小底坡泄洪洞的摻氣減蝕

小底坡泄洪洞的摻氣減蝕

1小底坡泄洪洞摻氣設(shè)施研究通過50多年的研究和工程實(shí)踐，混合動力侵蝕技術(shù)在防洪通道等輸水設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)泄洪洞底坡大小的不同,摻氣設(shè)施的研究大致可以分為大底坡?lián)綒庠O(shè)施和小底坡?lián)綒庠O(shè)施兩類。對于大底坡泄洪洞上摻氣設(shè)施的設(shè)計(jì),已經(jīng)取得了較多經(jīng)驗(yàn)。但對于一些“龍?zhí)ь^”泄洪洞,其反弧段下游底坡往往很小,如二灘水電站兩條泄洪洞底坡分別7%和7.9%;還有一些深式泄水道,尤其是底孔,進(jìn)口高程低,布置受限制,常采用緩坡甚至平坡,如龍羊峽水電站泄水底孔明流段底坡i=3%,龍灘水電站底孔底坡i=0。研究表明,小坡度泄洪洞上的摻氣設(shè)施,往往存在“空腔回水”問題,影響摻氣設(shè)施的摻氣效果,甚至有可能淹沒空腔,使摻氣設(shè)施失效反而成為空化源。因此,避免空腔回水是小底坡泄洪洞摻氣設(shè)施設(shè)計(jì)面臨的重要難題。小底坡泄水建筑物的摻氣設(shè)施,已有不少的研究,但仍然存在一些問題。Chanson認(rèn)為:根據(jù)結(jié)構(gòu)型式的不同,當(dāng)Fr低于某個臨界值或者水深與跌坎高度的比值大于某個特征值時,摻氣空腔將被淹沒;劉俊柏結(jié)合龍羊峽底孔泄洪洞小底坡明流段的摻氣減蝕研究,提出了八字型挑坎加排水設(shè)施和門槽式突擴(kuò)挑坎加排水設(shè)施兩種的方案;龐昌俊等針對“龍?zhí)ь^”明流泄洪洞小底坡的摻氣減蝕,探索了一種U型槽;孫雙科等結(jié)合小灣工程泄洪洞的摻氣減蝕進(jìn)行了研究,提出了凹型摻氣坎;王海云等從摻氣坎后空腔區(qū)水流的三維形態(tài)考慮,提出了一種新型V型槽式摻氣坎,在結(jié)合高水頭龍?zhí)ь^明流泄洪洞反弧段下游底板和側(cè)墻的摻氣減蝕,提出了一種突跌凸型和側(cè)墻加貼角聯(lián)合作用的摻氣坎;支栓喜為了提高摻氣設(shè)施在高水頭、低佛氏數(shù)條件下的摻氣性能,提出了齒墩式摻氣坎等等。可見,為了在小底坡條件下獲得良好的摻氣效果,前人對傳統(tǒng)的摻氣設(shè)施進(jìn)行了很多改進(jìn),但這些研究主要集中在上游摻氣坎型式的改善,對挑坎下游空腔“回水源”處的型式研究得較少。本文結(jié)合龍灘工程平底底孔明流段摻氣減蝕設(shè)施,通過在下游加貼坡,對消除平底泄洪洞摻氣設(shè)施空腔內(nèi)的回水等方面進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究,獲得了比較穩(wěn)定的空腔和較好的摻氣性能。2理論分析2.1坎上射流沖擊點(diǎn)三種方向的速度分量研究表明,摻氣坎后空腔回水的存在與上游坎射流沖擊角有密切關(guān)系,沖擊角越大,空腔積水深度越大,回水越明顯。對設(shè)計(jì)合理供氣正常的摻氣設(shè)施,空腔負(fù)壓對空腔形態(tài)無明顯影響,空腔形態(tài)主要取決于幾何邊界條件和來流水力條件,在計(jì)算時忽略空腔負(fù)壓對射流沖擊角的影響。圖1為平底摻氣設(shè)施射流沖擊角計(jì)算簡圖。設(shè)挑坎末端射流平均速度為V0,平行于挑坎坡面,則摻氣坎射流沿x方向和y方向的速度分量分別為V0x1=V0cosφ和V0y1=V0sinφ。當(dāng)射流離開挑坎末端,沿x方向和y方向的加速度分量分別為0和-g。粗略假設(shè)挑射水流為剛體,根據(jù)剛體拋射理論,坎上射流到達(dá)泄洪洞底面所需的時間t1可以由軌跡方程得出:式中:tr為上游挑坎高度,ts為上下游錯距,φ為挑角。從式(1)可得:射流沖擊點(diǎn)流速在x方向的速度分量Vtx1和y方向的速度分量Vty1分別為:而平底摻氣設(shè)施坎上射流與泄洪洞底面沖擊角為:圖2為常規(guī)摻氣設(shè)施射流沖擊角計(jì)算簡圖。設(shè)挑坎末端射流平均速度為V0,平行于挑坎坡面,則坎末射流沿x方向和y方向的速度分量分別為V0x2=V0cosφ和V0y2=V0sinφ。當(dāng)射流離開挑坎末端,沿x方向的加速度分量為gsinα,沿y方向的加速度分量為-gcosα。設(shè)常規(guī)底坡?lián)綒庠O(shè)施射流沖擊點(diǎn)流速在x方向和y方向的速度分量分別為Vtx2和Vty2?？傻贸Ｒ?guī)底坡?lián)綒庠O(shè)施坎上射流與泄洪洞底面沖擊角為:其中:比較式(5)和(6),因?yàn)?<α<90°,有0<cosα<1,故即在僅底坡不同其他參數(shù)相同的條件下,平底摻氣設(shè)施的射流沖擊角比常規(guī)底坡?lián)綒庠O(shè)施的射流沖擊角大?？芍?平底摻氣設(shè)施相比于常規(guī)底坡?lián)綒庠O(shè)施更容易產(chǎn)生空腔回水。2.2坎上射流至泄洪洞底部貼坡圖3為挑坎下游加設(shè)貼坡的摻氣設(shè)施射流沖擊角的計(jì)算簡圖,摻氣挑坎下游底板設(shè)有三角形貼坡,坡高為td,下坡角為α,根據(jù)來流條件和摻氣坎的尺寸,選擇合適的貼坡尺寸,使摻氣射流與下游固體邊界的沖擊區(qū)位于貼坡的正坡面上。坎上射流流速及加速度分解與平底摻氣設(shè)施相同,則坎上射流到達(dá)泄洪洞底面所需的時間t3可以由軌跡方程得出:式中:tα為下游貼坡交點(diǎn)A處的貼坡高度。從上式可得t3為:又因?yàn)閂tx3=Vtx1,所以射流沖擊區(qū)射流流速與x方向的夾角挑坎下游加設(shè)貼坡的摻氣設(shè)施的射流沖擊角即挑坎下游加設(shè)貼坡的摻氣設(shè)施射流沖擊角比平底坡上常規(guī)摻氣設(shè)施的射流沖擊角明顯小得多,因而,加貼坡后比原平底摻氣設(shè)施具有更好的抑制空腔回水的作用。3試驗(yàn)與研究3.1重力相似律設(shè)計(jì)試驗(yàn)以龍灘水電站底孔泄洪洞為研究對象,體型結(jié)構(gòu)見圖4。模型按重力相似律設(shè)計(jì),幾何比尺λ1=30,其它物理量比尺為:λv=λ10.5=5.48;λQ=λ12.5=4929.50;λH=λ1=30;λP=λ1=30;λn=λ11/6=1.76。3.2來流雷諾數(shù)計(jì)算ws試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算來流雷諾數(shù)為vh/vh,則摻氣坎回回采后平均流速a模型試驗(yàn)最高水頭3.00m,相應(yīng)于原型90.00m,此時模型流量0.28m3/s,試驗(yàn)水溫t=5℃,水流的運(yùn)動黏度v=1.52×10-6m3/s,摻氣坎前來流平均流速為6.71m/s,水深為0.28m,則來流雷諾數(shù)Re=Vh/v=1.24×106,處于阻力平方區(qū),可不考慮Re的影響,同時坎前平均流速可以滿足摻氣相似條件。3.3降低挑坎下游高差工程原設(shè)計(jì)底孔摻氣設(shè)施上下游底板高程相等,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):由于平底底板的固有特性,空腔回水嚴(yán)重,淹沒通氣管道,在各級水位條件下幾乎不能摻氣。加高挑坎坎高對坎后空腔穩(wěn)定有利,但坎高太大將導(dǎo)致射流水面局部壅高并可能沖擊閘門支座,下游流態(tài)惡化。通過試驗(yàn),選取上游挑坎高為0.40m。為獲得較好的摻氣效果,在工程允許的條件下,將挑坎下游底板降低0.50m,增大挑坎上下游高差。本次研究進(jìn)行了四種方案的對比試驗(yàn)研究,各方案摻氣設(shè)施的型式和尺寸圖5。其中,No.1為挑跌坎結(jié)合方案;No.2～No.4為坎槽結(jié)合方案,并在下游設(shè)置不同型式貼坡的方案。3.4斜截面貼坡對縱向通氣抗拔力作用試驗(yàn)表明,No.1由于挑坎下游底板水平,坎上射流與下游固體邊界沖擊角比較大,射流落水點(diǎn)產(chǎn)生大量回水,間歇性到達(dá)挑坎下游邊緣,淹沒通氣管并沖擊射流底面。雖然摻氣空腔較大,但不穩(wěn)定,摻氣設(shè)施處于間歇性通氣狀態(tài)。為克服坎下回水,No.2采用了“下游貼坡”,即在水舌落點(diǎn)范圍內(nèi)加貼坡,減小上游坎射流與下游固體邊界的沖擊角,抑制空腔回水產(chǎn)生?？紤]到當(dāng)下泄水流達(dá)到一定流速時,下游貼坡前緣不在水舌落點(diǎn)范圍內(nèi),貼坡前緣反而會減小空腔體積,影響通氣效果,同時,削去下游貼坡前緣可以增加有效挑坎高度。因此,No.3和No.4進(jìn)行了兩種不同的削去下游貼坡前緣的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:No.2～No.4回水明顯減少,No.4在各來流工況均能保證空腔穩(wěn)定。3.5方案2:單寬流量試驗(yàn)中采用Testo450型熱線風(fēng)速儀,量測通氣管中的風(fēng)速變化,并根據(jù)風(fēng)速推求通風(fēng)量,原型通氣管通風(fēng)量隨單寬流量的變化見圖6?？梢?各方案通氣管通風(fēng)量均隨單寬流量的增大而增大;相對No.2和No.3而言,No.4通風(fēng)量明顯增大。同時,用進(jìn)氣量和流量的比例變化,得到的原型氣水比β(β=Qa/Qw,式中Qa、Qw分別為氣流量和水流量)和單寬流量的關(guān)系如圖7?？梢钥吹?β隨q的增大而增大;相對No.2和No.3而言,No.4水氣比β有明顯提高。由圖6和圖