宋莉萱，武彩萍，朱 超，杨祎祎

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.郑州大学，郑州 450000）

0 引 言

随着水利水电建设事业的快速发展和筑坝技术的提高，国内外高水头、高流速泄水建筑物正在迅速增多。我国雅砻江官地水电站、北盘江光照水电站、澜沧江黄登水电站、故县水库大坝、三河口水利枢纽、白鹤滩、向家坝、拉西瓦、亭子口大坝、长江三峡水利枢纽、印度的巴克拉大坝、日本的宫濑坝等大型重力坝工程也都布置有泄洪底孔［1］。泄洪底孔因进水口浸没在自由液面下方，水流流态稳定，由于其本身位置较靠近水库底部，可使水库库容灵活性大幅提升，同时还有益于增加水库的有效空间和安全系数［2-4］。此外深孔还具有排沙、放空水库、导流等功能，因此泄洪底孔是混凝土大坝的重要泄水建筑物之一。

一般说来，在对大型水利水电枢纽工程泄洪问题的研究当中，高速水流和空化空蚀问题最为棘手。特别是坝体内的泄洪底孔，由于底孔位置一般较低，工作闸门设在孔洞之内，闸前段为进口段，进口段水流为有压流，而且有压进口段很短，压力变化比较突兀，在有压段出口弧形门后一般设计成底板跌坎侧墙突扩的体型，水流是从有压流变为无压流，压强变化大，加之体型突变，流动形态十分复杂，如果体型设计或施工稍有不当，就可能发生破坏，其出口水力特性研究已显得尤为重要。对于深水短洞有压进口泄水底孔的很多水力学问题，如压力射流直接冲击边壁和底板问题、产生“水翅”恶化泄水道流态、空化空蚀等是影响底孔安全运行的重要因素，突扩跌坎水力特性计算理论上还不成熟，一般需要通过模型试验开展深入研究。

本文以Souapiti 水电站工程泄洪底孔为例，通过比尺为1：30泄洪底孔单体水工模型试验成果和现有工程经验，对泄流底孔的突扩突跌后的水流流态，空腔长度，流道压力，通气孔风速，掺气浓度等几个水力学参数进行了分析总结，该成果不仅为设计和施工提供了重要技术支撑，同时可为类似工程设计所借鉴。

Souapiti水电站工程坝型为碾压混凝土重力坝，采用坝身有压泄水孔泄水，设置了2 孔短压力底孔泄洪，底孔进口高程为130 m，弧形工作门尺寸5.0 m×6.0 m（宽×高），工作门上游顶坡坡度为1∶4.5，工作弧门后设置1.0 m高的跌坎，并分别向两侧突扩1.0 m，泄槽宽度为7 m，跌坎内埋设2 个直径0.8 m 的通气钢管掺气，跌坎后为底坡1∶10 泄槽，泄槽长65.19 m，后接反弧段及挑流鼻坎，反弧半径28 m，挑流鼻坎高程为125.925 m，挑流鼻坎挑角30°，挑流鼻坎出口为对称扩散，宽度为9.0 m，底孔体型布置见图1。

图1 泄流底孔剖面及平面布置图（单位：m）Fig.1 Discharge bottom hole section and floor plan

1 底孔泄流能力

试验对底孔短压力进口体型单孔全开时的水位流量关系进行了量测，底孔特征水位下泄流能力试验数据如表1所示。

表1 泄洪底孔泄流能力试验数据Tab.1 Experimental data of discharge capacity of spillway bottom hole

泄流能力试验结果表明，对应于上游正常蓄水位210 m、设计洪水位213.11 m 和校核洪水位213.56 m 运行工况，泄洪底孔泄流量分别为1 012、1 034、1 039 m3/s。根据试验结果，按公式（1）可计算［5］得到底孔综合流量系数μ分别为0.886、0.887 和0.888。

式中：μ为闸孔自由溢流的流量系数；e为闸门开启高度；b为每孔净宽；H0为包括行进流速水头的闸前水头。

根据以往经验，短有压进水口的流量系数大体为0.88～0.90［6，7］，因此，本模型实测流量系数符合典型的短压力进水口流量系数规律，满足设计规范要求。从泄流量看，短进水口压力段体型的设计尺寸是合理的。

2 压力分布及脉压特性

对高水头、大流量的泄洪孔来说，很高的水头大部分要集中在这样短的距离内降落，压坡线很陡如果进水口的体型不好，会在局部的边界上出现较大的负压，致使建筑物遭受空蚀破坏。因此，其体型必须很好地处理。弧形工作门上游顶坡设置压板的主要目的是缩小出口面积，提高整个进口段（包括检修门槽在内）的压力，使得门槽水流的空穴数σ＞σi（门槽初生空穴数），防止空穴水流的发生。根据以往的研究［8，9］压板段的顶坡压坡通常采用1∶4、1∶5、1∶6。为提高短进水口有压段的压力，优化体型将工作门上游顶坡坡度由1∶6改为1∶4.5。试验结果表明，在底孔进口压力段各部位压力分布均匀，且为正压。

为量测水流冲击底孔两侧边墙侧墙压力和明流泄槽段底板压力，试验在左侧边墙按照水流流型沿程布置了9个测压点，在泄槽底板沿程布置了18 个测压点，具体位置见图2。试验测量明流泄槽段时均动水压力见图3。结果表明，水流出有压段后，底板斜坡段所测压力均为正压，由于射流冲击底板，压力起伏变化较大。在底板水舌射流冲击区，底板压力出现一个峰值，而后压力值沿程减小，至挑流鼻坎反弧段由于离心力导致底板压力增大。校核洪水时射流最大冲击压力达到13.26 m 水柱，反弧段最大压力达到24.29 m水柱。

图2 泄洪底孔侧边时均动水压力测点位置（单位：m）Fig.2 Location of time-averaged hydrodynamic pressure measuring point on the side of spillway bottom hole

图3 泄洪底孔底板时均动水压力分布（单位：m）Fig.3 Distribution of mean hydrodynamic pressure on bottom plate of spillway bottom hole

图4为底孔侧边墙时均动水压力，水流出突扩跌坎后，侧扩射流冲击侧墙，底部射流冲击底板。侧扩射流冲击侧墙形成冲击交角，在两侧墙形成清水区。清水区内流线折射，导致局部压力降低［10］。侧扩射流冲击侧墙形成的压力分布是分析侧墙空化特性的一项重要指标。压力分布规律表明，突扩跌坎后，侧扩射流与底部射流相比有明显不同。侧扩射流冲击侧墙后产生清水区，压力升高范围较小且衰减迅速，形成低压区，甚至出现负压，清水区后端压力得以回升。在两边墙水流冲击侧墙位置下游0+029.920 位置，正常蓄水位和校核水位均出现了负压，但负压值较小，最大为0.65 m 水柱，边墙突扩设计可以满足要求。

图4 泄洪底孔侧边时均动水压力分布（单位：m）Fig.4 Distribution of mean hydrodynamic pressure on the side of spillway bottom hole

试验观测了底孔侧墙、斜坡段和反弧段选取代表性测点的脉动压力，各测点脉动压力强度随着流量的增大而增大，斜坡段脉动压力强度均方根σ在0.29～6.38 m 水柱之间；鼻坎段脉动压力受反弧离心力影响，与冲击脉压类似，均方根σ在0.43～0.61 m 水柱之间。脉动压力分布符合正态分布，底孔泄水道段脉动压力取值A=3σ。各测点引起压力脉动的涡旋结构仍以低频为主，水流脉动压力优势频率在0.293～0.977 Hz之间。试验结果表明，短压力进口底孔突扩跌坎射流冲击底板处水流脉动最强，最大脉动压力可以达到水流冲击力的1.4 倍，进行底板稳定设计时不可忽视脉动压力。

3 空蚀空化分析

高速下泄的水流容易产生低压区，当水流经过低压区时，水体中携带气核所受的压强小于临界汽化压强，随后不断汽化产生大量气泡。这些气泡逐渐汇聚，并随水流由低压区带往高压区时，气泡内外压强差将导致气泡成片溃灭，并带来连锁反应。气泡溃灭时将产生巨大压力会剥蚀过流边壁表面，发生水流空化空蚀，严重时会威胁整个建筑物的结构安全。空化空蚀是泄水建筑物重要的水力学问题之一，当进行泄水建筑物水力设计时，防空蚀水力设计是其中一项十分重要的内容。

水力空化现象就是水流在常温下，由于压强降低到某一临界数值（一般为水的汽化压强）以下，水流内部形成空穴、空洞或空腔的现象。影响水力空化的水力要素压强是直接原因，流速是间接原因，但是最具影响性的原因，紊动是促进原因。目前水力学中常用水流空化数σ来衡量泄水建筑物各部位水流的空化特性和作为判别附近边壁空蚀可能性的指标，其值越大，空化特性越好，越不容易产生空蚀破坏；该值越小，空化特性越差，越容易产生空蚀破坏［11］。

本枢纽泄流底孔最大运行水头83.56 m，泄槽最大流速超过35 m/s，高速水流和空化空蚀问题比较突出。本项目根据模型实测流速和压强值，按照规范公式推求泄洪底孔各部位的水流空化数［5］。水流空化数按照下式计算：

式中：h0为来流参考断面时均压强；ha为大气压强；hv为水的汽化压强；v0为来流参考断面平均流速。

图5 为水流空化数分布图。从图5 中可以看出，虽然泄槽局部水流空化数略低，但由于该段水流掺气浓度大于设计规范的3%，所以不需要在明槽段设置掺气槽，考虑到该段各断面平均流速较大（在33 m/s 左右），故应采用高强度、耐磨抗蚀的混凝土，并在施工时应严格控制平整度。

图5 底孔明流段水流空化数沿程变化Fig.5 Variation of cavitation number in open flow section of bottom hole

4 突跌突扩掺气减蚀

从现有研究情况来看，突扩跌坎掺气减蚀设施的水力特性和掺气减蚀效果是水力学研究的重点，它涉及突扩跌坎及掺气设施的体型和布置原则［12］。

跌坎高度的选择可以根据所需形成的水力条件，结合上下游连接形式及其他特殊要求（如偏心铰弧门安设止水）等来考虑。跌坎高度d和泄流明槽底坡i，则主要影响底空腔的形成，底空腔的长度随d和i的增大而加大。现有工程的跌坎尺寸多在0.60～2.75 m之间。

侧向突扩宽度它一方面要满足弧门座布置止水的要求，另一方面要满足形成侧向空腔的水力要求。由于侧向水翅的成因是突扩，侧向突扩宽度一般尺寸不宜过大。国内外这类布置运行较好的突扩尺寸多为0.4～1.0 m之间。

底孔泄流水流出有压段后，经过突扩跌坎时，高速水流四周均与边壁脱空，形成射流。水流侧向因边壁突扩而横向扩散，随后冲击侧墙。侧向射流与两侧突扩边墙之间形成侧空腔，在跌坎下游底部射流与底板之间形成底空腔。侧空腔与底空腔形态良好稳定且相互贯通，侧空腔成为向底空腔供气的通道。射流的底部与两侧由于水流的剧烈紊动发生水气互换，可同时对明流洞的边墙及底板起到掺气减蚀保护作用［13］。

原设计跌坎尺寸1.0 m，通气孔尺寸0.8 m，为了增加底孔掺气效果，将跌坎尺寸由1.0 m 增加至1.2 m，通气孔尺寸由0.8 m增加0.9 m。模型试验的结果表明，掺气减蚀设施可形成稳定而完整的空腔，试验分别量测两种体型跌坎下游明槽段底部水流掺气浓度，图6为校核洪水下泄槽底部水流掺气浓度沿程分布，从图中可以看出，底孔工作门出口跌坎和通气孔体型修改后（跌坎高度增加，通气孔尺寸增大），泄槽段水流掺气浓度明显增加。可见增设突跌突扩掺气设施对泄槽斜坡段具有较好的掺气保护能力。

图6 底孔明流泄槽段掺气浓度沿分布Fig.6 Aeration concentration distribution along the bottom hole open flow chute section

5 结 语

本文通过Souapiti 水电站短有压进口泄洪底孔模型试验可知，短有压进口泄洪底孔其孔流量系数一般在0.88～0.9范围内，本底孔泄流规模满足设计要求。突扩跌坎射流冲击底板处水流脉动最强，最大脉动压力最大可以达到水流冲击力的1.4 倍，在底板稳定设计中不可忽视。该体型底孔跌坎尺寸由1 m增加至1.2 m，通气孔面积增大25%后，泄水道水流掺气浓度明显增大。虽然泄水道内水流空化数0.2～0.6之间，但泄水道水流最小掺气浓度大于规范规定的3%，尽管如此，由于泄槽段流速较大，为安全起见建议采用高强度、耐磨抗蚀的混凝土，并在施工时应严格控制平整度。Souapiti 水电站短有压进口泄洪底孔试验成果具有代表性，可供同类型的工程设计或研究参考。 □