（水利工程專業(yè)論文）小灣泄洪洞的摻氣減蝕研究.pdf

摘要 長期以來，空化現(xiàn)象被認(rèn)為是一不易被人解決的問題?？栈c空蝕的研究，無論從國際 或國內(nèi)動態(tài)來分析，近年來均呈現(xiàn)備受重視和日益深入的趨勢。不僅國際國內(nèi)學(xué)術(shù)交流頻繁， 更重要的是工程問題較多，研究內(nèi)容隨之不斷擴展，涉及領(lǐng)域拓寬，業(yè)已成為眾多行業(yè)共同 關(guān)注的問題之一。 國內(nèi)外的研究情況表明，對空化和空蝕機理及其影響因素的認(rèn)識和研究已取得很大進展。 應(yīng)該指出的是，由于空化和空蝕是微觀、瞬時、隨機、多相的復(fù)雜現(xiàn)象，到目前為止，有關(guān) 空化和空蝕的理論及不少研究成果還不能令人滿意，許多問題還有待進一步深入研究和探索。 工程經(jīng)驗表明，摻氣減蝕是防止泄洪洞空蝕的重要措施，根據(jù)國內(nèi)科研機構(gòu)幾座在建或 已建大型泄洪洞的試驗研究發(fā)現(xiàn)，合理摻氣設(shè)施的設(shè)置可以達到比較理想的摻氣效果。目前， 大多在建、擬建或已建的大型泄洪建筑物中，幾乎都設(shè)置了摻氣減蝕設(shè)施，但基本上都是摻 氣設(shè)施的工程實踐在先，而相應(yīng)的摻氣減蝕機理研究和模型試驗則相對滯后。故目前有關(guān)摻 氣設(shè)施的各項水力指標(biāo)的設(shè)計和計算多依賴于經(jīng)驗關(guān)系和定性的研究，理論方面的研究比較 少。 本文針對泄洪洞的空化空蝕及摻氣減蝕問題，在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合小灣水電站左 岸泄洪洞工程實例，對高水頭大泄量泄洪洞的空化空蝕問題及摻氣減蝕進行了研究，通過模 型試驗，提出了摻氣坎下局部變底坡的摻氣設(shè)施布置形式，有效消減了回溯水流的強度，避 免了摻氣坎下積水，形成了完整的底摻氣空腔。對于明流直線段而言，這種局部變底坡?lián)綒?坎的一個突出優(yōu)點是無需在摻氣坎上增設(shè)小挑坎與“u ”型或“v 槽等，可以方便工程的施 工，保證施工質(zhì)量，最大限度減少空化空蝕，提高了泄洪洞的安全度。 關(guān)鍵宇：泄洪洞空化空蝕摻氣減蝕摻氣設(shè)施 第一章緒論 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e t h ec a v i t a t i o np h e n o m e n o ni sc o n s i d e r e db e i n gap r o b l e mh a r dt ob es o l v e db y h u m a n b e i n g c a v i t a t i o na n dt h er e s e a r c ho ni t , n om a t t e rw ea n a l y s ei tf r o mi n t e m a t i o n a lo r d o m e s t i c ，i th a sb e i n gt a k e ns e r i o u s l ya t t e n t i o na n d h a sa 伊刪l yt h o r o u g ht r e n do ni t n o to n l yt h e a c a d e m i ee x c h a n g ei sm o r ea n dm o r e ，b u ta l s o 也e r ea r em a n ye n g i n e e r i n gp r o b l e mo ni t ，s t u d y c o n t e n to ft h ep r o b l e mi sb r o a d e n i n g ，e x p a n d i n g ，i th a sa l s ob e c o m i n go n eo ft h ep r o b l e mt h a tm a n y r e l a t i n gi n d u s t r yp a ya t t e n t i o nt o t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hc i r c u m s t a n c e si n d i c a t et h a t ，s t u d yo nc a v i t a t i o na n d c a v i t a t i o ne r r o s i o nm e c h a n i s ma n dt h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r sh a v eg o tag r e a tp r o g r e s sa l r e a d y b u t w em u s tp o i n to u tt h a t s i n c ec a v i t a t i o na n dt h ec a v i t a t i o ne r r o s i o ni sac o m p f i c a t e dp h e n o m e n o n s u c ha sm i c r o c o s m i c ，i n s t a n t ，r a n d o ma n dh e t e r o g e n e o u s , b yn o w , t h e o r ya n dm a n yr e s e a r c hr e s u l t a b o u tc a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o ne r r o s i o nc a nn o ta l lb ed e s i r e d ，al o to fp r o b l e mr e m a i n st of u r t h e r s t u d ya n dp r o b e di nad e e p g o i n gw a y t h ee n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ei n d i c a t e st h a t a e r a t o ri sa ni m p o r t a n tm e a s u r et op r o v e n t c a v i t a t i o ne r r o s i o nf o rf l o o ds p i l l w a yt u n e l ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha n dt e s tt a k e nb yd o m e s t i c i n s t i t u t eo ns o m ei nb u i l d i n go ra l r e a d yb u i l d i n gl a r g e s c a l ef l o o ds p i l l w a yt u n n e l ，t h er e a s o n a b l e s e t t i n go fa e r a t o rc a ng e tap e r f e c ta e r a t i o ne f f e c t a tp r e s e n t ，a e r a t i o nf a c i l i t i e sa r es e tu pt oa l m o s t a l lt h ei nb u i l d i n go ra l r e a d yb u i l d i n gl a r g e - s c a l ef l o o dd i s c h a r g i n gb u l d i n g ，h o w e v e r , b a s i c a l l yt h e p r a c t i c eo fa e r a t o ri s 嘶o r t h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ha n dm o d e lt e s t so fa e r a t i o nf a c i l i t i e sa r e r e l a t i v el a g g i n g a c c o r d i n g l y , t h ed e s i g no fh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc a l c u l a t i o no fa e r a t i o n f a c i l i t i e si sm a i n l yd e p e n d e n to ne x p e r i e n c ea n dq u a l i t a t i v er e s e a r c h ，t h er e s e a r c hi nt h e o r ya s p e c ti s c o m p a r a t i v e l yf e w b a s e do i lf o r m e rs t u d yo fo t h e r s t h i sp a p e ri sb a s i c a l l ya i ma tt h ep r o b l e mo fc a v i t a t i o na n d c a v i t a t i o ne r o s i o na n da e r a t i o nf a c i l i t i e sf o rp r o v e n t i n gc a v i t a t i o ne r o s i o n a s s o c i a t ew i 也t h e p r o j e c te x a m p l e o ft h ef l o o ds p i l l w a yt u n n e lo fx i a o w a nh y d r o p o w e rs t a t i o n ，c a r r i e do nar e s e a r c h m a i n l yt ot h ec a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o ne r r o s i o na n da e r a t i o nm i t i g a t i o na n d 也e i ra p p l i c a t i o ni nt h e f l o o ds p i l l w a yt u n n e lw i t hh i g hh e a da n dh u g ed i s c h a r g e t h es h a p eo ft h ea e r a t o rw h i c hw a sc h a n g e t h es l o p ep a r t l yu n d e rt h ea e r a t o rw a sc a r r i e do u t s u c hk i n do fa e r a t o rr e d u c e dt h ei n t e n s i t yo ft h e f l o w o fb a c k w a t e ri nt h ea i rc h a m b e r , a v o i dt h ea c c u m u l a t i o no f 也eb a c k w a t e ri nt h ea i r c h a m b e r , a n ds h a p e daw h o l ea i rc h a m b e ru n d e rt h ea e r a t o r a sf a ra st h es t r a i g h tb a r e l yf l o wp a r to f t h es p i l l w a yt u n n e li sc o n c e r n e d ，a no u t s t a n d i n ga d v a n t a g eo fp a r t l yc h a n g i n gt h es l o p eu n d e rt h e a e r a t o ri st h e r en e e d n tt os e tu pas m a l lr i d g eo r u ”t y p es l o to nt h ea e r a t o r , t h i sk i n do fd e s i g ni s c o n v e n i e n tt op r o j e c tc o n s t r u c t i o n ，e n s u r et h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y , r e d u c e dt h ec a v i t a t i o ne r o s i o n a n di n c r e a s et h es a f e t yd e g r e eo ff l o o ds p i l l w a yt u n n e l k e y w o r d s ：f l o o ds p i l l w a yt u n n e l ；c a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o ne r o s i o n ；a e r a t i o nm i t i g a t i o n ； 2 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨盜盤鱟或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：葺芝磊 簽字日期：夕船年伊腳7 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤洼盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 靴做儲虢礴齜 簽字日期z 吻多年及月7 日 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：日 第一章緒論 1 1 問題的提出 第一章緒論 近幾年來，隨著經(jīng)濟及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國已建或在建的大型水電工程項目越來 越多，高壩大壩相繼上馬，除已建成的我國目前最高2 4 0r r l 的二灘拱壩及正在建設(shè)中的小灣 拱壩( 2 9 2 m ) 外，還計劃興建一批壩高2 0 0 - 3 0 0m 、泄量2 0 0 0 0 5 0 0 0 0 m 3 s 、單寬流量2 0 0 一- 3 0 0m 3 s 級的工程。這些高壩因其水頭高、流量大、泄洪功率大、河谷狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜 等特點，天然地占據(jù)著世界超級水平的地位，泄洪消能的水力學(xué)問題中有許多是超國際水平 的難題。 表1 1 為我國幾個典型高壩主要泄洪參數(shù)對比。 表1 1 國內(nèi)幾個典型高壩泄洪參數(shù)對比表 工程名稱壩高肌落差，l泄洪流量m 3 s 泄洪功率n ( m 9 0 所在河流 三峽 1 7 59 7 51 0 1 5 0 09 6 9 8 3 3 長江 二灘2 4 01 6 6 31 6 3 0 02 6 5 0 0 雅礱江 溪洛渡 2 7 81 9 3 6 73 0 0 0 0 5 6 7 7 0金沙江 拉西瓦 2 5 02 0 9 96 0 0 01 2 3 0 0 黃河 小灣 2 9 22 3 0 42 0 7 0 04 6 0 0 0 瀾滄江 構(gòu)皮灘2 2 51 4 82 7 4 7 03 9 0 9 0 烏江 糯扎渡2 6 01 7 43 3 7 0 03 8 4 0 0瀾滄江 錦屏一級3 0 52 2 49 6 3 62 1 6 0 0 雅礱江 大型泄水建筑物工程都具有“高水頭、大泄量”的特點，泄洪消能問題顯然十分突出，泄 洪消能布置直接影響整體樞紐布置格局，成為工程設(shè)計中的控制問題。泄水建筑物一般分為 壩身孔口泄洪道( 表孔、中孔) 和岸邊溢洪道( 滑雪式溢洪道、泄洪洞) 。泄洪消能方式的選 擇與壩型、壩區(qū)地形、地質(zhì)條件等諸多因素有關(guān)，而泄洪消能方式的選擇直接決定泄洪消能 布置的合理性。 泄洪洞是高水頭水工建筑物常用的泄洪設(shè)施之一。它主要是用來減輕壩身泄洪及壩下消 能的負(fù)擔(dān)。大多數(shù)泄洪洞除承擔(dān)向下游泄洪的任務(wù)外，還有限制水庫蓄水期水位上升速度、 放空水庫等其他任務(wù)。 一般來說，泄洪洞大都采用有壓進1 2 1 ，經(jīng)過一段有壓段( 短有壓或長有壓) 后變?yōu)槊髁鳎?在明流段由于流速普遍較高，為了防止空蝕破壞，需要設(shè)置摻氣設(shè)施，因此，泄洪洞進口有 關(guān)水力學(xué)問題、洞身水流空化數(shù)及空化特性、摻氣設(shè)施的設(shè)置是否合理成為泄洪洞設(shè)計中必 第一章緒論 需重點考慮的問題。 從1 9 世紀(jì)的后期在螺旋槳的葉片上發(fā)現(xiàn)了空化現(xiàn)象以來，空化現(xiàn)象的理論及內(nèi)含已經(jīng)有 了很大發(fā)展?？栈F(xiàn)象涉及的領(lǐng)域也越來越廣，如高速螺旋槳、高速魚雷雷體、高速潛艇、 水泵、水輪機、水工泄水建筑物等。長期以來，空化現(xiàn)象被認(rèn)為是一不易被害人解決的問題。 空化與空蝕的研究，無論從國際或國內(nèi)動態(tài)來分析，近年來均呈現(xiàn)備受重視和日益深入 的趨勢。不僅國際國內(nèi)學(xué)術(shù)交流頻繁，更重要的是工程問題較多，研究內(nèi)容隨之不斷擴展， 涉及領(lǐng)域拓寬，業(yè)已成為水利、水電工程、核電工程、船舶工程、石油工程、機電工程以及 冶金工程等多方面共同關(guān)注的問題之一。 隨著壩工技術(shù)的提高和水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，我國高壩建設(shè)發(fā)展迅速，壩高不僅突破了 2 0 0 m ，而且已進入3 0 0 m 量級，高水頭、大流量泄水建筑物不斷增多，與之相關(guān)聯(lián)的脈動、 振動、空化、空蝕、沖刷、霧化等一系列高速水力學(xué)問題日益突出，受到水利工程人員的廣 泛關(guān)注。隨著泄水建筑物水頭越來越高，最大泄流速度高達4 0 r r g s ，有的甚至超過5 0 r i g s ， 水流空化數(shù)較小，致使泄水建筑物的某些過流部位常常發(fā)生嚴(yán)重的空蝕破壞【4 】，空蝕破壞的 強度大約與水流流速的5 7 次方成比例【5 】?？瘴g不僅破壞泄流建筑物的過流表面，影響泄 流能力，嚴(yán)重時可導(dǎo)致泄流建筑物不能正常運行，甚至引起振動，導(dǎo)致工程破壞等。高水頭 泄水建筑物空蝕破壞的部位常常發(fā)生在：泄洪洞的反弧段及其下游；斷面突然擴大但又通氣 不順暢的地方；邊界突體下游；局部不平整的表面，特別是連接不光滑段下游的粗糙段；消 力墩側(cè)面、背面以及附近底板；差動式挑坎的齒坎側(cè)面；高水頭底孔閘門下游附近；閘槽下 游面；高水頭底孔出流與壩面溢流的交匯處。在高水頭泄水建筑物中，特別是龍?zhí)ь^泄洪洞， 遭受嚴(yán)重的空化空蝕破壞的實例在國內(nèi)外有很多。 國內(nèi)外已建或在建工程中有較多的“龍?zhí)ь^”式泄洪洞。龍?zhí)ь^泄洪洞泄洪時通常形成 的是明流流態(tài)，其突出的特點是：高流速、大單寬流量、低f r 數(shù)和小底坡。大單寬流量、低 f r 數(shù)就意味著水深大、重力影響十分顯著，反弧末端摻氣坎后的底空腔區(qū)流線彎曲嚴(yán)重，容 易產(chǎn)生空腔回水，空腔回水的存在對摻氣設(shè)施的水力特性及摻氣特性有明顯影響。底坡小意 味著摻氣挑坎所形成的空腔末端的射流容易回流倒灌，阻塞氣流。而長明流泄洪洞常需采用 多道摻氣設(shè)施，為了保證整個洞內(nèi)良好的流態(tài)，摻氣挑坎的挑角又不宜太大。因此，在上述 水流條件下，摻氣設(shè)施體型設(shè)計有一定困難：普通摻氣設(shè)施往往難以滿足摻氣減蝕的要求， 尤其是位于反弧末端的摻氣設(shè)施，其體型設(shè)計的難度較大。因此，很有必要對龍?zhí)ь^泄洪洞 內(nèi)的摻氣設(shè)施類型作進一步的研究。在泄洪洞內(nèi)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施，其形式簡單，減蝕效果 明顯，對工程應(yīng)用具有重要實用價值。我國已建的和在建的高水頭泄水建筑物多采用了摻氣 2 第一章緒論 減蝕設(shè)施，其防蝕保護問題更為突出。由于摻氣設(shè)施的工程實踐在先，相應(yīng)的摻氣減蝕機理 研究和模型試驗則相對滯后；故目前有關(guān)摻氣設(shè)施的各項水力指標(biāo)的設(shè)計和計算多依賴于經(jīng) 驗關(guān)系和定性的研究，理論方面的研究比較少。 龍?zhí)ь^泄洪洞是由導(dǎo)流洞改建而成，它是利用導(dǎo)流洞的后半段作為泄洪洞的的水平段， 從而可以大大節(jié)約工程投資，另一方面利用龍?zhí)ь^可以抬高進水口的高程，減小了進水口工 作閘門的運行水頭，既降低了對高壓閘門的技術(shù)要求，又提高了閘門運行的安全性和靈活性。 因而在國內(nèi)外大型水利工程中應(yīng)用頗廣，如墨西哥的英菲爾尼羅壩、美國的胡佛壩、黃尾壩、 格侖峽、蘇聯(lián)的努列克以及國內(nèi)的劉家峽、碧口、馮家山、石頭河等，都是采用龍?zhí)ь^泄洪 洞或泄洪洞與溢流壩結(jié)合泄洪的典型工程。 表1 2 為國內(nèi)外幾個典型高水頭大泄量泄洪洞水力特性參數(shù)對比表。 表1 2 國內(nèi)外典型高水頭大泄量泄洪洞水力特性參數(shù)表1 1 建成 泄洪建筑物尺 總泄量單寬 反弧末端 消能運行破壞 工程名國家寸( 孔數(shù)寬布置方式最大泄洪 年份，單洞m 3流量方式年代部位 高) r n 2水頭m 1 9 4 1 年反 胡佛美國 1 9 3 62 一d 15 5 6 龍?zhí)ь^ 1 l o ( m 5 5 0 01 7 0 4 挑流 弧末端 龍?zhí)ь^ 1 9 8 3 年反 格蘭峽美國 1 9 6 6 2 一d 1 2 57 8 3 9 0 01 7 8 8 4 挑流 導(dǎo)流洞改建弧末端 1 9 6 7 年反 黃尾美國 1 9 6 8d 1 2 3 5 9 7 5 龍?zhí)ь^ 2 6 c l o 2 6 0 01 4 1 挑流 弧末端 龍?zhí)ь^1 9 7 2 年 劉家峽中國 1 9 7 4 8 1 2 9 2 1 5 0 2 1 5 02 6 8 81 1 5 挑流 導(dǎo)流洞改建反弧 1 9 8 0 年觀 馮家山中國 1 9 7 87 2 1 1 3 龍?zhí)ь^ 1 1 4 0 1 1 4 01 5 8 挑流 測無空蝕 左母l o 4 42 1 6 0 2 1 6 0 2 4 0 1 9 8 2 年后 烏江渡中國 1 9 8 3 龍?zhí)ь^ 7 7 2 挑流 右9 1 0 4 42 1 6 0 2 1 6 02 4 0 多次觀測 l 洞一1 3x1 3 5 3 8 0 0 3 8 0 02 9 2 21 0 6l o 洞2 0 0 1 二灘中國 1 9 9 9 龍?zhí)ь^挑流 2 4 洞一1 3 1 3 5 3 8 0 0 3 8 0 02 9 2 28 0 年反弧末 小灣中國 2 0 1 2d 1 4 1 4 1 4 5 龍落尾 3 8 1 1 3 8 1 l2 7 2 28 0 5 3 3 挑流在建 錦屏l 級中國 2 0 1 3d l4 1 4 1 2 龍落尾 3 7 8 0 ，3 7 8 02 7 01 9 5 2 挑流在建 溪洛渡中國 2 0 1 7 4 一d 1 7 龍落尾16 5 0 8 4 1 2 72 9 4 51 6 5 挑流在建 工程中將導(dǎo)流洞改建為泄洪洞多采用龍?zhí)ь^與原導(dǎo)流洞相連結(jié)，過高的流速是工程問題 發(fā)生的主要原因之一，隨著壩高的增加，泄水建筑物的流速進一步增加，對高水頭、大流量 龍?zhí)ь^式泄洪洞易在反弧末端及其下游發(fā)生空蝕破壞f 4 】，如：美國的格侖峽( g l e nc a n y o n ) 、 胡佛( h o o v e r ，壩高2 2 0 m ) 等工程的導(dǎo)流洞改建為泄洪洞后，在反弧末端發(fā)生過空蝕破壞，國 內(nèi)的劉家峽導(dǎo)流洞改建為泄洪洞后，也在反弧末端發(fā)生空蝕破壞。由于體型不合理，致使某 第一章緒論 些局部區(qū)域的壓強較低，在大流量時，水流流速較大，也會發(fā)生空蝕破壞，如巴拿馬麥登壩 在水頭為3 3 5 m 和流速為2 2 6 m s 作用下，壩的底孔發(fā)生了空蝕破壞，從而引起施工、設(shè)計、 科研、運行管理等各方面對體型問題的普遍重視。 為了減輕或避免空蝕破壞，過去已做了很多的工作：如改善施工工藝，提高過流面的平 整度；采用抗空蝕性能較好的材料提高建筑物的抗蝕性能等等。所有這些措施，對減免過流 建筑物的空蝕破壞都起到了積極的作用。對于高水頭泄水建筑物僅靠上述的措施，在工程實 際中，往往很難達到標(biāo)準(zhǔn)。前人的研究成果表明，采用適當(dāng)?shù)膿綒獯胧┦菧p免高速水流出現(xiàn) 空化與空蝕破壞最有效的技術(shù)措施1 6 - - 7 ，提出了給水流底部摻氣的辦法來減免空蝕破壞，設(shè) 置通氣槽進行摻氣減蝕以及研究選擇合理的溢流面體型。水流摻氣后，可使空蝕破壞顯著降 低，當(dāng)?shù)撞康膿綒鉂舛冗_到或大于某一數(shù)值后，空蝕破壞可以完全避免。美國的大古力壩泄 水孔設(shè)置摻氣槽首次取得成功后【8 】，摻氣減蝕措施開始得到了水利工程界的普遍認(rèn)可。 總結(jié)目前泄水建筑物運行的成功經(jīng)驗，目前的水工設(shè)計規(guī)范s l 2 5 3 2 0 0 0 規(guī)定【9 1 ，當(dāng)過流 表面的流速超過3 5 m s 時，應(yīng)設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。p e t e r k a 1 0 l 等的實驗研究表明，當(dāng)水中的摻 氣濃度為1 2 時，能大大減輕固體邊壁的空蝕破壞，當(dāng)摻氣濃度為5 - 7 時，空蝕破壞完全 消失，還有一些研究表吲1 1 h 1 2 】，當(dāng)水中近壁處的摻氣濃度為1 2 2 5 時，混凝土的空蝕破 壞顯著減少，當(dāng)水中近壁處的摻氣濃度達7 8 時，空蝕破壞基本消失。 國內(nèi)外的研究情況表明，對空化和空蝕機理及其影響因素的認(rèn)識和研究己取得很大進展。 應(yīng)該指出的是，由于空化和空蝕是微觀、瞬時、隨機、多相的復(fù)雜現(xiàn)象，到目前為止，有關(guān)空 化和空蝕的理論及不少研究成果還不能令人滿意，許多問題還有待進一步深入研究和探索。 在高速水流減蝕技術(shù)研究方面，現(xiàn)有的減蝕手段大致可歸納為優(yōu)化過流體型、控制過流 表面不平整度、采用抗空蝕材料和摻氣減蝕等。泄水建筑物過流流速小于3 0 m s 時，通過嚴(yán) 格控制表面不平整度和使用抗空蝕材料可以有效防止空蝕破壞，而當(dāng)流速超過4 0 m s 時，即 使表面很平整仍可發(fā)生空蝕破壞。所以，結(jié)構(gòu)形式簡單、成本低、減蝕效果好的挑跌坎式摻 氣減蝕方法自上世紀(jì)7 0 年代起得到廣泛的應(yīng)用，成為高壩工程中減免空蝕破壞的主要措施。 國內(nèi)外許多學(xué)者在摻氣減蝕設(shè)施的摻氣特性方面做了大量研究，主要集中在：摻氣減蝕機理 和臨界含氣濃度；射流摻氣機理、摻氣設(shè)施體型、空腔長度、空腔內(nèi)負(fù)壓和通氣系統(tǒng)特性； 摻氣減蝕保護范圍；以及摻氣水流的模型相似性問題等。但是，在已有成果中，缺乏對摻氣 減蝕設(shè)施的防回水問題、清水三角區(qū)問題、側(cè)墻摻氣問題以及反弧段的摻氣水流問題等的研 究，而這些問題都是工程實踐中暴露和發(fā)現(xiàn)的核心問題，對工程安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，有的 直接導(dǎo)致了泄水建筑物的嚴(yán)重破壞，這方面國內(nèi)外均有不少工程實例?？梢?，目前水力學(xué)界 4 第一章緒論 對摻氣減蝕的基礎(chǔ)研究急待深入，對于新的摻氣減蝕技術(shù)，也急待不斷加以開發(fā)和創(chuàng)新。 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室和中國水利水電科學(xué)研究院曾 結(jié)合二灘泄洪洞進行了新型摻氣減蝕技術(shù)研究，先后提出了u 型摻氣坎、v 型摻氣坎、梯形 凸形摻氣坎、三角形凸形摻氣坎以及側(cè)墻摻氣坎等新型摻氣型式。但由于是針對工程個案的 研究，加之研究時間倉促，研究的深入性和系統(tǒng)性還難以滿足其它工程的需求，開展進一步 的基礎(chǔ)研究十分迫切。最近又有學(xué)者提出動力強迫摻氣方式，其可行性也有待進一步研究。 1 2 國內(nèi)外泄水建筑物破壞實例 1 2 1 前蘇聯(lián)布拉茨克水電站溢流面空蝕破壞 該電站溢流面施工結(jié)束拆除模板時，溢流面上留有突體、未填滿的施工縫及其它不平整 體。溢流面經(jīng)連續(xù)過水1 1 晝夜后，在溢流面上形成了深1 2 m ，體積約1 2 m 3 的沖蝕坑，在其 它溢流面上，沖蝕坑深度平均約為0 2 - - , 0 4 m 。主要部位在溢流壩面的較低部位、有棱角的高 突體之后。局部的不平整和混凝土表埋件的存在是形成破壞的原因。觀察表明，空蝕破壞過 程存在著蜂窩“鏈 ，這種鏈由分布在一條順?biāo)骶€上的一系列窩組成，蜂窩的深度和寬度順 流逐漸增大，鏈的長度有時可達數(shù)米。這種鏈的形成過程是：當(dāng)混凝土表面局部不平整引起 的原始空蝕破壞發(fā)展到一定階段時，這個空蝕坑本身即成為誘導(dǎo)下一個空蝕坑產(chǎn)生的根源， 在前一個空蝕坑逐漸形成了次一個空蝕坑，一系列的空蝕坑形成鏈狀。 1 2 2 前蘇聯(lián)的布赫塔而明電站泄水底孔空蝕破壞 電站設(shè)有3 個臨時泄水底孔，壓力段的斷面尺寸為4 o m 5 0 m ，在5 4 m 水頭下運行7 8 到 2 5 0 晝夜后檢查發(fā)現(xiàn)，各閘室的埋件及混凝土均受到空蝕破壞，形成深0 4 m - - - 1 2 m 的深坑。 在泄洪洞的水力學(xué)問題中首要解決的是泄洪洞的明滿流交替和空化空蝕問題。本文將針對這 兩個基本問題對泄洪洞水面曲線的計算和泄洪洞的空化空蝕的基本理論做一個簡要的介紹。 1 2 3 美國的胡佛重力拱壩泄洪洞空蝕破壞 胡佛壩高2 2 1 m ，1 9 3 6 年建成該壩左、右岸各設(shè)有一條泄洪隧洞，直徑1 5 2 m ，混凝土襯 砌。西岸泄洪隧洞直徑為1 5 2 m ，1 9 4 1 年8 月6 日開始投入運行，低于設(shè)計流量運行4 個多 月，于1 2 月1 2 日進行洞內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)彎段處洞底己被破壞，該處混凝土厚度為7 5 m ，并有 7 年多齡期的后期強度，但空蝕破壞仍很嚴(yán)重，不僅擊穿了混凝土，并在巖基上形成一個深 1 3 7 m 、長3 5 m 、寬9 , 5 m 的大坑，從坑中沖走混凝土和巖石4 5 0 0 m 3 。 1 2 4 豐滿水電站發(fā)生溢流面空蝕破壞 豐滿水電站溢流面全長1 9 4 m ，有1 1 個溢流孔，孔口尺寸為高寬= 6 m 1 2 m ，閘墩厚 第一章緒論 6 m 。豐滿電站溢流壩于1 9 4 4 年開始運行至1 9 5 0 年未安裝閘門前均為自由溢流，長達6 年之 久。因混凝土強度低、施工質(zhì)量差及表面不平整等原因，壩面及護坦連續(xù)遭受嚴(yán)重沖蝕破壞。 反弧起點上游，最深為0 6 - - - 2 o m 。反弧末端破壞最嚴(yán)重，深達3 - - 4 m ，護坦最大沖蝕深度達 4 5 m ，深入至巖基，影響了正常運行。 1 9 5 1 年至1 9 5 3 年對溢流面進行改建，保留原壩項，壩面加厚3 0 e m ，溢流面使用加氣劑 混凝土并用真空作業(yè)，2 8 強度達2 2 m p a 以上。改建后，混凝土強度雖然較高，但壩面平整度 較差，溢流后，壩面仍然發(fā)生空蝕。 1 9 7 4 年以前共溢流8 次，以1 9 5 3 、1 9 5 4 兩年連續(xù)過流時間最長，分別為8 3 天和6 9 天， 破壞面積l m 2 以上者，水上部分1 9 5 3 年為2 3 處，蝕深0 1 , , - 0 5 m ，1 9 5 4 年增至2 8 處，蝕深 無大變化，面積有所擴展。水下部分，有7 處破壞面積較大，最大蝕深0 8 1 2 m 。兩年總的 破壞面積達到1 8 1 m 2 。 1 9 5 4 年汛后，對溢流面進行了修補，1 9 5 6 年最大過流量3 6 9 0 m 3 s ，總的破壞面積1 6 1 m 2 ， 壩段反弧段有兩處最大破壞區(qū)分別為1 4 5 m 2 和2 5 m 2 ，最大蝕深0 1 o 4 m ，大部分破壞區(qū)為 1 9 5 4 年修補過的部位，少數(shù)為新發(fā)展的。 1 9 5 7 年汛前對1 9 5 6 年破壞處進行了修補，1 9 5 7 、1 9 6 0 兩年連續(xù)過流，最大泄流量分別 為5 1 4 0 m 3 s 和2 2 8 0 m 3 s ，溢流時間較短( 分別為1 5 天和1 9 天) ，局部地區(qū)由于單寬流量較 大而空蝕嚴(yán)重，總的破壞面積為1 2 2 m 2 。1 4 # 壩段反弧末端附近最大破壞面積為3 5 m 2 ，蝕深 0 1 0 5 m 。 1 9 6 1 年汛前曾對上述破壞部位進行修補，1 9 6 3 、1 9 6 4 、1 9 7 1 年又經(jīng)3 次溢流，1 9 6 4 年最 大泄流量為4 0 3 7 m 3 s ，最大破壞區(qū)在1 6 壩段2 1 8 m 高程，發(fā)現(xiàn)是三角開突體造成的。最大破 壞面積1 9 2 m 2 ，蝕深0 4 m - - - o 6 5 m ，并露出鋼筋數(shù)十條。 經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)溢流面上的空蝕破壞主要是表面不平整突體造成的。 1 2 5 劉家峽水電站泄洪洞明流反弧段空蝕破壞 劉家峽水電站泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成，1 9 6 8 年1 0 月，右岸導(dǎo)流洞封堵完成泄洪洞進口 的施工，當(dāng)溢流面及斜井開挖后還未全部襯砌時，因下游用水需要，于1 9 6 9 年3 月1 2 日開 閘。從未全部襯砌的泄洪洞過水，歷時1 7 2 小時，上游水位為1 6 9 5 6 m ，泄流量為9 8 0 - - - 1 0 0 0 m 3 s ， 到反弧末端的水頭約8 0 m ，流速3 6 m s ，結(jié)果在斜井下游，樁號o + 1 4 0 o + 1 8 0 m ，沖成寬1 0 余米，深6 - - 8 m 的大坑，整個導(dǎo)流洞底板表面遭受磨損破壞。修補時在原導(dǎo)流洞底板新加3 0 c m 厚鋼筋混凝土底板，1 9 7 0 年底，泄洪洞的混凝土澆筑竣工后，由于環(huán)氧毒性較大，洞內(nèi)潮濕， 故只做了部分環(huán)氧砂漿護面。又因洞里積水，施工錯臺及堆渣并未全部處理和清除。 6 第一章緒論 1 9 7 1 年9 月，進行一次2 個多小時的行水試驗，當(dāng)時庫水位為1 7 2 9 2 m ，閘門開度從1 m 9 5 m ，最大泄量為2 0 3 0 m 3 s 。當(dāng)時停水后因洞內(nèi)水深，未查明空蝕狀況。1 9 7 2 年5 月9 日1 2 時起正式泄水，至2 5 日1 4 ：3 0 關(guān)閘，共泄水3 1 4 5 小時，最高庫水位為1 7 2 0 6 5 m ，閘門開度 約在3 5 m ，泄流量5 8 0 - - - 6 0 0 m 3 s ，庫水位至反弧末端落差1 0 4 5 m ，流速約3 8 5 m s ，泄流時 發(fā)現(xiàn)出口水躍回縮，進水塔補氣不足，啟閉機室抽水猛增猶如狂風(fēng)，風(fēng)速達2 4 m s ，洞內(nèi)轟鳴， 猶如雷響，振動之猛，在地下廠房中都能聽見猶如放炮的爆炸聲，停水后發(fā)現(xiàn)由于空蝕破壞， 加上高速水流的沖刷，使反弧末端造成破壞，坑深達4 8 m ，寬達整個底板，下游約2 0 0 m 長 新加3 0 c r n 厚的混凝土板大部分被掀起沖走，基巖也被沖蝕。 泄洪洞的破壞是由空蝕引起的，但發(fā)展到如此嚴(yán)重的程度，則是空蝕、動水壓力和水流 沖蝕的綜合結(jié)果。 1 2 6 二灘水電站空蝕破壞 二灘水電站設(shè)兩條泄洪洞，其中1 4 泄洪洞于1 9 9 8 年投入運用，至2 0 0 0 年共安全運行2 6 31 小時。2 0 0 1 年1 撐泄洪洞在高水位下連續(xù)運行了6 2 天，汛后檢查發(fā)現(xiàn)，自龍?zhí)ь^反弧段末端 摻氣坎以下遭受嚴(yán)重?fù)p壞。2 0 0 2 年- 2 0 0 3 年，二灘公司根據(jù)設(shè)計院的修復(fù)方案進行了全面修 復(fù)工作。根據(jù)2 0 0 3 年修復(fù)后的水力學(xué)原型觀測及檢查發(fā)現(xiàn)，反弧末端摻氣坎下游兩側(cè)邊墻仍 均存在局部空蝕現(xiàn)象。而2 徉泄洪洞運行至今，情況尚比較正常。 1 3 本文主要的研究內(nèi)容 本文針對泄洪洞的一系列問題，在分析了前人對摻氣水流研究的基礎(chǔ)上，從試驗和理論 上進行進一步的探討和研究。對高水頭、大泄量式泄洪洞反弧末端摻氣坎的水力特性進行較 為全面的試驗研究，從改善體型及工程實際角度出發(fā)，研究摻氣坎坎高、空腔長度、通氣量、 摻氣濃度等之間的關(guān)系，從而探求適合高水頭、大泄量式泄洪洞反弧末端摻氣坎的體型；同 時對其水力特性進行研究，揭示空腔摻氣的機理。 主要的研究工作如下： 1 ) 總結(jié)前人對摻氣坎體型的研究成果和研究方法，提出對摻氣坎的體型和摻氣坎后空腔 形態(tài)研究中，存在的問題和有待發(fā)展的研究方向。 2 ) 對高水頭、大泄量式泄洪洞反弧末端摻氣坎后水流的水力特性，進行較為全面的試驗 研究，從而探求適合高水頭、大泄量式明流泄洪洞反弧末端摻氣坎的體型。 3 ) 對試驗得出的新型摻氣坎體型的一些主要水流特性，進行了研究和探討。 4 ) 針對小灣水電站龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段后的水流特性，與模型試驗結(jié)合，對小灣水電站 7 第一章緒論 左岸泄洪洞的摻氣設(shè)施進行了研究，經(jīng)三個方案的對比，提出了適合于小灣泄洪洞的摻氣設(shè) 施。 第二章泄洪洞空化空蝕研究 2 1 泄洪洞空化問題 第二章泄洪洞空化空蝕研究 對于泄洪洞明流段，如果泄洪洞內(nèi)水流流速高，設(shè)計不太合理，將可能引起空化空蝕。 特別是龍?zhí)ь^泄洪洞的反弧段附近和下平段很可能出現(xiàn)空蝕破壞。這一問題已成為當(dāng)前研究 的重點，“七五”、“八五”攻關(guān)課題中都列有該問題的研究?？栈漠a(chǎn)生是由于水的絕對壓力 降至水的汽化壓力所致，當(dāng)空化水流通過高壓區(qū)時，空泡瞬時破滅而面對過流面造成的破壞 稱為空蝕破壞，空蝕將嚴(yán)重影響工程的安全運行。 體現(xiàn)當(dāng)代較高水平的二灘1 群泄洪洞在采用了摻氣減蝕設(shè)施后，其反弧段下游仍出現(xiàn)了嚴(yán) 重的空蝕破壞，這不得不引起我們的高度警惕，反弧段下游為什么會出現(xiàn)空蝕破壞，這不僅 是二灘1 群泄洪洞面臨的問題，也是我國在建或擬建的其他大型泄洪洞( 如瀑布溝泄洪洞、紫 坪鋪泄洪洞、小灣泄洪洞、糯扎渡泄洪洞等) 迫切需要回答的問題。 空蝕現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1 8 9 1 年【1 1 ，當(dāng)時英國驅(qū)逐艦“達令號”在作高速試航時，發(fā)現(xiàn)其螺旋 槳推進器葉片有異?，F(xiàn)象，經(jīng)檢查葉片被剝蝕，以后又發(fā)現(xiàn)水力機械( 水泵、水輪機) 的葉 片上也有類似于螺旋槳上的剝蝕現(xiàn)象。自1 9 3 5 年巴拿馬麥登壩輸水道進口發(fā)生嚴(yán)重空蝕以后， 這一問題引起了水工建筑物行業(yè)的注意?？瘴g的發(fā)生，直接影響建筑物的壽命，甚至造成整 個建筑物的失事，隨著水工建筑物空蝕破壞的不斷發(fā)生，空蝕問題已成為水利水電工作者十 分關(guān)心和重視的問題。 空化現(xiàn)象是水流在常溫下，當(dāng)局部壓強降低到臨界數(shù)值以下，水的內(nèi)部劇烈地產(chǎn)生空泡 的現(xiàn)象。美國的k n a p p 等人【2 】，將空化按物理學(xué)的性質(zhì)及其和邊壁的相對運動狀態(tài)分為游移 空化、固定空化、旋渦空化和振動空化?？栈F(xiàn)象所造成的影響主要是： 造成建筑物的空蝕破壞；改變水動力學(xué)特性，降低泄水能力；引起結(jié)構(gòu)j p ，一7 “、 物振動；產(chǎn)生噪音。， 以球形氣核為例來闡述水流空化的機理，當(dāng)其周圍的液體壓強為 ，蠢：1 i 硪、j r 時，該氣核的平衡半徑為r 。，核的內(nèi)部是未溶解氣體和蒸汽，相應(yīng) 、， 、 。 i 一“r ，_ _ _ - _ 卅r 。 的分壓強分別是乓和p v ，液體表面張力系數(shù)s ，如把球形氣核切成兩半， v 如上圖所示： 則在靜平衡時有： ( 以+ 只) 萬r 2 = 風(fēng)石民2 + 2 n r o s ( 2 2 2 ) 第二章泄洪洞空化空蝕研究 或 以+ 風(fēng)2 兒+ 蕁，r2 麗2 s 協(xié)2 2 ， 若這個氣核和液體一起運動，當(dāng)液流系統(tǒng)中氣核所在處的壓強小于只時，核半徑增加， 氣核生長，這時核內(nèi)的氣體壓強圪按照氣體狀態(tài)方程也相應(yīng)的變小。當(dāng)流體壓強低于只時， 核表面的液體蒸發(fā)，進入核內(nèi)的蒸汽一般足以保持核內(nèi)的蒸汽壓強恒等于只，這樣核內(nèi)的總 壓強始終高于p ，。氣核的生長過程一開始是非爆發(fā)性的，但當(dāng)液體壓強p 比核內(nèi)總壓強 ( + 只) 小到一定程度時，氣核的生長速度突然加快，這就是所謂的“爆發(fā)性”生長，或叫做氣 核的慣性失穩(wěn)，而相應(yīng)的氣核也就轉(zhuǎn)化成空化泡。若在流場的某一位置，每秒鐘有一定數(shù)量 的氣核發(fā)展成空泡。則就認(rèn)為該系統(tǒng)出現(xiàn)了空化現(xiàn)象。當(dāng)空泡再隨液流進入高壓區(qū)( p 一只 0 的區(qū)域) 時，空泡就會收縮，稱為潰滅”，并伴有發(fā)聲或發(fā)光的現(xiàn)象7 1 。 水流空化數(shù)a 是衡量實際水流發(fā)生空化可能性大小的指標(biāo)，其表達式為： o ：掣( 2 - 2 3 ) y v 2 1 2 9 或 。= 等( 爭一舟擎( 日+ 只刮 ( 2 式中：p o 為水流未受到邊界局部變化擾動處的絕對壓強，k p a ； a 為汽化壓強； y 為水的容重，k n i m 3 ； v 為水流未受到邊界局部變化擾動處的流速，州s ； g 為重力加速度，m s 2 ； h 為參考點的壓力水柱； 也為大氣壓力水柱； ，為水的汽化壓力水柱，隨溫度的變化而變化。 當(dāng)過流邊壁幾何形狀一定，水流空化數(shù)小到某一臨界值時，邊壁某處出現(xiàn)空化，這時的 水流空化數(shù)稱為該體形的初生空化數(shù)6 ，。在一般的情況下：當(dāng)o q ，不會發(fā)生空化水流，當(dāng) 然不會發(fā)生空蝕；當(dāng)o r o - i 時，不發(fā)生空化；當(dāng)仃仉時，有空化發(fā)生。初生空化數(shù)主要是 通過試驗來確定，但液體的流速、粘性、表面張力、氣核含量及分布、溶解氣體含量、繞流 體的形狀及尺寸、表面粗糙等的差異，都會影響試驗所得初生空化數(shù)的大小，這些差異統(tǒng)稱 為比尺效應(yīng)。國內(nèi)外許多學(xué)者都對空化比尺效應(yīng)進行過研列3 0 3 5 1 ，就研究方法而言，用紊流 數(shù)學(xué)模型直接計算原型流場入手，與空泡動力學(xué)理論相結(jié)合，以求得繞流體的初生空化數(shù)的 研究思路，可避開空化試驗中的比尺效應(yīng)和模型引申問題，無疑這是一條較有前途的研究途 徑。 2 4 空蝕機理 關(guān)于空蝕機理，從1 9 1 7 年r e y l e i g h 在“論液體中球體空泡潰滅時產(chǎn)生的壓強”一文開始， 逐步形成了壓力波模式，得出了在空泡潰滅時，從潰滅中心輻射出來的壓力波具有很高的壓 力。有的作者推測可能傳到固壁上的壓力可達7 0 0 0 個大氣壓左右【2 6 1 。1 9 4 4 年，由于在一些 不具備沖擊波的情況下，發(fā)現(xiàn)了空蝕現(xiàn)象，k o m f e l d 等f 3 6 】提出了微射流沖擊造成空蝕的設(shè)想； 1 9 5 1 年r a t r a y t ”】從理論上證實了射流形成的可能性；1 9 7 2 年k l i n g 、h a m m i t t 、l a u t e r b o m 等 t 3 s , 3 9 1 分別用高速攝影證實了近壁處空泡潰滅時確實存在著沖擊壁面的微射流。1 9 8 4 年， s h i m a 等【加】通過激光和高速攝影聯(lián)合運用發(fā)現(xiàn)，沖擊波和微射流兩種破壞機理均存在，其主 次程度視空泡潰滅過程與固壁的相對距離而定。 空蝕是空化破壞能力和邊壁材料抗空蝕強度的綜合結(jié)果。如果單個空泡潰滅時產(chǎn)生的沖 擊力超過材料的屈服強度，那么空泡潰滅的一次沖擊就可能造成一個永久的凹坑；如果沖擊 力小于材料的屈服強度，那么若干空泡潰滅的反復(fù)沖擊會使材料疲勞破壞。大量空泡潰滅的 長時間作用，就可能造成凹坑的重疊，進而使材料的微小質(zhì)點一顆一顆地脫離表面，如此反 復(fù)作用就造成固壁表面的麻面、孔洞，最終造成建筑物的破壞。 固體壁面產(chǎn)生空蝕破壞的機理除了上述“機械作用理論”外，1 9 6 5 年e l l i s 4 l 】提出過“化學(xué) 腐蝕理論”，1 9 4 9 年p e t r a c c h i 4 2 1 提出過電化學(xué)理論”，還有人【4 3 】提出過熱作用理論”。機械 作用理論”和其他理論相比，有一定的理論和試驗基礎(chǔ)，是目前較為公認(rèn)的，但其本身也還有 很多不足之處，尚需繼續(xù)研究。 2 5 減免空蝕的措施 減免高速水流引起的空蝕破壞的措施，國內(nèi)的研究成果都很多，主要措施可粗略地歸納 第二章泄洪洞空化空蝕研究 為以下幾類m ： ( 1 ) 優(yōu)化過流邊界體型，控制過流表面