水電站泄洪洞體型設計及免空蝕特性分析

姜伯樂 詹雙橋 王振華 王顯峰

摘 要：對國內部分泄洪洞工程體型布置型式和相關研究成果進行了分析，表明在泄洪洞內低佛氏數小底坡部位設置摻氣設施應慎重，應開展專項研究，以確保其能形成完整穩定的摻氣空腔，避免摻氣設施自身成為空化源。在不設置摻氣設施的條件下，通過嚴格控制工程的施工不平整度，可以使得水流流速在30 m/s左右條件下的溢流面減免空化。研究成果在涔天河水庫擴建工程2#泄洪洞的設計體型的比選中得到成功應用，可為其它類似工程的泄洪洞體型確定提供科學依據。

關鍵詞：泄洪洞；免空蝕；涔天河水庫；高速水流

中圖分類號：TV651? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

涔天河水庫擴建工程位于湘江支流瀟水上游，是瀟水流域開發的第一梯級。泄洪方式為兩條泄洪洞聯合泄洪，其中2#泄洪洞采用無壓溢洪洞形式，洞身底寬12.0 m，高12.5 m，全長760 m，縱坡坡度2%，前端接WES實用堰，堰頂高程301 m，表孔底寬18.0 m，高15.6 m，一扇18 m×15.6 m弧形工作閘門擋水，出口高程222.5 m，差動式挑流消能。校核洪水位下泄流量為2 878.4 m3/s。

為避免高速水流帶來的空化空蝕問題，泄洪洞初步設置8道摻氣坎，因泄洪洞底板坡度較緩，且泄流量大，摻氣坎設置難度大。若體型設置不合適，空腔回水會淹沒摻氣坎通氣孔，摻氣坎不但起不到摻氣效果，其自身也會成為空化源，導致泄洪洞出現空蝕破壞。因此，避免空腔回水是大流量小底坡泄洪洞摻氣設施面臨的重要難題[1]。

鑒于此，針對涔天河水庫擴建工程2#泄洪洞的設計體型，通過對已有工程泄洪洞體型布置及施工不平整度控制的資料調研，研究提出適宜的2#泄洪洞體型及摻氣減蝕布置型式，以及溢流面施工不平整度控制要求，并通過減壓模型試驗評價體型的抗空化安全能力，在設計條件許可范圍內進行局部體型優化，提出較優的泄洪洞體型，對易空蝕破壞范圍提出合理的工程防護措施，為設計優化及運行管理提供科學依據。

1 國內部分泄洪洞工程體型設計及研究成果分析

為判斷涔天河水庫擴建工程2#泄洪洞的設計體型的合理性，確定泄洪洞平直段設摻氣設施的適宜范圍，對國內的二灘水電站、白鶴灘水電站、東風水電站、構皮灘水電站以及長河壩水電站等工程的泄洪洞體型設計以及相關研究成果進行了統計分析。

（1）二灘水電站共設2條泄洪洞，平行布置在右岸，1#洞全長924.24 m，設置有5道摻氣坎；2#洞全長1 163 m。單洞最大泄洪流量3 800 m3/s，洞內水流流速超過40 m/s。

二灘水電站泄洪洞1998年開始投入使用。2001年汛后檢查發現，1#泄洪洞龍抬頭反弧末端的2＃摻氣坎以下長度約400 m范圍內發生空蝕破壞，底板及側墻混凝土襯砌產生嚴重損壞，邊墻幾乎全部被破壞，基巖外露；底板混凝土全部被剝離，基巖外漏?，F場調查發現：反弧末端2#摻氣坎的側壁通氣孔頂緣高出摻氣挑坎末端約55 cm，致使挑流水舌在通氣孔處局部脫壁，水流沖擊通氣孔下游側壁，通氣孔自身成為空化源[2]。這說明摻氣體型設置不當或施工出現差錯，可能導致摻氣坎自身成為空化源，引發空蝕破壞，危及工程的運行安全。

（2）白鶴灘水電站共布置3條泄洪洞，位于左岸，順直布置。泄洪洞由進口閘門段、上平段、龍落尾段和挑流鼻坎組成。龍落尾段設3道摻氣設施。3條洞長度分別為2 317.0、2 258.5、2 170.0 m。單洞最大流量達4 000 m3/s以上，最大落差達180 m。

3條泄洪洞的上平段長度接近1 900 m，水流流速接近30 m/s。因底坡緩（2%），設置摻氣設施有較大難度。上平段摻氣試驗研究發現[3]，在各級庫水位下，上平段設置的多個摻氣坎均難以形成穩定的摻氣底空腔，通氣孔被回水完全封堵，起不到摻氣作用，摻氣坎本身反而可能成為導致泄洪洞產生空蝕破壞的空化源。最終上平段沒有布置摻氣設施。

（3）東風水電站在左岸布置1條開敞式無壓泄洪洞，泄洪洞洞身全長466.5 m，底坡6.55%，未設摻氣設施，校核洪水位下挑坎附近流速為32 m/s，最大泄量為3 560 m3/s。工程運行時底板發生了較嚴重的空蝕破壞。

（4）構皮灘泄洪洞采用低進水口型式。明流段包括工作閘門室、城門洞段和泄槽段。工作閘門區底板設置跌坎，跌坎高度為1.5 m。城門洞段和泄槽段底板坡度均為0.206 3，長度分別為148、91.28 m。泄洪洞明流段出口采用橫向擴散斜切貼角異型鼻坎。泄洪洞設計運行作用水頭高達90 m以上，在設計及校核洪水位下的泄量分別為2 952 m3/s、3 060 m3/s，明流段水流最大流速超過40 m/s。經過試驗優化，上述體型的摻氣設施在各種水位條件下，都可形成完整的空腔，摻氣減蝕效果較好。

（5）長河壩水電站泄水建筑物由1條深孔泄洪洞（1#泄洪洞）和2條表孔泄洪洞（2#、3#泄洪洞）組成，3條泄洪洞下泄校核洪水時洪水峰值流量10 400 m3/s。

1#泄洪洞由岸塔式短有壓進口段、無壓隧洞段和出口挑流鼻坎段組成。隧洞為陡坡隧洞，縱坡坡度為0.102 79，最大泄量為3 692 m3/s。泄洪洞每200 m設置一個摻氣槽，共設置6道。

2#、3#泄洪洞由開敞塔式進口段、無壓隧洞段和出口挑流鼻坎段組成。隧洞縱坡坡度為0.105 52，最大泄量為3 138 m3/s。泄洪洞每200 m設置一個摻氣槽，共設置6道。

長江科學院開展了比尺1：30的單體模型試驗，試驗成果表明：在下泄大流量時，三條泄洪洞1#、2#摻氣坎都不易形成空腔，空腔回水嚴重，封堵通氣孔。通過試驗多方案優化比較，將1#、2#摻氣坎后的底板變成圓弧連接，可以解決空腔回水問題。

以上泄洪洞的工程實際應用和模型試驗研究表明，低佛氏數小底坡泄洪洞設置摻氣設施應特別注意，必須開展大比尺專項模型試驗研究，確保能形成完整穩定的摻氣空腔。若摻氣設施設置不當，其自身可能成為空化源，使工程產生空蝕破壞，影響工程的安全運行。

2 高流速溢流面施工不平整度控制標準

相同的過流流速，施工不平整度大的溢流面可能產生空蝕破壞，而施工不平整度小的溢流面則不會產生空蝕破壞。為此，分析了類似工程溢流面施工不平整度的控制標準，根據水流流速大小及相關工程經驗，提出涔天河水庫擴建工程2#泄洪洞施工不平整度控制要求。

2.1 白鶴灘水電站泄洪洞上平段施工不平整度控制

白鶴灘水電站設三條泄洪洞，短有壓進口后接總長度接近1 900 m的上平段，水流流速接近30 m/s。該段范圍內未設摻氣設施。

為評價在不同不平整度情況下該段體型發生空化空蝕的可能性，四川大學進行過相關減壓模型試驗研究，試驗共布置條形凸體、圓柱形凸體、圓柱形凹坑、方形凹坑和凹槽五種型式突體，其中條形凸體垂直水流方向長為20 cm、寬為1 cm，圓柱形凸體及凹坑直徑皆為1 cm，方形凹坑邊長1 cm，凹槽垂直水流方向長為20 cm、寬為1 cm。每種突體共分1、2、3、4、5 mm五種高度（深度）。

試驗結果表明：條形凸體及圓柱形凸體的初生空化數隨突體高度的增加而增加，但圓柱形凹坑的初生空化數則隨突體深度的增加而減小。

在相同的流速條件下，條形凸體為最易空化體型，其次為圓柱形凸體及凹坑，方形凹坑及凹槽最不容易空化。在工程施工中，施工錯臺、殘留鋼筋頭類似于條形凸體及圓柱形凸體，會形成空化源，因此這些突體應極力避免。

結合上述試驗成果，對于流速30 m/s左右的泄洪洞，設計采用的不平整度設計原則為：不允許出現類似條形突體的垂直升坎等施工錯臺；殘留灌漿孔洞、殘留鋼筋頭、模板定位銷孔等處的不平整度應控制在10 mm以內，并打磨成一定坡度。

2.2 東風水電站泄洪洞施工不平整度控制

東風水電站泄洪洞未設置摻氣設施。為驗證施工不平整度對泄水建筑物發生空蝕破壞的潛在影響，在泄洪前對泄洪洞溢流面的施工質量進行了全面檢查，發現泄洪洞側墻及頂拱混凝土的施工不平整度控制較好，而底板混凝土的施工不平整度控制較差，雖然對不平整度較大的部位進行了修補處理，但洞身底板中部仍有極少量橫向施工縫錯臺嚴重。

泄洪后，重新對泄洪洞過流面進行了檢查，發現泄洪洞邊墻未產生破壞，但底板橫向施工縫后出現了空蝕破壞區，呈小坑狀。

相關模型試驗成果表明上述出現破壞的區域均不存在負壓區，空蝕破壞的主要原因是底板施工不平整度較大，高速水流經過橫向施工縫時發生空化，導致其后的底板區域產生空蝕破壞。

同樣的過流流速，底板部位施工不平整度控制較差，局部產生了空蝕破壞；邊墻部位施工不平整度控制較好，沒有產生空蝕破壞。因此對于流速為32 m/s的泄洪洞，若施工不平整度控制好，不設置摻氣設施，溢流面也可能不發生空蝕破壞[4]。

2.3 小灣水電站泄洪洞施工不平整度控制

小灣水電站泄洪洞洞身為“龍抬頭”布置。泄洪洞設計洪水位、校核洪水位下泄洪流量分別為3 535、3 811 m3/s，泄洪洞內最大流速達45 m/s。

鑒于小灣泄洪洞內水流流速大，設計選擇了高強度抗沖耐磨混凝土材料對其進行保護，并要求嚴格控制過流面的施工平整度，從兩個方面減小高速水流可能產生的空化空蝕對泄洪洞運行安全的影響。

小灣水電站泄洪洞施工不平整控制標準為：過流面上不允許有直接的升坎或跌坎（底板摻氣跌坎除外），溢流面局部不平整度控制在3 mm以下，縱向坡度控制在1∶20以下，橫向坡度控制在1∶10以下[5]。

2.4 其他工程施工不平整度控制

劉家峽及龍羊峽水電站對于溢流面的局部不平整度施工控制標準[5-7]分別見表1、表2。

因相關水利工程發生過幾次嚴重空蝕破壞事故，美國對過流面的施工不平整度要求較為嚴格。垂直水流方向不允許出現大于3.2 mm的凸坎或錯臺，平行水流方向不允許出現大于6.3 mm的錯臺。如遇超過上述標準的錯臺，則根據流速大小進行磨坡處理（見表3）。波德壩泄洪洞反弧段的修復和俄馬壩泄洪洞反弧段均是按上述要求施工。經過多年的泄水運用，工程未發生空蝕破壞。

從上述的各種控制標準來看，有些要求過高，可能給施工控制帶來困難。工程實際中應綜合考慮水流空化數的大小、體型的合理程度、可能的最長連續過流時間、壁面材料的抗空蝕性能等因素。當水流流速大于30 m/s時，對過流面反弧末端、與之連接的下游水平段、變坡段以及邊界突變部位，可參照上述標準適當從嚴要求。當水流流速大于40 m/s時，過流壁面的各個部位施工不平整度應按高標準進行要求。

3 涔天河2#泄洪洞體型修改建議及免空蝕特性分析

體型合理是保證泄水建筑物不發生空蝕破壞的前提。針對設計提供的涔天河擴建工程2#泄洪洞體型，結合已有工程相關成果的分析，提出以下體型修改建議。

（1）因摻氣槽位于平面收縮段，建議取消原設計體型在WES曲線后1∶1斜坡段設置的1道摻氣槽。

（2）建議取消原導流洞緩坡段沿程的6道摻氣設施，但需嚴格控制施工不平整度。施工不平整度控制要求應滿足以下原則：不允許出現類似條形突體的垂直升坎等施工錯臺；殘留灌漿孔洞、殘留鋼筋頭、模板定位銷孔等的不平整度應控制在3 mm以內，并且沒有明顯凸起（縱向坡度控制在1∶40，橫向坡度控制在1∶30）。另外，溢流面宜采用高強度抗沖耐磨混凝土進行施工。

（3）反弧末端設置1道摻氣設施。具體的布置型式，通過模型試驗確定。

因涔天河2#泄洪洞最大水頭不超過100 m，反弧末端最大平均流速不超過35 m/s，根據對調研成果的初步分析，認為在施工不平整度控制較好的情況下，涔天河2#泄洪洞即使不設置摻氣設施，也可能不會發生空蝕破壞。

4 模型試驗驗證

針對涔天河擴建工程2#泄洪洞的優化建議體型（見圖1），開展減壓模型試驗。模型按重力相似準則設計，長度比尺Lr為40。采用有機玻璃制作，模擬溢流表孔及部分明流洞，模擬原型長度295.35 m。

模型試驗按反弧末端不設摻氣坎和設置摻氣坎兩種方案進行，試驗結果如下。

（1）不設摻氣坎。低于設計洪水位運行時，泄洪洞各個易空化部位都未產生空化；校核洪水位運行時，堰頂前部區域發生初生階段的空化，但該量級的空化不會產生空蝕破壞；設計洪水位及校核水位運行時，洞身反弧段終點（緩坡段起點）區域也發生了初生階段的空化，但該量級的空化也不會對建筑物過流面產生空蝕破壞。說明即使不設置摻氣設施，在控制好施工不平整度的情況下，涔天河2#泄洪洞也不會發生空蝕破壞。

（2）設摻氣坎。在不設摻氣坎方案下，測試了泄洪洞的泄流能力、水面線、時均壓力分布等成果，通過計算分析可知，洞身反弧段終點（緩坡段起點）流速為35.08 m/s，其后緩坡段水流空化數σ小于0.3。根據規范要求，該處宜設置摻氣設施。

試驗比較了V型摻氣坎和跌坎式摻氣坎，以及不同坎高及通氣孔型式對摻氣效果的影響。結果表明：V型摻氣坎對水面的擾動要大于跌坎式摻氣坎，且形成的空腔穩定性差、貫通性差，因此選擇采用跌坎式摻氣坎。

經過試驗比較，最終通過增大跌坎高度及緩坡段的貼坡高度，并適當加大斜坡坡度，抬高通氣孔布置位置，使通氣孔底板高于貼坡頂，順利解決了通氣孔被回水淹沒的問題。

混合式摻氣坎體型見圖2。各級庫水位下，跌坎后均能形成穩定且尺度較大的空腔，空腔回水未淹沒通氣孔；摻氣坎后水流底部摻氣效果較好，可明顯觀察到水流底部的霧狀摻氣帶可延伸至摻氣坎下水流沖擊落區后約100 m以上范圍。

模型試驗成果驗證了體型修改建議的合理性，可將原設計設置的8道摻氣坎優化為布置1道摻氣坎，并通過采用高強度抗沖耐磨混凝土保護，以及嚴格控制施工不平整度，使2#泄洪洞免空蝕破壞，確保工程的運行安全。

5 結 論

（1）對國內部分泄洪洞工程體型布置型式和相關研究成果的分析表明：在泄洪洞低佛氏數小底坡上設置摻氣設施應慎重，應開展專項研究，以確保其能形成完整穩定的摻氣空腔，避免摻氣設施自身成為空化源；不設置摻氣設施，若控制好工程的施工不平整度，也可以使得水流流速在30 m/s左右的溢流面減免空化。

（2）提出了涔天河水庫擴建工程2#泄洪洞體型及摻氣設施布置型式，并通過減壓模型試驗進行了驗證。不設摻氣坎，宣泄校核洪水時，泄洪洞進口段堰頂前部及反弧段終點（緩坡段起點）有初生階段空化發生，但該量級的空化強度不會使過流面產生空蝕破壞。因進口反弧段末端水流流速大于35 m/s，且其后緩坡段水流空化數小于0.3，為確保工程安全，在該處設置了摻氣坎對緩坡段進行保護。

（3）經試驗確定的混合式摻氣坎型式，可使坎后形成穩定的輸氣空腔、洞身底板產生近100 m長摻氣水流保護帶，摻氣效果較好。

參考文獻：

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Design and Cavitation-free Characterization of Spillway Tunnel Type：A Case Study on Centian River Reservoir Expansion Project

JIANG Bole1，ZHAN Shuangqiao2，WANG Zhenhua3，WANG Xianfeng3

（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Hunan Water Resources and Hydropower Survey，Design，Planning and Research Co.，Ltd.，Changsha 41007，China；3.Hunan Centianhe Construction Investment Co.，Ltd，Yongzhou 425500，China）

Abstract：Based on analysis of spillway layouts in China and related research findings，we found that careful considerations should be given to the setting of aeration facilities at areas with low Froude numbers and gentle slopes in tunnel spillway. A special study should be conducted to ensure a complete and stable air-entrained cavity，thereby preventing the aeration facility from becoming a source of cavitation. Moreover，we have discovered that by strictly controlling the construction evenness，cavitation can be minimized at the overflow surface with no need for aeration facilities，particularly when water flow velocities reach around 30 m/s. Such findings have been successfully applied in the scale design of the 2# spillway of Centian River Reservoir Expansion Project，and also provide a scientific reference for determining the appropriate spillway type in similar projects.

Key words：tunnel spillway；anti-cavitation；Centian River Reservoir；high-speed flow

收稿日期：2023-05-15

基金項目：國家自然科學基金項目（51879013）

作者簡介：姜伯樂，男，正高級工程師，碩士，研究方向為水工水力學。E-mail：jiangbl@mail.crsri.cn