高水頭大流量溢洪道摻氣減蝕設施消能效果分析

高水頭大流量溢洪道摻氣減蝕設施消能效果分析

0摻氣坎消能作用研究20世紀30年代，人們意識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60年代，美國的大力水庫（大型水庫）在進水口的錐形管道下游建立了一條混合管道，并將這一理解應用于設計實踐。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用,對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、保護長度及受力分析等方面[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],在對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,對摻氣坎的消能作用作進一步的探討,為實際工程設計提供重要參考。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、進口高程2844.00m、出口高程2690.00m,建筑物水頭落差高達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。進口段采用WES堰,出口為窄縫消能工。試驗模型為正態(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,水流翻滾和紊動劇烈,用測針對摻氣坎前后水位進行測量不妥,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。試驗中測試了4種體形在正常蓄水位(2865m)和校核水位(2870.36m)時的部分水力特性,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)化方案一般認為當混凝土過流面上流速在20~30m/s時,或當水流空化數(shù)K<0.2時,需要設置摻氣減蝕設施。我國的水利專家提出,當水流空化數(shù)K<0.1~0.3時須注意空化問題。摻氣設施的應用條件及設計準則可歸納為:(1)摻氣設施應設置在容易產(chǎn)生空蝕部位的上游;(2)摻氣設施在各級運行水頭和流量下均應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,避免摻氣設施對水流流態(tài)的不利影響;(4)附近的水層底面或空腔內(nèi)不出現(xiàn)較大的負壓,水舌沖擊還應避開伸縮縫和施工縫;(5)摻氣設施的體形力求簡單,且應保持足夠的強度和工作的可靠性,以便于施工,保證設施本身不受破壞。試驗選擇了光滑溢洪道、兩級摻氣坎、三級摻氣坎、四級摻氣坎4種摻氣設施方案。摻氣坎體形參數(shù)根據(jù)以上5點要求優(yōu)化確定(見表1)。本文選取的坎高與時啟燧等提出的臨界坎高計算結(jié)果一致,說明摻氣坎的體形參數(shù)是合理的。3摻氣坎消能率計算為了計算各級摻氣坎的消能水頭和消能率,計算時選取挑坎起點斷面和摻氣空腔下游2倍水深長度后的斷面,由能量方程計算出各斷面的總能量,即可通過式(3)計算出摻氣坎的消能率,即式中,E1、E2為選取挑坎起點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。通過計算和試驗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,4種體形的消能率計算結(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,單級摻氣坎的消能水頭有所減小。在校核工況下,設置兩級摻氣坎后大約能消去4.21m水頭的能量,設置三級摻氣坎后大約能消去9.14m水頭的能量,設置四級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。在設計工況下,設置四級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消能率和坎前流速的關系,圖2為摻氣設施總消能水頭與摻氣坎級數(shù)的關系。由圖1、2可知,同一體形下?lián)綒饪蚕苈恃爻讨鸺壴黾?但消能水頭的增量未必增加,主要原因是每增加一級摻氣坎,各摻氣坎的位置也相應調(diào)整,摻氣坎處的流速等水力學參數(shù)不一樣,但是隨著摻氣坎級數(shù)的增加,總的消能水頭是增加的。試驗還表明,設置4道摻氣設施后,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%,所以摻氣設施的消能作用不容忽視。4增加了水流的流速設置摻氣減蝕設施,工程形式簡單,從試驗和工程實踐效果來看,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,加強空中擴散消能作用;最后,摻氣槽本身也是一種人