灌溉洞水力模型試驗(yàn)氣蝕分析研究

邸國(guó)平

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要以及施工新技術(shù)、新設(shè)備的推出，許多高壩及高水頭建筑物的新建為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，然而高水頭水工建筑物由于水頭高、流速大從而對(duì)建筑物本身及下游設(shè)施產(chǎn)生一定的不利影響，其中氣蝕是對(duì)建筑物破壞較為嚴(yán)重的一種形式，尤其對(duì)于閘后輸水洞的安全不容忽視，本文通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)灌溉洞易發(fā)生氣蝕的關(guān)鍵部位在典型工況下的氣蝕情況進(jìn)行了分析研究。

1 概況

灌溉洞所依托的水庫(kù)位于洪洞縣曲亭鎮(zhèn)，水庫(kù)總庫(kù)容3400萬(wàn)m3，是一座防洪為主的中型水庫(kù)，水庫(kù)按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)灌溉面積6666.67hm2，保護(hù)著下游十幾個(gè)村落人民的財(cái)產(chǎn)及耕地安全[1]。

水庫(kù)左岸設(shè)置開(kāi)敞式溢洪道，溢洪道右側(cè)200m處設(shè)置左岸灌溉洞，原設(shè)計(jì)涵洞進(jìn)口取水方式為臥管取水，設(shè)計(jì)取水流量為1.5m3/s，涵洞為無(wú)壓流段，長(zhǎng)133m，由3段不同的斷面形式組成[2]。

除險(xiǎn)加固中拆除臥管和第一段涵洞，新建進(jìn)水塔和改建涵洞連接段，在進(jìn)水塔閘室布置檢修門和工作閘門，均為平板門，閘孔尺寸為1.5m×1.5m，進(jìn)口底高程為541.07m，設(shè)計(jì)正常高水位560.30m，設(shè)計(jì)最大灌溉流量1.5m3/s。原左岸灌溉洞第一段長(zhǎng)21.5m，取水口改建為進(jìn)水塔后剩余8.79m。加固設(shè)計(jì)時(shí)該段為1.5m×1.5m鋼筋混凝土方形涵，施工中將8.79m中長(zhǎng)4.5m的涵洞斷面由1.5m×1.5m方形漸變?yōu)?.8m×1.1m(寬×高)的矩形洞，后段的4.25m原涵洞未拆除。在灌溉洞第二段44.5m(0+066m)處增設(shè)混凝土消力坎(頂寬1m，堰頂高程高出第三段涵洞進(jìn)口底板高程50cm)。

2 模型設(shè)計(jì)及場(chǎng)地布置

2.1 模型比尺的選取

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[3- 4]，根據(jù)模型試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)要求、所選取的試驗(yàn)設(shè)施及實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模等外部條件，并考慮綜合因素，經(jīng)過(guò)計(jì)算比選，最終確定本次模型的長(zhǎng)度比尺為12，其他各物理量比尺如下。

長(zhǎng)度比尺：λL=λH=12。流速比尺：λV=λL1/2=3.46。流量比尺：λQ=λL5/2=498.83。糙率比尺：λn=λL1/6=1.51。

2.2 模型場(chǎng)地的布置

模型的制作及安裝需滿足SL155—2012《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)條款的規(guī)定[5- 6]。為了方便試驗(yàn)的觀測(cè)，并滿足糙率相似，進(jìn)水塔、灌溉洞及其洞身均選用有機(jī)玻璃板制作，長(zhǎng)度從進(jìn)水塔喇叭口0-007.86至0+133.00m，共140.86m；模型庫(kù)區(qū)范圍為灌溉洞左右兩側(cè)壩體各30m，灌溉洞進(jìn)口上游25m，為了滿足模型與灌溉洞進(jìn)口水流的相似要求，模型中庫(kù)區(qū)地形按長(zhǎng)度比尺進(jìn)行縮制，庫(kù)區(qū)地形表面用水泥砂漿進(jìn)行粉刷[7- 8]，模型布置及測(cè)壓管分布如圖1所示。

圖1 模型及測(cè)壓管布置

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 閘門不同開(kāi)度與水位流量關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，考慮灌溉洞引水流量的大小，在不同的庫(kù)水位情況下，我們?cè)囼?yàn)了6種不同閘門開(kāi)度下的灌溉洞泄量曲線，流量庫(kù)水位關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 閘門不同開(kāi)度下流量庫(kù)水位關(guān)系

3.2 試驗(yàn)不同組合形式的確定

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，分別測(cè)試4種閘門開(kāi)度、不同庫(kù)水位及下泄流量下共7種工況的流速分布，并在灌溉洞控制部位安裝了測(cè)壓管，測(cè)讀了不同工況時(shí)的時(shí)均壓強(qiáng)值，具體工況組合如下：①工況一，閘門開(kāi)度0.06m，庫(kù)水位549.972m，下泄流量0.809m3/s；②工況二，閘門開(kāi)度0.06m，庫(kù)水位555.979m，下泄流量1.092m3/s；③工況三，閘門開(kāi)度0.08m，庫(kù)水位546.996m，下泄流量0.858m3/s；④工況四，閘門開(kāi)度0.08m，庫(kù)水位555.992m，下泄流量1.371m3/s；⑤工況五，閘門開(kāi)度0.08m，庫(kù)水位560.325m，下泄流量1.557m3/s；⑥工況六，閘門開(kāi)度0.12m，庫(kù)水位547.776m，下泄流量1.439m3/s；⑦工況七，閘門開(kāi)度0.26m，庫(kù)水位543.468m，下泄流量1.512m3/s。

3.3 灌溉洞控制部位壓力分布及氣穴數(shù)計(jì)算

為了判斷氣蝕發(fā)生的位置，首先應(yīng)先了解發(fā)生氣蝕的原因，研究氣穴是否會(huì)發(fā)生時(shí)，常采用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)作為衡量實(shí)際水流是否發(fā)生氣穴的指數(shù)，叫做氣穴數(shù)[9]，以K表示：

(1)

式中，p/γ—測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)水頭，m；pa/γ—測(cè)點(diǎn)大氣壓強(qiáng)水頭，曲亭水庫(kù)地處海拔500～600m，故其pa/γ=9.6m；pυ/γ—飽和蒸汽壓強(qiáng)水頭，夏季灌溉時(shí)估計(jì)水溫為20℃，故其pυ/γ=0.238m；υ—測(cè)點(diǎn)流速，m/s。

由式(1)可知：時(shí)均壓強(qiáng)水頭愈低，氣穴數(shù)愈小，發(fā)生氣穴的可能性就愈大。當(dāng)K降低至某一數(shù)值Ki時(shí)即開(kāi)始發(fā)生氣穴，這個(gè)氣穴數(shù)Ki為初生氣穴數(shù)。初生氣穴數(shù)的大小隨邊界條件而異。初生氣穴數(shù)Ki越大氣穴越容易發(fā)生，越小氣穴越難發(fā)生。當(dāng)K>Ki時(shí)，氣穴不發(fā)生；當(dāng)K≤Ki時(shí)，有氣穴發(fā)生。所以氣穴數(shù)可以作為是否出現(xiàn)氣穴的判別指標(biāo)[10- 11]。

7種工況下，灌溉洞關(guān)鍵部位所測(cè)流速及氣穴數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1—3。

表1 灌溉洞控制部位典型工況時(shí)均壓強(qiáng)及氣穴數(shù)值

表2 灌溉洞控制部位典型工況時(shí)均壓強(qiáng)及氣穴數(shù)值

表3 灌溉洞控制部位典型工況時(shí)均壓強(qiáng)及氣穴數(shù)值

3.4 灌溉洞控制部位氣蝕發(fā)生的判斷

由于灌溉洞在設(shè)計(jì)工況和運(yùn)行工況下閘門開(kāi)度均很小，閘后流速較大，而在高速水流區(qū)，往往因邊界條件設(shè)計(jì)不合理或施工質(zhì)量差等原因，在建筑物表面出現(xiàn)氣蝕破壞，威脅到建筑物的安全。

由氣穴數(shù)表達(dá)式可以看出，流速大小是K值大小的主要參數(shù)，流速水頭越大則K值越小，因0+012.11～0+021.50m之間底板中線流速比較大，故對(duì)樁號(hào)0+012.71、0+017.21、0+021.50m處底板中線氣穴數(shù)與該部位流速繪制了流速與氣穴數(shù)關(guān)系曲線圖，并進(jìn)行了曲線擬合，基本符合二次曲線關(guān)系(y為氣穴數(shù)，x為流速)，具體如圖3—5所示。

樁號(hào)0+012.71m處擬合方程：y=0.0434x2-1.2831x+10.39，相關(guān)系數(shù)：R2=0.9965。

樁號(hào)0+017.21m處擬合方程：y=0.13x2-2.9913x+18.614，相關(guān)系數(shù)：R2=0.9894。

樁號(hào)0+021.50m處擬合方程：y=2.0489x2-23.455x+73.613，相關(guān)系數(shù)：R2=0.9966。

圖3 樁號(hào)0+012.71m流速與氣穴數(shù)關(guān)系

圖4 樁號(hào)0+017.21m流速與氣穴數(shù)關(guān)系

圖5 樁號(hào)0+021.50m流速與氣穴數(shù)關(guān)系

按《水力學(xué)》書中表面不平整度要求需滿足l/Δ>2(l—斜坡長(zhǎng)，△—斜坡升高)及l(fā)/Δ>9(三角突起)時(shí)其初生氣穴數(shù)為0.8[6]，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出灌溉洞中水流氣穴數(shù)最小值為0.88，均大于初生氣穴數(shù)0.8。

4 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)所測(cè)出的6種不同閘門開(kāi)度下的灌溉洞泄量曲線，可供設(shè)計(jì)運(yùn)行管理部門在水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中參考使用。

(2)從氣穴數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，灌溉洞控制部位典型工況時(shí)的氣穴數(shù)，隨著流速的增大逐漸變小，兩者基本呈二次曲線的關(guān)系，從相關(guān)系數(shù)可以看出吻合程度較好；各部位測(cè)壓管所測(cè)壓力值均為正壓，在高流速區(qū)其氣穴數(shù)均大于0.8，只要施工時(shí)保持表面有一定平整度，即不會(huì)有氣蝕破壞出現(xiàn)。

(3)本文只針對(duì)特定工況下的氣蝕情況進(jìn)行了研究，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)流速比較連續(xù)的工況進(jìn)行更加系統(tǒng)的試驗(yàn)，所得結(jié)果可供同類研究借鑒參考。