)增加,但消能水頭的增量未必增加,主要原因是每增加一級(jí)摻氣坎,各摻氣坎的位置也相應(yīng)調(diào)整,摻氣坎處的流速等水力學(xué)參數(shù)不一樣,但是隨著摻氣坎級(jí)數(shù)的增加,總的消能水頭是增加的。試驗(yàn)還表明,設(shè)置4道摻氣設(shè)施后,出口挑坎前總的消能水頭增加20m,占總水頭的13%,也使泄槽內(nèi)的水流流速由54.8m/s減小到51.1m/s,降低約7.6%,所以摻氣設(shè)施的消能作用不容忽視。4增加了水流的流速設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施,工程形式簡單,從試驗(yàn)和工程實(shí)踐效果來看,不僅提高了溢洪道上的水流的摻氣,有效減輕了空蝕破壞,而且還具有一定的消能效果。消能作用增加主要表現(xiàn)為一方面降低了挑流出口的流速系數(shù),挑距縮短,增加了泄流的沿程能量損失;另一方面水流摻氣增加了與空氣的接觸面積,加速了水氣的混合摻雜,加強(qiáng)空中擴(kuò)散消能作用;最后,摻氣槽本身也是一種人