周　赤，姜伯乐，邢　岩

(长江科学院 水力学研究所，武汉　430010)



适宜大流量小底坡掺气设施的翼型挑坎研究

周赤，姜伯乐，邢岩

(长江科学院 水力学研究所，武汉430010)

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。

泄洪洞；掺气设施；翼型挑坎;水工模型试验;水库扩建

1　研究背景

掺气减蚀设施是应用于高速水流条件下减免溢流面空蚀破坏的有效方法。大流量小底坡泄洪洞布置的掺气减蚀设施，往往存在空腔回水问题，避免空腔回水是大流量小底坡泄洪洞掺气设施面临的重要难题。

当水流处于大单宽流量、低Fr数条件下，重力影响十分显著，空腔区流线产生严重弯曲，掺气空腔内容易形成回水，空腔回水对掺气设施的水力及掺气特性有明显影响，减少水气交界面，并削弱水流的掺气效果，严重时还会导致回水封堵进气孔，出现空腔消失的不利流态，影响掺气设施的正常运行。杨永森等[1]通过试验研究与理论分析建立了空腔回水尺寸的计算式、稳定空腔的临界条件；张立恒等[2]对坡底i=0.09的泄槽掺气减蚀设施空腔回水进行了研究，认为在试验条件下，当射流冲击角>9°时空腔回水开始出现；王海云等[3]从掺气坎后空腔区的三维形态考虑，提出了一种V型槽式掺气坎，试验研究表明能有效减弱或消除空腔回水；孙双科等[4]结合小湾工程泄洪洞的掺气减蚀进行了研究，提出了凹型掺气坎；李延农等[5]结合三板溪水电站泄洪洞掺气设施试验研究，提出了掺气设施后接圆弧底板以减轻回水；吴伟伟等[6]通过理论分析和试验研究，提出在掺气坎下游加设贴坡，形成局部顺坡，使射流底缘与下游固体边界的冲击角减小，有助于抑制回溯水流的产生；徐一民等[7]通过数值计算，分析了泄槽底坡对掺气坎射流空腔回水的影响，随泄槽底坡增大，空腔积水减弱，不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的；罗永钦等[8]对变坡处的掺气坎回水现象进行了研究，提出了在变坡处可能存在一个临界值，在临界高度以下，挑坎高与淹没回水成正比关系，在临界高度以上，挑坎高与淹没回水成反比关系；汤君等[9]根据两河口水电站放空洞掺气减蚀试验研究成果，分析得出当坡度为i=0.085时，产生稳定空腔的临界弗氏数约为3.9；刘超等[10]通过二滩水电站大型龙抬头明流泄洪洞试验研究，提出以Tmax(过坎射流最高点至底板的距离)及空腔回水作为其体型优化的主要目标，良好的掺气坎应使空腔回水最小时，Tmax也较小，小底坡条件下，三维掺气坎较二维连续坎有明显的优势；李静等[11]通过长河坝水电站泄洪洞模型试验，研究比较了低Fr数条件下掺气设施下游底坡型式，认为只有圆弧连接才能适应长河坝水电站泄洪洞头两道掺气设施，基本减免了空腔回水，形成了稳定空腔。

上述研究成果表明，掺气设施形成空腔回水的影响因素包括下游底坡和掺气挑坎型式2个方面。本文研究提出的翼型掺气挑坎，能够较好地调整出坎水流，使得水流落点沿断面基本一致，从而起到减轻空腔回水的作用。

2　模型设计

研究对象为潇水涔天河水库扩建工程1#泄洪洞，其采用有压短管进口形式，底板高程260.0m， 弧形工作闸门尺寸10m×8m(宽×高)；洞身底宽10m,高12m，纵坡i=6.2%，全长573m；出口高程224.5m，挑流消能，布置见图1。

图1　潇水涔天河水库扩建工程1#泄洪洞布置Fig.1　Layout of spillway tunnel 1# of model test

模型按重力相似准则设计，采用正态局部模型，长度比尺Lr=40。模型采用有机玻璃制作，模拟范围包括有压短管进口及部分明流洞，模拟原型长度约240m。试验条件见表1。

表1　试验条件Table 1　Test conditions

3　研究方案及翼型挑坎布置

试验研究的掺气设施布置方案见图2，除了直线挑坎外，比较优化了3种翼型挑坎布置。由于掺气坎上最大流速约为29m/s，水深8m，流量达2 300m3/s，底坡为6.2%，为典型的大流量低Fr数小底坡泄洪洞，空腔回水极易封堵掺气空腔。由于泄洪洞洞身高度限制，只宜设置小挑坎；而泄洪洞的底坡设置，使得掺气坎下游局部变坡的坡度和长度均受到限制。因此布置掺气设施难度较大，所以在研究挑坎布置之前，首先对掺气设施下游局部底坡进行了优化并确定了如图2所示下游底坡衔接型式。图2(a)为常规的直线挑坎布置，掺气坎为0.9m的跌坎加0.1m高挑坎组合，坎后设5m平台，其上布置2.5m×0.9m(长×高)的通气孔，平台后的斜坡坡度局部调整为15%，水平长度为30m，后接4.28%的斜坡与6.2%底坡相接。翼型挑坎掺气设施布置仅0.1m高小挑坎采用翼型挑坎，其余布置与直线挑坎相同。所谓翼型挑坎，就是根据水流流速断面分布特性，采用的挑坎两边高且距离长、中间低且距离短。图2(b)—图2(d)为翼型挑坎的3种不同参数布置：翼型挑坎1两边高0.2m,中间为0；翼型挑坎2两边高0.2m,中间高0.1m且有5m宽直线；翼型挑坎3两边高0.3m,中间高0.15m且有2.5m宽直线。

图2　研究方案掺气设施布置Fig.2　Layouts of aeration devices in different cases

4　方案比较研究成果

试验研究主要通过掺气空腔形态及流态观测，进行方案比较。试验成果表明，对于直线挑坎，在各级库水位下，跌坎后均形成不稳定的空腔，回水上溯越上平台，将通气孔部分或全部封堵。

对于翼型挑坎1基本上可以形成稳定的空腔，但因两侧水流的落点明显比中间水流远，空腔回水较多，且回水偶尔封堵通气孔，分析原因主要是中部水流挑距较近；翼型挑坎2也可形成基本稳定的空腔，但回水也较多，且回水偶尔也会封堵通气孔，分析原因主要是两侧挑坎所占比例较小，两侧水流落点与中间水流落点基本一致；翼型挑坎3空腔回水大为减轻，跌坎后形成稳定的空腔，虽然空腔回水也高于平台，但回水基本稳定，不会封堵通气孔，翼型挑坎3空腔形态特征值成果见表2，空腔主要形态特征示意见图3所示。

表2　翼型挑坎3空腔形态特征Table 2　Cavity characteristics of airfoil flip bucket No.3

注：Smax为水舌内缘跌落处距挑坎最远距离

图3　翼型挑坎3空腔形态示意Fig.3　Sketch of cavity characteristics of airfoilflip bucket No.3

综上，在同样下游底坡条件下，选择合适的翼型挑坎布置，可以有效地减轻掺气空腔的回水，形成完整稳定的掺气空腔。

5　结　论

在总结已有关于大流量小底坡泄洪洞掺气设施布置丰富的研究和应用成果的基础上，提出了翼型挑坎的掺气设施布置，通过多种翼型挑坎布置的试验研究比较，对此类型挑坎掺气设施的水力特性有了充分认识，并基本确定了翼型挑坎的一般布置型式，论证了翼型挑坎对于减轻空腔回水的有效性。研究成果为涔天河水库扩建工程1#泄洪洞掺气设施布置优化提供了依据，并为进一步研究完善翼型挑坎布置及其推广应用奠定了基础。

[1]杨永森,杨永全,帅青红.低Fr数流动跌坎掺气槽的水力及掺气特性[J].水利学报,2000,31(2):27-31.

[2]张立恒,许唯临.掺气减蚀设施空腔回水问题的试验研究[J].科学技术与工程,2006,6(15):2388-2389.

[3]王海云,戴光清,杨庆,等.V型掺气坎在龙抬头式泄洪洞中的应用[J].水利学报,2005,36(11):1371-1374.

[4]孙双科,杨家卫,柳海涛.缓坡条件下掺气减蚀设施的体型研究[J].水利水电技术,2004,35(11):26-29.

[5]李延农,王怡.解决大流量、小底坡泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水问题的一种办法[C]//泄水工程与高速水流.长春:吉林人民出版社,2004:43-45.

[6]吴伟伟,吴建华,阮仕平.平底泄洪洞掺气设施体型研究[J].水动力学研究与进展,2007,22(4):397-402.

[7]徐一民,杨红宣,赵伟,等.泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响[J].水利水电技术,2009,40(12):47-51.

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[9]汤君,刘善均.两河口水电站放空洞掺气减蚀实验研究[J].吉林水利,2009,(1):15-17.

[10]刘超,张光科,张光碧,等.小底坡、低Fr数泄洪洞掺气坎体型优化研究[J].四川大学学报(工程科学版),2007,39(2):30-35.

[11]李静,胡国毅.泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水研究[J].长江科学院院报,2013,30(8):50-53.

(编辑：赵卫兵)

Airfoil Flip Bucket for Aeration Devices with High Flow and Small Slope

ZHOU Chi,JIANG Bo-le,XING Yan

(DepartmentofHydraulics,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

Problemssuchascavitybackwaterandshortdimensionareusuallyfoundintheaerationdevicesofspillwaytunnelwithhighflowandsmallslopegradient.Inthispaper,anairfoilflipbucketwasputforwardaccordingtoexistingresearchresultandpracticalapplicationaimingtosolvetheaboveproblems.Withthephysicalmodeltestonspillwaytunnel1#intheexpansionprojectofCentianhereservoirasacasestudy,theeffectsofdifferentconfigurationsofairfoilflipbucketonthehydrauliccharacteristicsofaerationdeviceswerecompared,andtheeffectivenessofairfoilflipbucketinrelievingcavitybackwaterofaerationdeviceswasalsodemonstrated,andthebasiclayoutpatternwaseventuallydeterminedbythephysicalmodeltest.Thisstudylaysafoundationforfurtherresearchandpopularization.

spillwaytunnel;aerationdevices;airfoilflipbucket;hydraulicmodeltest;reservoirexpansion

2015-07-23;

2015-09-14

周赤(1963-)，男，湖南岳阳人，教授级高级工程师，主要从事水工水力学研究，(电话)027-82927343(电子信箱)zhouchi@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20150625

2016,33(09):57-59

TV651

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1001-5485(2016)09-0057-03