偏心鉸弧門突擴跌坎減蝕的水力優(yōu)化設(shè)計

偏心鉸弧門突擴跌坎減蝕的水力優(yōu)化設(shè)計

自20世紀(jì)50年代以來，國外先后使用了傾斜式拱形工作表。國內(nèi)在70年代對此開始研究,目前已有20多個國家在100多工程上應(yīng)用了摻氣減蝕設(shè)施,如前蘇聯(lián)的薩揚·舒申斯克、布拉茨克,美國的大苦里、格倫峽,巴西的福茲杜阿里亞、伊太普等工程。在高壓弧形閘門方面,采用突擴跌坎式通氣減蝕的有美國的德沃歇克、巴基斯坦的塔貝拉、日本的二瀨等工程,詳見表1。由表1可以看出:有成功的經(jīng)驗,也有失敗的教訓(xùn),可從中分析出發(fā)生空蝕的原因,提出改進優(yōu)化措施和值得注意的問題,使摻氣減蝕設(shè)施發(fā)揮應(yīng)有的作用。1突擴沖突的水流特征1.1水流特征試驗在不同水頭時,一般可能出現(xiàn)三種水流形態(tài)。1.1.1空氣通道與邊壁空腔的結(jié)合在高水頭下,水流經(jīng)過突擴跌坎下泄時,形成射流,在兩側(cè)突擴的邊壁之間和跌坎下方的底部形成空腔。側(cè)空腔和底空腔相連成為空氣通道,可以達到摻氣減蝕的目的。在工程上均選用這種通氣設(shè)施。1.1.2漲坎面為回水充填在較低水頭時,側(cè)空腔較小,或被水花、水霧、水簾所遮蔽,基本上不能進入空氣或卷入極小量空氣,在跌坎下的底空腔也基本上為回水充填,或形成橫軸漩滾,類似跌坎面流流態(tài);因此,當(dāng)工作水頭較低,通氣設(shè)施處于跌坎面流工況時,摻氣功能消失,坎下游發(fā)生空蝕的工程實例已屢見不鮮,例如黃壇口、鹽鍋峽、回龍山及龔咀等工程的溢流壩都在面流跌坎處發(fā)生空蝕。1.1.3對某一具體工程的影響該流態(tài)是上述兩種流態(tài)的過渡流態(tài),時而為較完整的空腔,時而為面流流態(tài),通氣不暢,減蝕效果差。以上三種水流流態(tài),對某一具體工程,根據(jù)不同的運行工況,可能出現(xiàn)一種或幾種水流流態(tài),也可根據(jù)要求的條件選擇相應(yīng)的通氣設(shè)施。不得已時,可對工作水頭提出限制條件,以保持第一種流態(tài)為目標(biāo),找出第一種流態(tài)向其他水流流態(tài)轉(zhuǎn)變時相應(yīng)的工作水頭,對應(yīng)跌坎射流工況的最低工作水頭,即稱為臨界工作水頭Hk。1.2突徑流中斷流邊界活動朱榮林根據(jù)試驗研究成果,提出不同的跌坎高度,明渠底坡,坎頂水深對臨界工作水頭關(guān)系曲線如圖1所示。2突擴漲坎體型根據(jù)工程實踐運行,發(fā)生空蝕破壞的主要原因是突擴跌坎體型不能適應(yīng)水力條件的要求,通氣不暢及施工質(zhì)量差,前兩者必須通過試驗研究,找出偏心鉸弧門突擴跌坎減蝕的最佳體型。2.1坎下底坡有效空腔長度的確定設(shè)計跌坎的目的是使水流脫離底坡面形成空腔,因此,要求選擇適當(dāng)?shù)牡哺叨燃捌湎掠蚊髑钠露扰c坡長。張韋長等對試驗成果整理分析,提出坎下底坡與有效空腔長度的關(guān)系式1為L2/R=1.75Fr2tanα-C,式中:C=-32.6tanα-0.47;Fr2=V2gR?FrFr2=V2gR?Fr為佛氏數(shù);R為坎頂?shù)乃Π霃?L2為底腔長度;α為底坡與水平面的夾角。當(dāng)tanα=15%時,C=-5.36;當(dāng)tanα=10%時,C=-3.73;當(dāng)tanα=5%時,C=-2.10。2.2內(nèi)門內(nèi)門的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2.2.1壓坡出口流態(tài)為了提高洞內(nèi)的壓力,避免出口前產(chǎn)生較大的負(fù)壓值,并抑制水翅強度,要求壓力洞出口頂下壓,下壓坡一般以1∶5~1∶10為宜,而以1∶6為好。黃河水利委員會水利科學(xué)研究院在小浪底弧門突擴跌坎試驗研究中,證實1∶8壓坡出口流態(tài)好,側(cè)空腔較長,水翅較低;1∶5壓坡出口流態(tài)也較好。2.2.2側(cè)壁空蝕發(fā)生機制據(jù)實例分析:側(cè)擴比Δb/b(孔寬)多在0.04~0.1之間。如側(cè)擴過大,會造成水翅的加大,加劇霧化及影響明渠段的流態(tài),并使近壁區(qū)的水流及射角增大,引起壓力降低,使脈動壓強加劇,易產(chǎn)生空蝕,如德沃歇克壩Δb/b=0.167,側(cè)壁發(fā)生空蝕。2.2.3不同工程條件對參數(shù)選擇關(guān)系的影響從實踐中總結(jié)出:Δ/h(坎頂水深)多在0.03~0.1范圍內(nèi)較好,如國外的二瀨、努列克、赫爾耶斯等工程的跌坎高度均在0.15~0.6m之間。通過近幾年大量的比較試驗研究,得出在水頭75~100m,Fr=2.5~4.0的條件下,適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇關(guān)系大致為(1)1<Δ≤2.0,(2)0<i≤15%。式中:Δ為跌坎高度,單位為m;i為底坡。2.2.4拉坎的選擇適宜在跌坎(或側(cè)壁)上增設(shè)小挑坎(折流器),可使水流向上挑,對增大空腔長度有利。在中、低水頭下效果較顯著,但小挑坎高度選擇應(yīng)適宜,一般為0.10~0.20m。如挑坎太低或坡度太小,對增加有效空腔長度不明顯;若太高或坡度太大,可增大空腔長度,但使下游水面過分抬高,水翅增強,流態(tài)不好。三峽工程泄洪深孔弧門突擴跌坎式通氣減蝕試驗研究中,坎上加小挑坎高度0.1m,坡度1∶8,兩側(cè)加折流器(從上而下0~0.35m的斜三角體),可增大空腔長度,改善水流流態(tài)。2.2.5通氣孔的設(shè)計原則當(dāng)水頭在40m以下弧門局部開啟運用時,由于弧門把兩側(cè)空腔全部封堵,兩側(cè)弧門底緣水流橫向擴散形成斜向螺漩形渦流,水流流態(tài)惡化,同時下射流部分封堵底側(cè)通氣孔;當(dāng)弧門全開時,由于底空腔內(nèi)漩滾部分或全部淹沒通氣孔影響供氣。通氣孔的形式及其位置最好通過模型試驗選擇,使通氣孔在任何水力條件下不受水簾及橫向滾漩滾封堵。通氣量計算:考慮模型縮尺效應(yīng)的影響,通氣量應(yīng)根據(jù)原型觀測資料總結(jié)的經(jīng)驗公式,參照模型試驗成果綜合考慮確定。突擴跌坎式摻氣減蝕的通氣量包括底部空腔氣量與兩側(cè)夾氣量兩部分?？偟倪M氣量為兩者之和。通氣管尺寸計算:因目前摻氣模型律尚未解決,模型中測出風(fēng)速還不能作為設(shè)計原型通氣孔尺寸的依據(jù),只能根據(jù)工程實踐經(jīng)驗統(tǒng)計空腔內(nèi)負(fù)壓Δha絕對值小于5kPa或通氣管中風(fēng)速(原型觀測資料)按Va=60m/s設(shè)計,一般會有滿意的結(jié)果。通氣孔總面積A可按下式計算A=Qaφa2gΔha(ρa/ρ)√A=Qaφa2gΔha(ρa/ρ),式中:φa為通氣孔風(fēng)速系數(shù);ρ為水體密度;ρa為空腔內(nèi)氣流密度。3空腔厚度對摻氣減蝕的影響根據(jù)水工模型試驗觀測,可繪出突擴跌坎水流流態(tài)示意圖。由圖2可見,突擴Δb的加大,會使水舌與邊墻的接觸角α加大,從而使得過接觸點之后,近壁區(qū)的水流反射角也愈變大,局部流線呈發(fā)散狀態(tài),加之沖擊點形成高壓沖擊,其脈動壓強系數(shù)可能增大10多倍。沖擊點后壓力急速下降,壓力梯度較大,會形成沖擊點后剪切層空化1,如小浪底#3孔板泄洪洞弧門突擴跌坎水工模型試驗中,當(dāng)水頭80~130m時,實測突擴空腔后沖擊點脈動壓力均方根值為39.24kPa,壓強系數(shù)達9%,沖擊點后壓力下降負(fù)壓達10kPa,該區(qū)為清水層。這沒有達到摻氣減蝕的目的。從模型實際觀測發(fā)現(xiàn)側(cè)空腔長度較短,一般為3m左右,水舌夾氣能力低,摻氣濃度達不到減蝕臨界值。如圖2所示,側(cè)空腔水舌與側(cè)壁接觸線成舌狀帶清水層,周邊有較薄層帶有極小量的摻氣,在1∶20模型中實測摻氣濃度較低,在低水頭時為0~0.9%,水頭較高時為0.1%~1.0%,摻氣量不足,倘存在不平整度,易發(fā)生空蝕破壞。如美國的德沃歇克(Δb/b=0.167),前蘇聯(lián)的克拉斯諾雅爾斯克等都是在側(cè)壁發(fā)生空蝕的實例。這種高速射流的剪切空化防止最佳措施,就是優(yōu)化體型增大摻氣濃度。在跌坎下游,水頭較低時,跌坎處不能形成完全空腔時,存在一水墊,或雖形成完整空腔而摻氣不充分時,射向底板的水舌線,斜向與底板相交匯,在兩股水流之間形成一剪切層,其空化特性與突擴相同;但底空腔在高水頭下,空腔有效長度較長,一般均在20~30m,夾氣能力強。在1∶20水工模型中實測靠底部沖擊點的摻氣濃度為2%~3%,能起到摻氣減蝕的作用,保護長度可達80~100m。4模型結(jié)果分析由于摻氣減蝕設(shè)施是實踐在先,理論研究較晚,其研究難點在于水流摻氣的縮尺效應(yīng),還不能通過模型預(yù)示水流流態(tài)、進氣量、摻氣濃度等,并不能按重力相似律引伸到原體。這一課題仍在研究中。(1)歐文(D.A.Eryinc)指出:水工摻氣模型除重力和慣性力的作用外,還受水的紊動粘滯度和表面張力的控制,所以進行摻氣試驗時還要考慮該水流的雷諾數(shù)Re和韋伯?dāng)?shù)We的影響。要做到原型與模型相似,根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù),必須滿足(QaQw)r=0.85(QaQw)r=0.85,式中:下標(biāo)r表示原型與模型比;Qa,Qw分別表示氣流量與水流量。(2)黃文杰等指出:當(dāng)模型中以空腔長度為特征尺度組成的雷諾數(shù)ReL=ULcν＞3.5×106ReL=ULcν＞3.5×106時,以及N.L.Pinto指出的,以剪切流速U?=τ0/ρ????√U*=τ0/ρ與壁面粗高K組成的雷諾數(shù)Re?=Kτ0/ρ√νRe*=Κτ0/ρν>100時,模型中測得的通氣量才可以按重力相似準(zhǔn)則引伸到原型。以空腔長度和坎上流速組成的韋伯?dāng)?shù)We>500時,模型中測得的通氣量符合重力相似準(zhǔn)則。(3)時啟燧等指出,只有當(dāng)模型中摻氣坎頂?shù)牧魉俅笥?.5m/s時,模型中測得的通氣量,才可按重力相似準(zhǔn)則引伸到原型。(4)三峽工程泄洪深孔突擴跌坎式通氣減蝕設(shè)施的模型試驗,采用的模型比尺為35及20,相應(yīng)于模型摻氣坎頂流速分別為6.0m/s及7.8m/s,其中1∶35模型韋伯?dāng)?shù)We=850,1∶20模型雷諾數(shù)Re=2.6×106,而進氣量二者差異值仍達2倍;且水流流態(tài)也不一樣,前者水面波動小,看不見水流表面有摻氣現(xiàn)象,后者水流表面摻氣劇烈,有水流表面摻氣及夾氣水流層,且波動范圍增大,側(cè)空腔的水流紊動劇烈,說明縮尺效應(yīng)影響還存在。(5)福茲杜阿里亞(FordoAreia)壩,壩高160m,溢洪道寬70.6m,全長400m。為了防止空蝕,在溢洪道陡槽上設(shè)3道摻氣挑坎。由巴拉那大學(xué)進行水工模型試驗研究,采用1∶50,1∶30,1∶15及1∶8系列模型,試驗成果整理分析1,認(rèn)為1∶8及1∶15的模型試驗成果與原型資料對比沒有明顯的差別,以第2道摻氣坎水頭83m,估算1∶8和1∶15兩模型挑坎上流速分別為11m/s和8m/s。上述實例表明,模型坎上流速要在8m/s以上方可使縮尺效應(yīng)的影響減到最小。5側(cè)空腔管理問題(1)采用弧門突擴跌坎式通氣減蝕設(shè)施,必須慎重對待。應(yīng)通過水工大尺度模型深入研究優(yōu)化措施,充分論證,使之建立在可靠的基礎(chǔ)上。(2)根據(jù)水工模型試驗成果,借鑒原型運行成功經(jīng)驗,結(jié)合實際工程試驗研究,應(yīng)力求第一種水流流態(tài),并