大流量緩坡泄洪洞摻氣設(shè)施試驗(yàn)研究

大流量緩坡泄洪洞摻氣設(shè)施試驗(yàn)研究

0小底坡上摻氣坎的摻氣設(shè)計(jì)對(duì)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(bǔ)氣裝置可以形成足夠的空腔，從而達(dá)到良好的補(bǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于慣性力,如果采用一般的摻氣坎,水流經(jīng)過(guò)挑坎或跌坎后,會(huì)很快落向隧洞底板,空腔很小;如果底板坡度較緩,落水會(huì)堆積在落點(diǎn)處,且具有一定的動(dòng)能,水流將向上、下游流動(dòng),向上游水流動(dòng)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(shí)會(huì)淹沒(méi)空腔,達(dá)不到摻氣減蝕的作用。為了得到較穩(wěn)定的空腔需要對(duì)摻氣坎體型進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),并通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)不斷進(jìn)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(jí)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(guò)流面底坡有關(guān),也受來(lái)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(shí)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(shí)際工程的需要,針對(duì)對(duì)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(diǎn),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(shí)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(gè)大型水電站,裝機(jī)總?cè)萘?600MW,總庫(kù)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(wú)壓泄洪洞采用無(wú)壓洞型式、洞線為直線,洞身采用“一坡到底”的布置,總長(zhǎng)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(jì)水位(848.31m)和840m三種水位下,設(shè)計(jì)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(dòng),因此,空腔水舌以重力為主,易發(fā)生積水。對(duì)河海大學(xué)推薦體型試驗(yàn)結(jié)果亦表明了,三種水位下,空腔均嚴(yán)重積水。因?yàn)榭涨惑w積小,沒(méi)有形成真正的空腔,故摻氣設(shè)施的合理設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。為此進(jìn)行了水力學(xué)模型試驗(yàn),模型為正態(tài)模型,比尺1∶35,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。試驗(yàn)?zāi)M范圍包括開(kāi)敞式進(jìn)口、洞身及上游庫(kù)區(qū)段,重點(diǎn)對(duì)1#和2#摻氣坎進(jìn)行了摻氣水力特性試驗(yàn)研究。1洞內(nèi)空腔排水設(shè)計(jì)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(duì)庫(kù)水位分別為840.00m、設(shè)計(jì)及校核水位泄洪工況進(jìn)行了流態(tài)、空腔特性等試驗(yàn)。圖2為該摻氣坎體型泄洪洞試驗(yàn)段洞內(nèi)水流流態(tài)。觀測(cè)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(shí),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(méi)有超出直墻高度。但三種水位下,空腔均嚴(yán)重積水。因?yàn)榭涨惑w積小,沒(méi)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(jiàn)圖3。由圖可以看出,在各庫(kù)水位時(shí),該摻氣坎體型沒(méi)有形成空腔,通氣豎井進(jìn)水嚴(yán)重;在840.00m以上,盡管在挑坎附近可見(jiàn)有一定“小空腔”,但空腔內(nèi)嚴(yán)重積水且不穩(wěn)定,積水時(shí)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(kāi)口位置較小,容易形成封閉通氣井和通氣井進(jìn)水等不利現(xiàn)象。試驗(yàn)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(shí)無(wú)法將空腔積水吸走,則“擋坎”與挑坎間積水將永遠(yuǎn)無(wú)法排出,使小流量時(shí)積累的積水影響大流量時(shí)的空腔大小和穩(wěn)定性,降低摻氣效果?？傊?盡管前期試驗(yàn)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(jí)庫(kù)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(jìn)水,需進(jìn)行修改或采用其他摻氣坎體型,以達(dá)到盡量減少或消除空腔積水和運(yùn)行水位較低時(shí)形成穩(wěn)定空腔的目的。試驗(yàn)中曾進(jìn)行過(guò)“V”型和“凹”型等諸多體型摻氣設(shè)施的試驗(yàn),結(jié)果均表明,由于該泄洪洞底坡過(guò)緩,Fr數(shù)低,這些類(lèi)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(kuò)散作用向下游流動(dòng),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(wèn)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(yàn)對(duì)該體型在本工程的應(yīng)用進(jìn)行了嘗試,同時(shí),考慮到U型槽內(nèi)空腔橫向范圍過(guò)大,整體空腔體積小于梯形槽,本次試驗(yàn)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(hào)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(jiàn)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(duì)該體型進(jìn)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(jìn)行了試驗(yàn)研究。2.1坡平臺(tái)段摻氣坎處的水力特性對(duì)庫(kù)水位分別為840m以下、840m、843m、845m、847m、設(shè)計(jì)水位及校核水位進(jìn)行了1#和2#摻氣坎段流態(tài)觀測(cè),圖5與圖6為各工況下1#和2#摻氣坎段水流流態(tài)?？梢?jiàn),水位較低時(shí)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(méi)有形成空腔,其后水流仍為清水,但2#坎可見(jiàn)明顯的空腔,且其后能形成摻氣水流。當(dāng)庫(kù)水位為840m左右,各級(jí)摻氣坎均開(kāi)始形成干凈和穩(wěn)定空腔,空腔長(zhǎng)度均在每級(jí)摻氣坎緩坡平臺(tái)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(méi)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(dòng)和水流摻氣更加明顯,在各級(jí)摻氣坎處水面隆起也較低水位工況為高,在校核洪水位時(shí),最大實(shí)測(cè)水深仍沒(méi)有超過(guò)直墻高度;由于校核時(shí)水深接近直墻高度,建議各級(jí)摻氣坎通風(fēng)豎井開(kāi)口位置盡可能上移,以免由于水面波動(dòng)而使通風(fēng)豎井進(jìn)口進(jìn)水。對(duì)摻氣坎處的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)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(jí)摻氣坎處水力特性試驗(yàn)結(jié)果,其空腔形狀見(jiàn)圖7,由于各級(jí)摻氣坎處速度量級(jí)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(yàn)結(jié)果。從表中可以看出,各摻氣坎后的空腔長(zhǎng)度基本一樣,校核洪水位853.78m時(shí)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(dòng);坎上速度在29.5m/s~34.5m/s之間。試驗(yàn)觀測(cè)表明這些工況下,摻氣坎處流態(tài)與設(shè)計(jì)水位時(shí)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(méi)有超過(guò)校核水位工況。即使在低于840m庫(kù)水位下仍能形成穩(wěn)定空腔,840m以上時(shí)各級(jí)摻氣坎積水基本消除。說(shuō)明本試驗(yàn)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(dòng)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(kù)水位840m時(shí)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(jiàn),水深沿程呈下降趨勢(shì);在8~10m左右,在各級(jí)摻氣坎附近有波動(dòng);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。可見(jiàn),洞頂余幅基本滿(mǎn)足要求。2.3坎上計(jì)算地層和邊墻壓力對(duì)三種工況下的1#和2#摻氣坎附近底板壓力進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)點(diǎn)位置布置和三種工況下的壓力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)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(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓,最小壓力約為2×9.8kPa,位于出口處;緩坡平臺(tái)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(shí)有小負(fù)壓,最大負(fù)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(jiàn),推薦的摻氣坎體型各組成部分壓力分布未見(jiàn)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(shí)測(cè)的底部摻氣濃度沿程分布結(jié)果。由圖可見(jiàn),兩種工況下,每級(jí)摻氣坎后的底部摻氣濃度沿程減小,至下級(jí)摻氣坎前濃度仍能在2%以上。可見(jiàn),各級(jí)摻氣坎的體型和設(shè)計(jì)的摻氣保護(hù)長(zhǎng)度是合理可行的,能滿(mǎn)足摻氣減蝕的要求。除1#摻氣坎外,各級(jí)摻氣坎上包括其緩坡平臺(tái)段及局部陡坡段均可見(jiàn)明顯摻氣水流現(xiàn)象,且其上摻氣濃度在2%左右;同時(shí),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(wèn)題。2.摻氣濃度沿程情況對(duì)1#摻氣坎和2#摻氣坎后若干典型位置側(cè)墻摻氣濃度進(jìn)行了840m洪水位和校核洪水位兩種工況下的試驗(yàn),實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。表中的A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)分別位于施測(cè)斷面處底板以上5.95m、3.50m和1.05m,詳細(xì)情況見(jiàn)圖12。由表可見(jiàn),總體來(lái)說(shuō),兩種庫(kù)水位下相應(yīng)兩級(jí)摻氣坎后各測(cè)點(diǎn)處的側(cè)墻摻氣濃度相當(dāng);兩種工況下,A點(diǎn)摻氣濃度沿程基本上呈增加趨勢(shì),最大摻氣濃度約為6%,最小約為3.4%;B點(diǎn)摻氣濃度沿程也略有增加之勢(shì),最小摻氣濃度約為2.6%;靠近底部的C點(diǎn)其摻氣濃度沿程呈減小趨勢(shì),摻氣濃度范圍在2.6%~4.3%之間。由此可見(jiàn),兩個(gè)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(mǎn)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(shí)測(cè)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(cè)量風(fēng)速和通風(fēng)量通風(fēng)量的大小和摻氣坎前來(lái)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(kù)水位為840m及校核工況下,對(duì)推薦方案的泄洪洞進(jìn)口和摻氣坎通風(fēng)豎井的風(fēng)速和通風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)量,兩種工況下的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。840m水位和校核水位下,僅測(cè)量了1#、2#摻氣坎段泄洪洞進(jìn)口實(shí)測(cè)風(fēng)量分別約為1145m3/s和1017m3/s,洞內(nèi)風(fēng)速可達(dá)約30m/s,與水流速度相當(dāng)。由表5可以看出,各級(jí)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(yàn)結(jié)果看,通氣豎井尺寸擬定能滿(mǎn)足要求。3新型摻氣設(shè)施在調(diào)濕焦坡上的應(yīng)用通過(guò)對(duì)梯形槽挑坎+緩坡平臺(tái)+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(yàn)研究,對(duì)該體型進(jìn)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(tái)+局部陡坡?lián)綒庠O(shè)施因空腔內(nèi)水氣交界面積大,對(duì)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(zhǎng)度均在每級(jí)摻氣坎緩坡平臺(tái)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)