緩底坡、低Fr明渠摻氣設(shè)施水力特性試驗(yàn)

夏鵬飛，劉 文，劉孝軒，胡 俊

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；3.國網(wǎng)新源浙江縉云抽水蓄能有限公司，浙江麗水321400；4.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙410007）

摻氣減蝕設(shè)施的應(yīng)用有著悠久的歷史，但將這一理念應(yīng)用于水工建筑物經(jīng)歷了漫長的過程，最早的實(shí)踐多見于水力機(jī)械，1897年巴納比（S.W.Barnaby）和帕森斯（C.A.Parsons）于英國“果敢號(hào)”魚雷艇和數(shù)艘蒸汽機(jī)船接連出現(xiàn)螺旋槳效率嚴(yán)重下降事件后，提出了“空化”的概念［1］，在 20世紀(jì) 50年代，Stranb和Andersou進(jìn)行了系統(tǒng)的水流摻氣試驗(yàn)［2］。目前，空蝕空化已經(jīng)成為水利水電、水力機(jī)械、石油、化工等各行業(yè)密切關(guān)注的研究焦點(diǎn)。

許多學(xué)者進(jìn)行了防止空蝕破壞的研究［3-4］，根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)用，普遍認(rèn)為摻氣減蝕是防止空蝕破壞最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。摻氣減蝕的一般工程形式是：在過流面上設(shè)置摻氣挑坎或摻氣槽等［5-8］，并在其下部設(shè)通氣設(shè)施與外界大氣連通，那么當(dāng)水流經(jīng)過挑坎或摻氣槽時(shí)會(huì)形成出挑射流并在其下方自然形成有空氣填充的空腔，射流水股下緣因包裹空腔而形成一定的摻氣層，出射水舌重新回落至底板時(shí)則因碰撞摻混而再次攜帶部分空氣，使下游近底壁水流形成一定厚度的水氣兩相混合流。這種近底的摻氣水流在沿程一段距離內(nèi)將保持一定的摻氣濃度值，當(dāng)其值不小于有效摻氣濃度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，這段距離內(nèi)過流面將受到防蝕保護(hù)。伴隨壩工技術(shù)的發(fā)展，摻氣減蝕設(shè)施推陳出新，出現(xiàn)很多為適應(yīng)特定工程條件而設(shè)計(jì)的新體形［9-10］。我國針對(duì)部分高水頭大流量的泄洪洞采用了緩坡接陡坡的方式設(shè)計(jì)，而緩底坡、低弗勞德數(shù)泄洪洞上的摻氣減蝕設(shè)施［11-13］往往難以取得令人滿意的效果，一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。

通過相關(guān)試驗(yàn)研究，本文提出一種布置于有壓進(jìn)口處的楔形摻氣設(shè)施，可對(duì)其后所接小底坡、低弗勞德數(shù)過流明渠進(jìn)行有效的摻氣保護(hù)。在有壓進(jìn)口處安置楔形體，來流受楔形體上、下反弧壁面的引導(dǎo)被自然地分為兩股水流向前運(yùn)動(dòng)，楔形體末端邊界與有壓出口上、下邊界再次形成兩個(gè)類似的有壓出口，于是上、下兩股水流以有壓出流的形式自兩個(gè)出口射出，兩股射流之間因楔形體而產(chǎn)生一定高差，從而在楔形體后形成空腔分離區(qū)。楔形體內(nèi)部鏤空且與外界大氣相通，兩股射流間空腔內(nèi)的空氣不斷被卷吸進(jìn)入下游，使得空腔內(nèi)部與外界大氣產(chǎn)生一定壓差，從而外界空氣經(jīng)通氣孔被“吸”進(jìn)空腔內(nèi)部，形成穩(wěn)定的通氣空腔，源源不斷向水體內(nèi)部摻氣。本文對(duì)楔形體后空腔形態(tài)、摻氣濃度分布形式進(jìn)行了詳細(xì)描述，以期為這種新型摻氣設(shè)施布置形式在工程中的應(yīng)用提供研究支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

整套試驗(yàn)裝置自上游至下游分為水庫、有壓進(jìn)口、楔形摻氣設(shè)施、緩底坡明渠、量水堰和回水渠等部分，為了便于觀察流態(tài)等，有壓進(jìn)口、楔形摻氣設(shè)施及緩底坡明渠均采用有機(jī)玻璃制作，明渠全長12 m，橫斷面為 0.15 m（寬）×0.2 m（高）的矩形斷面，明渠底坡坡比較小。楔形摻氣設(shè)施置于有壓進(jìn)口處，并于楔形體兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置通氣孔，楔形摻氣設(shè)施布置如圖1所示。圖1中：h2為楔形體末端下頂點(diǎn)距底板的高度，h1為楔形體末端上頂點(diǎn)距壓坡壁面的距離，Δ為楔形體的高度，L為楔形體長度，原點(diǎn)為有壓出口與緩底坡明渠的起坡處。試驗(yàn)過程中，測(cè)量楔形體后明渠水流摻氣濃度所采用的儀器是中國水利水電科學(xué)研究院研制的CQ6-2005型摻氣濃度儀和探入式摻氣濃度傳感器，測(cè)量設(shè)備的分辨率為 0.1%，測(cè)量范圍為 0.0%～100.0%，采樣速度為 120 次／s，積分時(shí)間為 1～99 s。

圖1 摻氣設(shè)施布置示意

1.2 試驗(yàn)條件

（1）楔形摻氣減蝕設(shè)施體形。根據(jù)實(shí)際工程中的挑坎坡比，對(duì)楔形體進(jìn)行初步測(cè)試，確定楔形體上下反弧壁面，本試驗(yàn)主要探討楔形體長度L對(duì)楔形體摻氣特性的影響，故楔形體的高度Δ不予改變，Δ＝4.5 cm，僅改變楔形體長度，最終選擇的4種體形，長高比分別為 L／Δ＝7、5、4、3。

（2）明渠底坡。從現(xiàn)有試驗(yàn)條件綜合考慮，設(shè)定底坡i＝0.052，明渠段起始位置與有壓出流孔口相連接，孔口高度為0.24 m，定義該連接點(diǎn)為0點(diǎn)。

（3）水力條件。本試驗(yàn)選取了7個(gè)有壓進(jìn)口水頭，分別為 H＝1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.4、2.6 m，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)流量 Q ＝ 0.100、0.120、0.130、0.140、0.150、0.155、0.157 m3／s；平均流速 v＝ 2.7～4.3 m／s；楔形摻氣設(shè)施布置高度 h2＝1.0、2.0、3.0、5.0、7.0、10.0 cm。

（4）通氣孔。為達(dá)到通氣要求，楔形摻氣設(shè)施與有壓進(jìn)口連接的壁面對(duì)稱設(shè)置開口直徑為2 cm的通氣孔。

對(duì)楔形摻氣設(shè)施的初步測(cè)試顯示，楔形摻氣設(shè)施后側(cè)能形成穩(wěn)定的空腔。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)楔形摻氣設(shè)施4種長高比體形、6種布置高度、7個(gè)有壓進(jìn)口水頭逐一進(jìn)行試驗(yàn)，探索楔形體體形、布置高度、來流量Q與空腔長度Lc之間的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制 Lc—h2、Q—Lc關(guān)系圖，分別見圖 2和圖3。

由圖2可知，楔形體布置高度h2和流量Q對(duì)楔形體空腔長度影響較大?？刂菩ㄐ误w布置高度和流量兩個(gè)因素之一不變，空腔長度將隨另一因素的增大而增大。 試驗(yàn)條件下，在 L／Δ＝7體形中，當(dāng) h2＝1.0 cm、H＝1.0 m 時(shí)，Lc＝10 cm；當(dāng) h2＝10.0 cm、H＝1.0 m 時(shí)，Lc＝21 cm。隨著h2的增大，空腔長度增長。

圖2 楔形體空腔長度與布置高度的關(guān)系

由圖3可知，在相同布置高度下，本試驗(yàn)范圍內(nèi)各體形空腔長度的分布軌跡極為相似，都聚集在冪函數(shù)Y＝8×10-9X1.8304曲線周圍，確定系數(shù) R2＝ 0.92。 試驗(yàn)條件下，當(dāng) Q＝0.10、0.13、0.15、0.16 m3／s時(shí)，4 種體形楔形體后空腔長度約為12、18、22、27 cm。試驗(yàn)表明，在楔形體高度不變的情況下，僅改變空腔長度對(duì)空腔形態(tài)沒有明顯影響，因此對(duì)自身的摻氣特性影響甚微。分析原因可知：因楔形摻氣減蝕設(shè)施可在有壓進(jìn)口處靈活布置，體形上將有壓出口一分為二，直接影響到有壓出口上、下兩個(gè)開口斷面的比值，進(jìn)而對(duì)上、下兩股水流的流量進(jìn)行分配。隨著布置高度h2的增大，上股射流的斷面面積減小，鑒于有壓進(jìn)口的原因，流速在流道內(nèi)沒有較大變化，于是上股射流的弗勞德數(shù)逐漸增大，使得上股射流拋射距離加大，與此同時(shí)下股射流的斷面面積增大，水深加大，可以盡快攜帶上方射流下泄，上股射流與下股射流碰撞后產(chǎn)生的回溯水流更易被下方水股裹挾向下游明渠，這兩點(diǎn)均有利于促進(jìn)穩(wěn)定空腔的形成和擴(kuò)大，而當(dāng)楔形體高度不變僅改變楔形體長度時(shí)，對(duì)出射速度及上下兩股水舌出射高差的影響甚微，對(duì)上下兩股出射水舌的弗勞德數(shù)也影響甚微，故拋射距離不會(huì)受到影響，亦難以影響空腔長度和摻氣特性。

王堯等［14］在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著Fr的增大，空腔長度呈現(xiàn)出S形波動(dòng)，即空腔長度先增大、再縮小、再增大，這是在緩底坡條件下空腔容易產(chǎn)生積水使得通氣量和水流摻氣量不斷尋求新的平衡所致。在本文探討的緩底坡明渠摻氣設(shè)施中，F(xiàn)r與空腔長度Lc的關(guān)系如圖4所示，并未完全出現(xiàn)S形波動(dòng)，在布置高度h2較高的情況下，隨Fr的增大，空腔長度趨于增大，在布置高度h2＝1.0 cm的情況下，空腔長度隨Fr的增大有S形波動(dòng)。究其原因：楔形摻氣減蝕設(shè)施在有壓進(jìn)口的布置形式使得有壓出口一分為二，上股出射水舌提供封閉空腔，下股出射水舌在提供封閉空腔的同時(shí)還提供了動(dòng)床的攜載功能，下股水流水深越大，上、下兩股射流碰撞后產(chǎn)生的回溯水流越易被下方水股裹挾向下游明渠，避免了空腔積水和波動(dòng)。

另外，想要改善空腔形態(tài)，布置高度h2并非越高越好，增大布置高度雖然有助于形成空腔，但形成的空腔會(huì)遠(yuǎn)離明渠底板，使水流流態(tài)產(chǎn)生較大波動(dòng)。

圖4 弗勞德數(shù)與空腔長度的關(guān)系

圖3 各體形下空腔長度與流量的關(guān)系

以明渠段起始位置與有壓出流孔口連接處為0點(diǎn)，依次向下游沿程布置了8個(gè)測(cè)量摻氣濃度分布的典型斷面，分別為 x／h ＝ 0.7、1.5、4.4、8.5、13.0、17.0、21.0、25.0（x 為測(cè)點(diǎn)距離 0 點(diǎn)的底板斜距，h 為有壓出流孔口高度）。每個(gè)典型斷面的測(cè)點(diǎn)都是從明渠底板至水面均勻布置，其中 x／h＝0.7～8.5 斷面的測(cè)點(diǎn)均勻排列間隔 1 cm，x／h＝13.0～25.0 斷面的間隔 2 cm。

試驗(yàn)表明，在楔形體高度不變的情況下，僅改變空腔長度的體形對(duì)自身的摻氣特性影響甚微。以L／Δ＝7體形的摻氣濃度分布情況為例（見圖5），在斷面x／h＝4.4、h2＝1.0 cm，楔形體后形成的空腔緊鄰底板，隨著流量的增大，空腔區(qū)域含氣量增大，摻氣濃度最大值 C＝8.1%。 對(duì)比斷面 x／h＝13.0、h2＝1.0 cm 的情況可知，遠(yuǎn)離空腔后斷面的摻氣濃度最大值不再突出，漸漸趨于平緩，沿程氣泡在紊動(dòng)擴(kuò)散與壓力梯度的作用下逐漸向水體全斷面發(fā)展，至x／h＝13.0斷面處，水體仍受楔形體強(qiáng)迫摻氣的影響。對(duì)比斷面 x／h＝4.4、h2＝3.0 cm的情況可知，隨著楔形體布置高度的增大，空腔遠(yuǎn)離底板，摻氣集中于水體中部，摻氣濃度最大值C＝6.3%，隨著水流摻氣向下游發(fā)展，沿程發(fā)展情況與h2＝1.0 cm 體形相似。

圖5 斷面摻氣濃度分布

式中：Ci為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的摻氣濃度；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

以體形L／Δ＝7的平均摻氣濃度分布情況為例，有壓進(jìn)口設(shè)置楔形體后，在楔形體布置高度和流量交替變化下，明渠內(nèi)沿程平均摻氣濃度分布如圖6所示。對(duì)比相同布置高度、不同流量情況，以h2＝1.0為例，在各水頭運(yùn)行情況下，沿程平均摻氣濃度最大值出現(xiàn)在x／h＝0.7斷面，摻氣濃度測(cè)量儀探頭幾乎進(jìn)入空腔內(nèi)部，最大平均摻氣濃度 C＝19.5%；在 x／h＝1.5斷面處，平均摻氣濃度值整體減小，原因是此處為兩股射流沖擊處，摻氣還未向下游發(fā)展；在此后的典型斷面上，脫離空腔的氣泡充分?jǐn)U散于水體內(nèi)部，在紊動(dòng)力與浮力的作用下隨水體向下游發(fā)展，使x／h＝17斷面仍受摻氣設(shè)施的影響，在x／h＝21斷面此影響幾乎消失。由沿程底板的摻氣濃度分布可知，一定范圍內(nèi)摻氣可抵達(dá)底板。

圖6 沿程平均摻氣濃度

3 結(jié) 論

針對(duì)緩底坡、低Fr明渠存在空化空蝕的風(fēng)險(xiǎn)，影響明渠的安全運(yùn)行，提出了一種布置于有壓進(jìn)口處的楔形摻氣減蝕設(shè)施，通過模型試驗(yàn)，對(duì)其后的空腔特性、斷面摻氣濃度等水力特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：

（1）該設(shè)施以自身體形特征將來流一分為二，自楔形體末端出射，下股射流有一定的攜氣能力，因此有助于減小因上、下兩股水流相遇碰撞而產(chǎn)生的較大回旋水流，緩解了空腔的積水，更益于楔形體后摻氣空腔的穩(wěn)定形成。

（2）由上、下兩股射流圍裹而成的空腔相較于傳統(tǒng)摻氣坎（槽）增大了氣水交界面積，提高了氣水紊動(dòng)交換的幾率；在兩股射流沖擊點(diǎn)附近，上、下兩股射流對(duì)沖，紊動(dòng)強(qiáng)度高于沖擊底板類摻氣設(shè)施的，吸入水股的氣量也更加充沛。

（3）通過調(diào)整楔形體布置高度h2，可以改善空腔形態(tài)，隨著h2的增大，空腔長度增長，但與此同時(shí)空腔會(huì)遠(yuǎn)離明渠底板，對(duì)底板摻氣造成困難，所以h2并非越大越好。楔形摻氣設(shè)施對(duì)其后所接緩底坡明渠的沿程摻氣濃度分布有顯著影響，布置得當(dāng)時(shí)氣泡可抵達(dá)底板，起到對(duì)緩底坡明渠的保護(hù)作用。