大流量緩坡泄洪洞摻氣設(shè)施試驗研究

大流量緩坡泄洪洞摻氣設(shè)施試驗研究

0小底坡上摻氣坎的摻氣設(shè)計對于一般的洪水隧道，由于有很多樊，水流也很大。使用一般的噴射孔、沉降孔和通氣槽組合的補氣裝置可以形成足夠的空腔，從而達到良好的補氣減少效果。但在緩底坡大單寬流量情況下,往往水深都較大,其斷面弗氏數(shù)較小,重力遠遠大于慣性力,如果采用一般的摻氣坎,水流經(jīng)過挑坎或跌坎后,會很快落向隧洞底板,空腔很小;如果底板坡度較緩,落水會堆積在落點處,且具有一定的動能,水流將向上、下游流動,向上游水流動能若是大于緩坡形成的阻力,則空腔內(nèi)要形成回溯水流,嚴(yán)重時會淹沒空腔,達不到摻氣減蝕的作用。為了得到較穩(wěn)定的空腔需要對摻氣坎體型進行特殊設(shè)計,并通過模型試驗來不斷進行優(yōu)化。為了消除小底坡上摻氣坎空腔回水,不少學(xué)者從空間三維出發(fā),提出了橫向、縱向、豎向均變化的摻氣坎[4~7]。如:適合大單寬流量的U形摻氣坎;緩坡條件下凹型摻氣坎、V型摻氣坎、齒墩坎及二級坡型式摻氣坎。其目的是利用中間U型坎射流的沖擊作用,將空腔內(nèi)回漩水流推向主流,從而減少空腔回水。這些研究表明,在小底坡上,與二維連續(xù)坎相比,三維摻氣坎能一定程度減小空腔回水、改善摻氣效果。摻氣坎體型的選擇不僅與流速、單寬流量和過流面底坡有關(guān),也受來流條件的影響。因此,為了在不同工況下均能保證形成通氣順暢的穩(wěn)定空腔,需根據(jù)不同的實際工程和水力條件,探索合適的摻氣設(shè)施。本文的研究是基于實際工程的需要,針對對瀑布溝水電站泄洪洞底坡緩(i=0.058),Fr數(shù)小(約為3.5)等特點,為了在不同工況下均能保證形成通氣順暢的穩(wěn)定空腔,需根據(jù)不同的實際工程和水力條件,探索合適的摻氣設(shè)施。瀑布溝工程系大渡河中游的一個大型水電站,裝機總?cè)萘?600MW,總庫容約53.9億m3。工程以發(fā)電為主、兼有防洪、攔沙等綜合效益。樞紐主要建筑物之一的深孔無壓泄洪洞采用無壓洞型式、洞線為直線,洞身采用“一坡到底”的布置,總長2024.818m,縱坡i=0.058,隧洞尺寸為12.0m×15m,隧洞沿程設(shè)置摻氣設(shè)施,其間間距200m。在校核水位(853.78m)、設(shè)計水位(848.31m)和840m三種水位下,設(shè)計的泄流量分別為3450m3/s、3264m3/s和2930m3/s,坎上速度均大于30m/s,其上Fr數(shù)約為3.5,屬低Fr數(shù)流動,因此,空腔水舌以重力為主,易發(fā)生積水。對河海大學(xué)推薦體型試驗結(jié)果亦表明了,三種水位下,空腔均嚴(yán)重積水。因為空腔體積小,沒有形成真正的空腔,故摻氣設(shè)施的合理設(shè)計具有十分重要的意義。為此進行了水力學(xué)模型試驗,模型為正態(tài)模型,比尺1∶35,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。試驗?zāi)M范圍包括開敞式進口、洞身及上游庫區(qū)段,重點對1#和2#摻氣坎進行了摻氣水力特性試驗研究。1洞內(nèi)空腔排水設(shè)計前期推薦摻氣坎體型如圖1所示,為阻擋空腔積水,該型式的摻氣坎在挑坎下游設(shè)置一曲線形(中間高兩側(cè)低)擋坎,下游擋坎距上游挑坎的距離為6.0m,橫斷面采用R=45.0m的圓弧,中間坎高為0.8m,兩側(cè)坎高為0.4m,下游面的坡度為1∶5;另外,考慮到施工和結(jié)構(gòu)上要求,下游坎的上游側(cè)以1∶1的坡度與隧洞底板相接。對庫水位分別為840.00m、設(shè)計及校核水位泄洪工況進行了流態(tài)、空腔特性等試驗。圖2為該摻氣坎體型泄洪洞試驗段洞內(nèi)水流流態(tài)。觀測表明,各泄洪工況下,洞內(nèi)水深較深,約9.0m左右,且由于底坡較小,水深沿程衰減較慢;同時,由于摻氣坎坎高較低,洞內(nèi)水面較為光滑和平順,僅在摻氣坎附近水面稍有隆起;水深斷面橫向分布也較均勻,水面均沒有超出直墻高度。但三種水位下,空腔均嚴(yán)重積水。因為空腔體積小,沒有形成真正的空腔,各工況下1#和2#摻氣坎空腔形態(tài)及流態(tài)見圖3。由圖可以看出,在各庫水位時,該摻氣坎體型沒有形成空腔,通氣豎井進水嚴(yán)重;在840.00m以上,盡管在挑坎附近可見有一定“小空腔”,但空腔內(nèi)嚴(yán)重積水且不穩(wěn)定,積水時常封閉通風(fēng)豎井,形成間歇性摻氣;挑坎下游“擋坎”阻擋回水效果較差,反而抬高了空腔積水高度,加之通風(fēng)豎井出口開口位置較小,容易形成封閉通氣井和通氣井進水等不利現(xiàn)象。試驗觀察表明,泄洪完成后,挑坎和擋坎之間有積水情況,若不設(shè)排水設(shè)施,加之泄洪時無法將空腔積水吸走,則“擋坎”與挑坎間積水將永遠無法排出,使小流量時積累的積水影響大流量時的空腔大小和穩(wěn)定性,降低摻氣效果?？傊?盡管前期試驗推薦摻氣坎體型能保證洞內(nèi)水流流態(tài)良好,但所有各級庫水位下空腔積水仍較嚴(yán)重,通氣豎井位置布置不盡合理,容易造成通氣豎井出口封閉和進水,需進行修改或采用其他摻氣坎體型,以達到盡量減少或消除空腔積水和運行水位較低時形成穩(wěn)定空腔的目的。試驗中曾進行過“V”型和“凹”型等諸多體型摻氣設(shè)施的試驗,結(jié)果均表明,由于該泄洪洞底坡過緩,Fr數(shù)低,這些類型摻氣設(shè)施未能形成有效空腔。最近漆力建等結(jié)合大崗山水電站低Fr數(shù)泄洪洞提出了一種新的槽形挑坎結(jié)合局部陡坡的摻氣設(shè)施,該體型利用挑坎中間U型槽射流的沖擊作用,將空腔內(nèi)回漩水流推向主流,并隨著射流的拖曳和擴散作用向下游流動,克服了小底坡?lián)綒饪埠罂涨粌?nèi)出現(xiàn)的回溯積水現(xiàn)象,有效地解決了低Fr數(shù)泄洪洞摻氣設(shè)施空腔回水的問題。為了在不同工況下均能保證形成通氣順暢的穩(wěn)定空腔,本次試驗對該體型在本工程的應(yīng)用進行了嘗試,同時,考慮到U型槽內(nèi)空腔橫向范圍過大,整體空腔體積小于梯形槽,本次試驗將摻氣坎槽身體型修改成梯形形式。2摻氣槽體型設(shè)在樁號0+396.462m和0+603.144m處設(shè)置兩道該款摻氣設(shè)施,摻氣槽體型示意圖與體型尺寸見圖4。每種體型在離摻氣挑坎頂部0.2m處設(shè)一2.1×0.8m2通氣豎井與泄洪洞洞頂相連。對該體型進行了流態(tài)、空腔形態(tài)、底部摻氣濃度、底部壓力分布、通風(fēng)井風(fēng)速和通風(fēng)量進行了試驗研究。2.1坡平臺段摻氣坎處的水力特性對庫水位分別為840m以下、840m、843m、845m、847m、設(shè)計水位及校核水位進行了1#和2#摻氣坎段流態(tài)觀測,圖5與圖6為各工況下1#和2#摻氣坎段水流流態(tài)。可見,水位較低時水面平穩(wěn),兩邊墻水深均勻;水面在摻氣挑坎處隆起不太明顯;1#摻氣坎沒有形成空腔,其后水流仍為清水,但2#坎可見明顯的空腔,且其后能形成摻氣水流。當(dāng)庫水位為840m左右,各級摻氣坎均開始形成干凈和穩(wěn)定空腔,空腔長度均在每級摻氣坎緩坡平臺段后,摻氣效果非常明顯;梯形槽水舌亦能形成內(nèi)空腔,與兩側(cè)挑坎形成的大空腔相連;摻氣坎水舌形成的回水主要發(fā)生在局部陡坡段,由于該段坡度較陡,回流已沒有能量回溯到空腔處,空腔積水基本消除。隨水位升高,流量加大,水面波動和水流摻氣更加明顯,在各級摻氣坎處水面隆起也較低水位工況為高,在校核洪水位時,最大實測水深仍沒有超過直墻高度;由于校核時水深接近直墻高度,建議各級摻氣坎通風(fēng)豎井開口位置盡可能上移,以免由于水面波動而使通風(fēng)豎井進口進水。對摻氣坎處的水力特性進行了試驗研究,內(nèi)容包括空腔附近處水面線,空腔形狀,坎后積水情況及坎上Fr數(shù)等。表1為校核洪水位853.78m和840m洪水位工況下各級摻氣坎處水力特性試驗結(jié)果,其空腔形狀見圖7,由于各級摻氣坎處速度量級相當(dāng),其空腔形狀基本一致,因此僅列出1#摻氣坎的空腔形狀試驗結(jié)果。從表中可以看出,各摻氣坎后的空腔長度基本一樣,校核洪水位853.78m時均在16.1~17.0m之間,840m洪水位均在16.0~16.8m之間;坎上Fr數(shù)均在3.5左右,屬低Fr數(shù)流動;坎上速度在29.5m/s~34.5m/s之間。試驗觀測表明這些工況下,摻氣坎處流態(tài)與設(shè)計水位時的流態(tài)相當(dāng),均能形成穩(wěn)定干凈的空腔;坎上水面隆起仍沒有超過校核水位工況。即使在低于840m庫水位下仍能形成穩(wěn)定空腔,840m以上時各級摻氣坎積水基本消除。說明本試驗建議的摻氣坎體型能適應(yīng)本工程緩底坡、大流量及低Fr數(shù)流動的摻氣要求。2.2激發(fā)洞頂殘余余能校核洪水位853.78m及庫水位840m時水深及洞頂余幅沿程分布結(jié)果分別繪于圖8與圖9中。由圖可見,水深沿程呈下降趨勢;在8~10m左右,在各級摻氣坎附近有波動;洞頂余幅在摻氣坎附近變小,水深余幅在34%~45%之間,面積余幅在29%~41%之間?？梢?洞頂余幅基本滿足要求。2.3坎上計算地層和邊墻壓力對三種工況下的1#和2#摻氣坎附近底板壓力進行了測量,測點位置布置和三種工況下的壓力測量結(jié)果見圖10。由圖可知,推薦的摻氣坎體型挑坎起部位壓力增大,最大約為20×9.8kPa,末端處最小,約為2×9.8kPa;坎上梯形槽身段及邊墻上均沒有出現(xiàn)負壓,最小壓力約為2×9.8kPa,位于出口處;緩坡平臺段大部分區(qū)域處于空腔區(qū),中部沖擊區(qū)處壓力最大約為3.5×9.8kPa,后部壓力接近0.0;局部陡坡段前端在校核水位時有小負壓,最大負壓約-0.8×9.8kPa,在空腔內(nèi),后半部及其后原泄洪洞底板壓力均為水舌沖擊區(qū),壓力較大,最大壓力約為17×9.8kPa。可見,推薦的摻氣坎體型各組成部分壓力分布未見異常,其特性良好。2.4混合濃度的沿程分布和風(fēng)速和風(fēng)速1.摻氣坎體型梯體型圖11為實測的底部摻氣濃度沿程分布結(jié)果。由圖可見,兩種工況下,每級摻氣坎后的底部摻氣濃度沿程減小,至下級摻氣坎前濃度仍能在2%以上。可見,各級摻氣坎的體型和設(shè)計的摻氣保護長度是合理可行的,能滿足摻氣減蝕的要求。除1#摻氣坎外,各級摻氣坎上包括其緩坡平臺段及局部陡坡段均可見明顯摻氣水流現(xiàn)象,且其上摻氣濃度在2%左右;同時,推薦的摻氣坎體型梯體型采用收縮體型,其兩側(cè)受壓,壓力特性良好。因此,摻氣坎自身空化不應(yīng)成為問題。2.摻氣濃度沿程情況對1#摻氣坎和2#摻氣坎后若干典型位置側(cè)墻摻氣濃度進行了840m洪水位和校核洪水位兩種工況下的試驗,實測結(jié)果見表2。表中的A點、B點和C點分別位于施測斷面處底板以上5.95m、3.50m和1.05m,詳細情況見圖12。由表可見,總體來說,兩種庫水位下相應(yīng)兩級摻氣坎后各測點處的側(cè)墻摻氣濃度相當(dāng);兩種工況下,A點摻氣濃度沿程基本上呈增加趨勢,最大摻氣濃度約為6%,最小約為3.4%;B點摻氣濃度沿程也略有增加之勢,最小摻氣濃度約為2.6%;靠近底部的C點其摻氣濃度沿程呈減小趨勢,摻氣濃度范圍在2.6%~4.3%之間。由此可見,兩個工況下,1#摻氣坎后75m以后及2#摻氣坎后泄洪洞側(cè)墻摻氣濃度最小約3%左右,能滿足摻氣減蝕的要求,可以不設(shè)側(cè)摻氣設(shè)施;但1#摻氣坎后仍存在一清水三角形區(qū)域,由于該段實測空化數(shù)大于0.3且流速約30m/s左右,亦可不設(shè)置側(cè)摻氣設(shè)施。2.5測量風(fēng)速和通風(fēng)量通風(fēng)量的大小和摻氣坎前來流的流量、流速、水深、摻氣坎尺寸、水舌和空腔參數(shù)有關(guān)。在庫水位為840m及校核工況下,對推薦方案的泄洪洞進口和摻氣坎通風(fēng)豎井的風(fēng)速和通風(fēng)量進行了測量,兩種工況下的實測結(jié)果見表3。840m水位和校核水位下,僅測量了1#、2#摻氣坎段泄洪洞進口實測風(fēng)量分別約為1145m3/s和1017m3/s,洞內(nèi)風(fēng)速可達約30m/s,與水流速度相當(dāng)。由表5可以看出,各級摻氣坎通氣豎井中(尺寸擬定為2.1×0.8m2)的風(fēng)速在20~25m/s范圍內(nèi);左右兩側(cè)通風(fēng)豎井所需風(fēng)量約為63~85m3/s;因此,從風(fēng)速試驗結(jié)果看,通氣豎井尺寸擬定能滿足要求。3新型摻氣設(shè)施在調(diào)濕焦坡上的應(yīng)用通過對梯形槽挑坎+緩坡平臺+局部陡坡?lián)綒庠O(shè)施在瀑布溝水電站泄洪洞應(yīng)用的試驗研究,對該體型進行了流態(tài)、空腔形態(tài)、底部摻氣濃度、底部壓力分布、通風(fēng)井風(fēng)速和通風(fēng)量的研究,結(jié)果表明:1.梯形槽挑坎+緩坡平臺+局部陡坡?lián)綒庠O(shè)施因空腔內(nèi)水氣交界面積大,對提高空腔內(nèi)的總通氣量、改善摻氣條件有利,摻氣坎能夠形成干凈和穩(wěn)定空腔,空腔長度均在每級摻氣坎緩坡平臺段后,摻氣效果非常明顯,保證摻氣設(shè)施在全工況均能使空腔穩(wěn)定、通氣順暢、流態(tài)乎穩(wěn)