浅论掺气设施的消能作用

掺气减蚀设施不仅能有效地减缓空蚀和磨蚀的发生,而且具有一定的消能作用.结合某水电站溢洪道的模型试验研究,分析了溢洪道掺气减蚀工程措施的消能效果,并首次定量地计算了消能率.试验和计算结果表明,在高水头、大单宽流量溢洪道中每道掺气挑坎的消能水头为2～5 m,随着级数的增加消能水头逐渐增加.试验还表明,在满足掺气要求和水流流态平稳的条件下,尽可能多设置掺气设施不仅不会增加工程量,还可以降低泄槽因高速水流冲刷破坏的风险,而且有利于下游消能防冲设计的优化.     

平底泄洪洞掺气设施体型研究

掺气减蚀是减免泄水建筑物空化空蚀的常用方法,但对于一些小底坡泄洪洞,如果采用常规的掺气设施结构,掺气空腔往往会被淹没,使其失效反而成为空化源。小底坡泄洪洞的掺气设施体型设计一直是掺气减蚀研究的难题。文章针对平底泄洪洞的掺气减蚀,通过理论分析和1/30的大比尺模型试验,进行了四个方案的对比研究,提出了一种新型的挑坎下游加设贴坡的掺气设施,有效地抑制了空腔回水,获得了稳定的掺气空腔,并且通气量、气水比等掺气特性指标都有明显改善。     

泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水研究

泄洪洞内高速水流空化引起过流表面空蚀一直以来都是一个值得关注的问题,掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施。以某水电站泄洪洞明流泄槽的掺气设施为例,从对掺气坎体型增加坎高、加设坎下平台、加设下游陡坡、圆弧形底板等多个角度进行了探索比较优化。研究成果表明:挑跌坎掺气槽后接圆弧底板布置形式,较好地解决了掺气坎下游水流反向漩滚和空腔回水的问题。这一成果为类似掺气设施的布置提供了参考。     

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.     

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。     

河口村水库泄洪洞水力学关键问题研究

通过单体水工模型试验,研究河口村水库高流速泄洪洞的掺气减蚀措施,优化泄洪洞体型。结果表明:1#泄洪洞弧门后突扩突跌掺气体型合理,能形成稳定空腔,达到掺气减蚀目的;2#泄洪洞龙抬头末端突扩突跌掺气效果好,从洞身水面以上取气能满足掺气需求;2#泄洪洞鼻坎顶高程决定了其运行范围及方式,可低于下游最高洪水位。     

挑坎掺气在岔河水库溢洪道中的应用研究

对于中、高水头泄水建筑物,空化水流易诱发结构空蚀破坏。基于岔河水库溢洪道原设计体型,通过模型试验,研究在泄槽抛物线段上、下游侧增设不同体型掺气坎对空化水流的影响。成果表明:挑坎布置于下游侧,散水现象明显,随流量增大,下游泄槽流态恶化。挑坎布置于上游侧(挑角5°、坎高Δ=0.40 m),未掺气时,坎后射流空腔内充满回水,呈负压状态;下游泄槽空穴数上升,水流流态较为平顺;坎高增加,空穴数反而减小;强迫掺气条件下,坎后能够形成稳定的射流空腔,随挑坎高度增加,空穴数变化并不明显,泄槽水流流态反而更趋紊乱。     

达克曲克水电站溢洪道空化空蚀问题研究

国内首个成功运用通气减蚀措施避免泄水建筑物空蚀的工程是冯家山水库.与冯家山大坝一样,达克曲克水电站属中坝工程,最大坝高62.6m,有必要讨论表孔溢洪道泄槽空化空蚀问题.采用时启燧等提出的掺气挑坎临界坎高的经典算法以及空化空蚀相关规范,通过理论计算与实际分析表明:①在溢洪道泄槽段无需设置掺气挑坎;②在没有掺气减蚀措施的情况下,计算施工不平整度按要求控制可以有效避免空化空蚀.     

观音岩水电站泄水建筑物水力学关键技术问题

结合观音岩水电站泄水建筑物的关键水力学问题,阐述了双泄中孔掺气减蚀试验、明渠溢流坝消力池体形优化试验、岸边溢洪道取消中隔墙试验的研究成果。研究结果表明:双泄中孔泄槽底板掺气减蚀效果总体较好;明渠溢流坝新型跌坎渐扩式消力池消能充分,临底水力学参数较小,应加强底板关键区域的结构稳定设计;岸边溢洪道取消中隔墙后基本不影响下游河道的消能防冲效果,但是减弱了工程运行的灵活性,运行宜同时参照工程调度试验成果。     

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。     

台阶式溢洪道掺气消能效果试验研究

通过模型试验分析了台阶式溢洪道掺气对消能效果的影响。对比分析了无掺气坎、掺气坎高分别为20 cm和40 cm时的掺气效果和消能率。当掺气坎高时,水体掺气充分,水流涡旋剧烈,形成水汽两相流,水流下泄旋滚过程中势能转化成动能,在泄槽段可耗散较多能量。因此,设置掺气设施比不设置掺气设施消能效率大、消能效果好,有效地防止了空化空蚀现场的发生。     

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。     

锦屏一级水电站泄洪洞的掺气减蚀及消能防冲问题

锦屏一级水电站泄洪洞具有“大泄量、特高水头、超高流速”的特点,高速水流空化空蚀问题非常突出。为了解决其掺气减蚀、泄洪消能防冲及出口挑流河道归槽的问题,锦屏一级水电站在泄洪洞的龙落尾、掺气坎、补气洞及出口挑坎等关键部位采用了特定的工程技术。对这些特定工程技术的模型实验结果、原型观测资料及设计规范进行了分析,并结合乌江渡水电站、二滩水电站等工程评价了规范的适用性。分析结果表明锦屏一级泄洪洞的洞顶余幅、龙落尾体型、出口燕尾坎消能工等设计合理,掺气设施的掺气保护满足要求,补气及通气系统效果良好,没有发生空化空蚀现象。同时,在掺气空腔长度、风速、补气量、泄洪雾化等方面的模型缩尺效应明显,需要后续工程在设计阶段予以重视并进行更为深入而细致的研究。     

高水头、小底坡泄洪中孔掺气坎体形优化与运行实践

高水头、小底坡、水位变幅大的掺气设施体形优化难度大。某水电站泄洪中孔最大水头达92.37 m,底坡仅5.0%,运行水位变幅为11.37 m,掺气坎体形是设计难点。基于1∶40的单体水工模型试验,对掺气坎的体形进行了系列优化,获得最终推荐体形。研究表明:采用“坎下局部变坡+小挑坎+掺气槽”的设计,能满足高水头、小底坡、水位变幅大的泄槽掺气要求,各道掺气坎均能形成稳定空腔,掺气效果较好;掺气挑坎的细节尺寸对掺气效果极为敏感;建议建立掺气空腔与其影响因子的数学分析模型,以获得掺气坎优化体形的最佳解。该工程目前已运行近7年,总体效果良好,但突扩突跌后的侧墙发生了局部空蚀,表明对高水头泄水建筑物,宜同时采用减压模型全面、充分论证其局部空化特性。     

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。     

高水头泄水建筑物掺气坎体型研究

对具有高水头、大单宽流量的泄洪建筑物，工程中通常采用强迫掺气减蚀措施防止壁面发生空蚀破坏。本文主要通过物理模型试验研究方法，对高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙掺气减蚀进行了研究，提出了一种底部突跌凸型坎和侧墙加贴角联合掺气的新型掺气坎，解决了洞顶余幅、底空腔内回水和突缩引起掺气坎后形成水翅之间的问题。采用这种新型的掺气坎体型后，底空腔内没有回水，同时消除了反弧段后侧墙出现的清水区；侧空腔畅通并直接和底空腔相连，对侧墙和底板都起到了很好的保护。该体型对类似工程的设计及修复具有一定参考价值。     

泄洪洞掺气减蚀探讨

泄洪洞掺气减蚀问题一直备受关注。文章以涝河水库泄洪洞为例,对V型掺气坎和U型掺气坎的水力特性进行1∶30模型试验,重点分析不同单宽流量下的掺气减蚀效果,并利用VOF模型进行了数值模拟分析。试验及模拟研究结果表明:V型掺气坎相对于U型掺气坎更为合理,其具有更长和稳定的掺气空腔以及更大通风井负压、射流冲击压力,水中的掺气浓度也较大,同时空腔内的积水较浅;而通过数值模拟结果显示,V型坎在不同工况下能够保证水流经过其后具有均匀的流速场和压力场,表明掺气减蚀作用明显。     

董箐水电站工程溢洪道宽大泄槽掺气设施设计

董箐水电站工程溢洪道泄槽宽度达50m,根据掺气减蚀原理,设计出了一种适应宽大泄槽的新型掺气坎体型。经数值计算分析,新型掺气坎掺气效果更明显、均匀,解决了宽大泄槽中部掺气的技术难题。该新型掺气坎结构简单、易于施工、效果明显,具有良好的推广应用价值。     

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.     

三峡工程泄洪深孔掺气减蚀设施研究述评

对三峡工程泄洪深孔掺气减蚀设施研究进行述评 ,认为弧门突扩门座结构特殊 ,所处水流情况复杂 ,对于掺气减蚀的效果还待进一步研究 ;根据工程实际运用 ,跌坎掺气减蚀设施是防止空蚀破坏最经济、最有效的办法 .建议采用跌坎掺气并对跌坎体型通气设施掺气浓度和缩尺效应进行深入研究 .