二滩水电站泄洪洞侧墙掺气减蚀研究与实践

二滩水电站是中国在二十世纪建成的最大水电站,电站设有2条龙抬头式泄洪洞,单洞最大泄洪流量为3 800 m3/S,设计最大流速为45 m/s.1#泄洪洞在采用常规的掺气设施后,虽然有效地减免了反弧段本身及反弧段下游底板的空蚀破坏,但反弧段下游侧墙仍出现了空蚀破坏.通过大比尺的模型试验,研究了多种掺气减蚀方法,提出了解决高流速、大流量泄洪洞侧墙掺气减蚀方案.2005年,利用研究成果,采用反弧末端上游侧墙突缩(侧墙贴角)加凸型跌坎的三维掺气坎方案,对二滩1#泄洪洞2#掺气坎体型进行了改造.随后的水力学原型观测表明,2#掺气坎区域水流掺气浓度增加,底板和侧墙脉动压力和空化噪声测值平稳,且在合理范围之内.通过连续2个汛期的运行试验和现场检查,改造后的2#掺气坎体型结构完好,下游未发现明显的空化气蚀现象,成功地解决了侧墙空蚀问题.     

溪洛渡水电站大型泄洪洞龙落尾掺气减蚀设计优化研究

溪洛渡水电站泄洪洞龙落尾段沿程水流流速增加,压强和空化数沿程降低,相应带来空蚀破坏问题。为了达到较好的掺气减蚀效果,采用物理模型试验研究方法,对龙落尾段底板挑坎+突跌及侧墙收缩体型进行了研究,研究了底板掺气空腔与侧墙掺气空腔之间的相互关系。在确定底板掺气体型下,对侧墙掺气进行了详细研究,以保障掺气设施下游侧良好的水流流态和稳定的掺气空腔形态,对底板和侧墙起到保护作用。     

较缓底坡上掺气减蚀设施的研究

在较缓底坡上设置掺气减蚀设施的最大难题就是掺气坎后的空腔回水问题.空腔回水不仅影响掺气设施的掺气效果,而且还可能堵塞进气通道,使掺气设施失效.对此,国内学者已进行过很多研究,提出了凹形坎、凸形坎、V形坎等各种三维掺气坎体型,可以有效地减少空腔回水,改善通气效果,但是并不能完全消除空腔回水.金川水电站泄洪洞原设计底坡0.03,通过模型试验,最终采用一种底板下弯式掺气设施,可以形成稳定的掺气空腔,并能完全消除空腔回水,可供同类工程参考.     

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果，同时，反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上，提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎，并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明，空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度，较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明，泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。     

有压出流条件下突扩突跌掺气设施空腔长度研究

掺气减蚀措施可以减免高速泄水建筑物的空蚀破坏。采用突扩突跌掺气设施,会同时形成底空腔及侧空腔,获得较好的掺气减蚀效果,对建筑物底板及侧墙均起到良好的保护作用,在有压出流条件下,通过对突扩突跌掺气设施水工模型进行不同突扩宽度、跌坎高度、下游坡度、来流条件下的模型试验,初步确定了跌坎高度、突扩宽度、下游坡度对空腔长度的作用方式。结果表明,有压出流条件下,在其他条件相同时,底空腔长度与突扩宽度、跌坎高度均呈正相关关系,与下游坡度呈反相关关系;侧空腔长度与突扩宽度呈正相关关系,与跌坎高度及下游坡度均成反相关关系。最后通过量纲分析拟合出有压出流条件下,相对侧空腔长度与综合水力参数X的关系,得到在X<8时计算侧空腔长度的经验公式。     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

二滩水电站1号泄洪洞体型改造的质量控制

二滩水电站1号泄洪洞在采用常规掺气设施后，在反弧段下游侧出现了空蚀破坏，须对掺气设施进行体型改造。文中简要介绍了改造工程中的各项技术要求和质量控制方法，实施后取得了良好的工程效果，实现了掺气设施对泄洪洞底板及侧墙的减免蚀保护作用。     

泄洪洞侧墙的人工强迫掺气减蚀研究

采用常见的底部掺气设施时,反弧段下游附近边墙仍存在较大范围的掺气盲区,从而反弧段下游边墙容易产生空蚀破坏。利用反弧段上游掺气坎空腔进行人工强迫通气的试验表明,增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽能一定程度减小反弧段下游边墙的清水区范围,但难以将其完全消除。反弧段下游边墙清水区直接强迫通气的试验表明,通过边墙通气孔进入水流的气体扩散范围很小,且由于沿边墙高度各点动水压力不一样,很难保障沿边墙高度掺气的均匀性;同时,强迫通气所需的动力设备功率很大。因此,在实际工程中采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙的空蚀难度很大。     

龙抬头式泄洪洞反弧末端边墙掺气减蚀设施的研究

高水头龙抬头式明流泄洪洞发生空蚀的部位一般位于反弧末端下游边墙及底板上，因此研究该部位的掺气减蚀设施具有十分重要的应用价值。结合二滩水电站1号泄洪洞，研究了反弧段边墙掺气问题，基于掺气挑坎设计中应遵循的基本原则，提出了一种新型的斜侧收缩式掺气挑坎体形，并分析了影响侧收缩掺气挑坎挟气量及挑坎下游水流流态的因素。     

突扩突跌体型的部分水力特性实验研究

高坝泄水建筑物在运行过程中,一般都会采用掺气减蚀的处理措施以保证工程安全。然而,采用常规底部掺气设施后,下游侧墙仍可能出现空蚀破坏。而加入侧墙掺气处理措施,可有效提高下游近壁水体的掺气浓度。本文通过模型试验,对突扩突跌体型下,侧空腔长度对水流形态的影响,佛劳德数对水流形态及侧空腔长度的影响进行了实验研究。     

泄洪洞反弧段下游侧墙掺气减蚀试验研究

龙抬头明流泄洪洞采用常规的底部掺气设施，容易在反弧末端下游附近侧墙处形成掺气盲区，从而导致该侧墙的空蚀破坏，反弧末端下游侧墙是龙抬头明流泄洪洞掺气减蚀设计的重点和难点。文中通过大比尺的模型试验，系统分析了侧墙贴角及边墙突扩两类反弧末端侧向掺气设施的水力掺气特性，试验表明，这两类侧向掺气设施均能有效消除反弧末端下游附近侧墙上的掺气盲区，达到减免侧墙空蚀的目的。     

羊曲水电站溢洪道掺气设施的试验研究

针对羊曲水电站溢洪道掺气槽的位置、体型进行了十多个方案的试验研究和论证分析,提出的掺气坎后双圆弧底坡方案,解决了掺气坎后的回水问题及水翅问题。其具有流态好、空腔水舌稳定、掺气槽内无积水、掺气浓度较大等优点,解决了溢洪道的掺气问题,满足了设计要求,并被应用于工程设计中,可供其它工程参考。     

EXPERIMENTAL STUDY ON A NEW TYPE OF AERATOR IN SPILLWAY WITH LOW FROUDE NUMBER AND MILD SLOPE FLOW

Experimental study on aeration characteristics of various aeration devices was conducted in the spillway tunnel of the Pubugou hydropower project, Sichuan Province, China. It is shown by comparison that the new type of aeration device, namely, the aerator with a trapezoidal-shaped slot and a steep-slope section(ATSS), can avoid water accumulation in the cavity of the aeration device in the project, thus can effectively solve the backwater problems arising from this project and be used for a wide range of different water levels, without any drain facilities. Above the water level of 840 m, the water contained in the cavity can be eliminated completely, which means that the recommended new type of aerator can meet the aeration demands in the spillway of the project with low Froude number and may be of practical significance and of interest to other projects with similar types of aeration devices.     

Fin characteristics of aerator devices with lateral deflectors

The fins will be formed if the lateral deflectors in the side-walls with a bottom aerator device are improperly designed, and the flow regime downstream of the aerator device will be worsened. In this paper, the height and the length of the fins induced by the lateral deflectors are theoretically analyzed along with their influencing factors, and the fin characteristics are experimentally investigated on the basis of the theoretical analysis. It is shown that the intensities of the fins are strongly dependent on the ratio of the lateral cavity length to the bottom cavity length, and other factors, like the working head, the height and the angle of the lateral deflector, the flow Froude number around the aerator device, affect the fins indirectly through the changes of the lateral cavity length. When an aerator device with lateral deflectors is designed, it is crucial to match the above mentioned ratio, and to make the ratio of the two cavity lengths less than 1.0 in order to avoid the generation of the fins.     

三维异形掺气坎体形压力及空化特性研究

采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞典型三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)进行了模拟,分析研究得出,V型坎和凸型坎与U型坎特性相比,压力具有一定的相似性,体形结构具有更好的连续性;不同掺气坎体形的最小压力分布均发生在坎末端,其主要原因是受空腔压力特性的影响,压力出现过渡特性,该区为空化敏感区。采用压力场与变密度方程相结合的紊流数值模拟,给出了三维异型掺气坎的空化发生和发展的范围;受空腔压力特性的影响,空化初生均发生在掺气坎末端,与其压力特性一致,每个掺气坎凹型部位是空化发生的敏感区。     

泄洪洞反弧段上游掺气坎对反弧段下游侧墙的减蚀作用

通过对龙抬头明流泄洪洞反弧末端下游易蚀原因的总结分析,指出在设计掺气坎时应重视反弧段下游附近边墙的掺气防护。通过大比尺模型试验,对能否通过增加反弧段上游掺气坎的掺气能力达到对反弧段下游侧墙的减蚀目的的问题进行了研究,试验表明:增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽然能在一定程度上改善反弧段下游边墙的掺气效果,并减小边墙清水区范围,但反弧段前掺气坎的掺气能力即使较大时,也难以完全消除边墙清水区,该措施难以可靠地解决反弧段下游边墙的空蚀问题。     

适宜大流量小底坡掺气设施的翼型挑坎研究

大流量小坡度泄洪洞布置的掺气减蚀设施,往往存在空腔偏短及空腔回水等问题。根据大流量小底坡泄洪洞掺气设施已有的研究和应用成果,提出了翼型挑坎的掺气设施布置,以求解决上述问题。针对涔天河水库扩建工程1#泄洪洞,开展了水工模型试验研究,比较了不同翼型挑坎布置型式对掺气设施水力特性的影响,论证了翼型挑坎对于减轻掺气设施空腔回水的有效性。通过水工模型试验研究,确定了翼型挑坎掺气设施的基本布置型式,为进一步开展研究和推广应用奠定了基础。     

吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞水力特性试验研究

通过1∶30的水工模型对吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞的水流流态、压力分布、流量系数等水力特性进行了研究,分析了在进水口溢流堰末端增设掺气坎对进水口及竖井内流态及通气孔风速的影响。研究结果表明:在溢流堰末端增设掺气跌坎有利于减小溢流堰面的负压、防止空蚀破坏、简化进口体型设计,且有利于泄洪洞的安全运行。