许传勇

摘要：某抽水蓄能电站放空洞采有压隧洞接无压隧洞的型式，无压隧洞陡坡段的水流流速接近40m/s，存在高速水流空蚀破坏的风险。根据规范要求[1]，应设置掺气减蚀设施，以保障放空洞的运行安全。试验以水工单体模型为依托，对有压隧洞的出口体型进行了优化，改善了洞内水流流态。通过掺气减蚀试验研究，确定了掺气设施的设置位置、设置数量及体型，为放空洞的设计选型提供了依据。

Abstract： The emptying tunnel of a pumping storage power station adopts the type of pressure tunnel connected with a free-flow tunnel， in which the flow velocity of the steep slope section of the free-flow tunnel is nearly 40m/s， and there is a risk of cavitation damage of high-speed water flow. According to the requirements of specifications and regulations， to ensure the operation safety of the emptying tunnel， the aeration facilities should be set up. Based on the 1：30 hydraulic unit model， the author optimizes the outlet shape of the pressure tunnel to improve the flow pattern in the tunnel. Through the experimental study of aeration and corrosion reduction， the author determines the location， number and detailed shape of aeration facilities， which provides the theoretical basis for the shape design of the emptying tunnel.

关键词： 放空洞;掺气减蚀;掺气坎;掺气空腔;水翅

Key words： the emptying tunnel;aeration-cavitation resistance;aerator;aerated cavity;water wing

中图分类号：TV732                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0126-03

1  工程概况

某抽水蓄能电站总装机容量1400MW，为4台单机容量350MW的可逆式水泵水轮电动发电机组。枢纽建筑物主要有上水库大坝，下水库大坝、泄洪排沙建筑物和放空洞，输水系统，地下厂房和开关站等。

放空洞位于下水库河床左岸山体内，由引水渠、进水口、有压隧洞、闸门井、无压隧洞和挑流鼻坎组成，进水口底板高程578.00m。有压隧洞为圆形断面，直径4m，出口布置弧形工作闸门，闸門孔口尺寸3.0m×2.5m（宽×高）。无压隧洞为城门洞型，断面尺寸4.0m×4.5m，出口采用挑流消能，见图1。

校核洪水位（621.10m），放空洞的最大泄量为191m3/s，有压洞出口至无压洞缓坡段的平均流速在23.50～26.00m/s之间，陡坡段至挑流鼻坎间的平均流速在27.00～39.50m/s之间，高速水流问题较为突出。依据相关规范的防空蚀设计原则，当流速超过30m/s时应设置掺气减蚀设施[1]，因此，本工程有必要进行掺气减蚀试验研究。

试验模型按重力相似准则设计，为正态模型，模型比尺为1：30。（图1）

2  有压洞出口体型优化

原方案有压洞工作闸门的孔口尺寸为3.0m×2.5m，出口为突扩突跌体型。无压段边墙向两侧各突扩0.5m过渡至正常洞宽4.0m，底板突跌0.5m，见图2。

正常蓄水位620.00m，放空洞全开运行时（188m3/s），下泄水流在出口跌坎处形成横轴反向旋滚，水流侧向扩散冲击洞室边壁，激起 “水翅”拍打洞顶（见图3），此流态会威胁放空洞的运行安全，故有压洞出口的过渡体型需要优化。

由于无压洞缓坡段的水流流速未超过26.00m/s，底板空化数在0.32～0.48之间，大于0.3，该段隧洞发生空蚀破坏的风险不大，可取消出口跌坎。另外，应金属结构调整的要求，工作闸门的孔口尺寸变更为2.5m×3.0m（宽×高），试验拟在出口后采用边墙渐扩的方式过渡至无压洞标准洞宽。

修改方案分别对比了边墙扩散角度α=2.862°和α=1.193°两种体型，成果见表1。正常蓄水位，两修改方案均未出现“水翅”现象。边墙扩散角为1.193°时，缓坡段的水面线较扩散角为2.862°的修改方案更为顺畅，水面起伏更小，水深在2.0～3.0m之间，最大水面波动不超过0.2m，因此，α=1.193°的边墙扩散角对改善洞内流态更有利。

3  掺气试验成果

3.1 掺气坎位置及体型

试验在桩号0+275.087m、0+359.820m布置两道挑、跌坎组合掺气设施。比较了坎坡i′1=3.7%（掺气挑坎相对于底板的坡度）、挑坎？驻h1=0.3m;i′2=5%、？驻h2=0.4m和i′3=6.25%、？驻h3=0.5m三种型式，跌坎高度均为1.0m，第二种体型见图4。正常蓄水位三种不同高度的掺气坎后均能形成掺气底空腔，空腔内无回水。其中，第一种体型空腔长度为7.6m，平台后空腔高度不足0.5m，不利空腔内气流运动;第三种体型空腔长度11.5m，空腔高度1.25m，挑射水流局部水面超过洞室断面直墙0.3m，洞顶余幅不足13%，不满足规范要求[2]。第二种体型的空腔长9.6m，空腔高度0.9m，挑射水流未超过洞室直墙，洞顶余幅满足要求，空腔后水流可见明显掺气，因此，①#、②#掺气坎均采用该体型。

3.2 流态、水深及压强

放空洞在工作水头范围内运行时，有压洞出流紧贴渐扩段洞壁，未发生“水翅”，洞内水面顺畅，流态良好。校核洪水工况（621.10m）无压洞内的沿程水深在1.65～3.30m之间，最小洞顶余幅为20.7%，满足规范要求[2]。

无压洞底板压强随着下泄流量的增加而增大。①#、②#坎的挑射水流落点附近存在明显的压强峰值，局部压力曲线呈单峰分布，落点区域的最大压力梯度接近24kPa/m，应注意合理留置隧洞结构缝。①#、②#坎后的掺气空腔内存在负压，最大负压值为-2.65kPa，满足规范负压不超过-5kPa的要求[1]。底板过流面上的其它测点为正压，压强在0.1～68.87kPa之间，最大值出现在校核洪水工况的挑流鼻坎中段，分析为受水流离心力影响所致。

3.3 空腔长度、掺气浓度与风速

无压洞陡坡段的底坡i=57.74%，加之该段下泄水流的傅汝德数Fr在6～14之间，基本上属于高Fr数流动，水力条件对形成掺气空腔较为有利。在不同水位条件下，①#、②#坎均能形成有效的掺气底空腔，①#坎的空腔长度在6.6～9.6m之间，②#坎的空腔长度在7.5～10.4m之间，其长度与运行水位呈正相关关系，见表2。

掺气设施的保护长度分别为98m和89m，掺气浓度成果见表3。由表中试验成果可知：掺气坎保护范围内，下泄水流的临底掺气浓度呈衰减趋势，数值在1.1～19%之间，绝大部分观测断面的掺气浓度在2%以上。以正常蓄水位为例，①#、②#坎之间的掺气浓度从12%衰减至2.7%，②#坎下游的掺气浓度由空腔尾部的19%衰减至挑流鼻坎末端的1.1%，洞内水体基本呈乳白色，掺气充分，可以达到掺气减蚀的目的。

掺气设施两侧边墙埋有直径0.6m的通风井，引至掺气坎下方通气孔向空腔内补气，井内实测风速为5.00～42.76m/s。由于掺气模型与工程原型存在一定的缩尺效应，在目前的技术条件下，可按式（1）计算模型掺气坎处的雷诺数ReL，参考冯家山水库溢洪洞、巴西福兹杜阿里亚溢洪道的系列掺气试验成果与工程原型观测成果的研究资料进行修正[3]。

4  结语

对于放空洞有压隧洞接无压隧洞的过渡体型，采用边墙渐扩方案可以有效减轻或消除因水流侧向扩散冲击边壁导致的“水翅”现象，为放空洞的安全运行创造有利条件;若有压隧洞出口的平均流速超过30m/s，应根据具体情况考虑设置底部与侧掺气设施。无压隧洞陡坡段布置两道挑、跌坎组合掺气设施，在较高流速条件下即可获得稳定的掺气空腔，向下泄水体形成持续通气，能够有效地防止或减轻空蚀破坏。试验成果表明，在放空洞体型布置合理的前提下，试验所采用的掺气减蚀方案可行。因模型与工程原型之间存在缩尺效应，可对类似已建工程的掺气坎体型和实际运行经验进行研究总结，深入了解此类体型的掺气机理及水力、空化特性。另外，掺气坎挑射水流落點附近底板的压力梯度变化较大，应避免在此区域设置隧洞结构缝。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5166-2002，溢洪道设计规范[S].现行版.北京：中国电力出版，2002

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会. DL/T 5195-2004，水工隧洞设计规范[S].现行版.北京：中国电力出版，2004.

[3]夏毓常，张黎明.水工水力学原型观测与模型试验[M].北京：中国电力出版，1998.