简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】四川省紫坪铺开发有限责任公司

【课题编号】S0203632007

【课题起止时间】2007年5月～2009年2月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】吴一红、张  东、章晋雄、高建标、张文远、李长河、李咏梅、项亚萍

立项背景

紫坪铺水利枢纽于2006年12月24日～25日进行了冲沙放空洞的原型过流试验，过流试验期间库水位约865.35m，闸门开度由全开逐级减小至0.5开度，然后保持闸门0.5开度不变，连续运行近24小时。经现场检查发现工作闸门下游约7.5m处两侧均有空蚀痕迹，且左边墙比右边墙空蚀严重，左边墙空蚀坑最大深度近15cm。

为了分析冲沙放空洞在较高库水位865.35m泄流时工作闸门突扩突跌下游边墙发生空蚀破坏的原因，寻求解决其空化空蚀破坏问题的工程措施，四川省紫坪铺开发有限责任公司委托中国水利水电科学研究院进行紫坪铺水利枢纽冲沙放空洞边墙空蚀破坏反馈分析试验研究，通过系统的常压和减压水工模型试验反演模拟原型的泄洪状况，弄清突跌突扩掺气设施附近的水力特性和水流空化特性，全面分析突扩突跌下游两侧边墙发生局部空蚀破坏的诱因，同时针对设计竣工体型存在的问题，进一步研究与闸室出口水流条件相适应的体型，提出避免空化空蚀的工程措施，为冲沙放空洞的修复和运行调度提供技术支撑。

详细科学技术内容

按照紫坪铺工程冲沙放空洞的设计竣工体型建立了1：25的常压水工模型，根据原型试验的上游库水位和闸门开度进行全面的反演试验，观测水流流态、掺气空腔形态、通气系统运行状态、水流掺气效果，测量动水压强及水流近壁掺气浓度。借助1：30的减压模型，研究了该冲沙放空洞中闸室出口段的水流空化特性，分析论证冲沙放空洞闸门下游两侧边墙发生局部空蚀破坏的原因。然后，针对存在的问题进行体型优化研究，提出与中闸室出口水流条件相适应的掺气设施体型尺寸。主要研究内容及成果如下：

（1）库水位为865.35m，不同闸门开度下冲沙放空洞设计竣工体型突扩突跌掺气坎后的底空腔比较稳定，回水稀少。闸门全开时侧空腔长度约5.3m，但局部开启时侧空腔短（约1.0m），其后沿两侧边墙形成水翅。侧空腔后存在长达20余米的掺气盲区，实测近壁水流最小参气浓度0.1％，水流掺气效果差。

（2）掺气坎后水流冲击区压力升高，除掺气空腔外底板上没有出现负压，沿程压力分布正常。边墙扩散段压力降低形成较大的负压区，库水位865.35m，不同闸门开度泄洪时实测时均动水压力的最大负压值达－35.7kPa～－46.7kPa，压力分布表明扩散段水流有分离趋势，相应的最小水流空化数小仅0.1，这种水流条件下容易诱发空化水流；

（3）在弧门全开，汛限水位850.00m泄流时，弧门突扩下游边墙扩散起始段水流已开始发生空化；在原型反演水位865.35m泄流时，扩散起始段边墙附近水流噪声在高频段的最大声压级增量高达9.3dB，在相似真空度时其水流噪声能量急剧增大至背景噪声能量的6.48倍；正常蓄水位泄流时其水流噪声在高频段的最大声压级增量已超过10.0dB，其水流噪声相对能量E/E₀达8.5，随着库水位升高和流速增大，边墙扩散段水流空化越严重。

（4）冲沙放空洞中闸室出口两侧边墙发生空蚀破坏的主要原因是工作闸门出口下游设计体型不善引起水流分离使边墙局部压力陡然降低并发生空化水流；局部施工缺陷加剧了水流空化强度。而突扩突扩掺气坎后侧空腔较短，边墙附近水流掺气能力不足，不能对边墙提供有效的掺气减蚀保护，因此，最终导致冲沙放空洞在865.35m水位泄流时在扩散段边墙发生了较严重的空蚀破坏。

（5）经多种体型比较试验提出了取消中闸室出口下游的扩散段，增设梯形收缩式突扩掺气坎的推荐体型。该体型在不同泄流工况下弧门突扩突跌附近水流流态与设计竣工体型相近，突跌后底空腔较长，底部水流掺气充分，弧门突扩后侧空腔则较短。梯形收缩式突扩掺气坎后能形成第二道长而稳定的侧空腔，下游边墙附近水流掺气充分，掺气坎的梯形突扩方式能较好的抑制边墙水流交汇区产生的水翅的强度，弧门全开时水翅最大高度一般略低于边墙顶部，弧门局部开启时梯形收缩式突扩坎后侧空腔长度均达20m以上，边墙水翅强度大幅减轻，水流中部偶尔有强度较弱的零散激溅水股现象，下游洞内水流整体平稳。

（6）推荐体型突扩突跌掺气坎后边墙局部压力明显增大，除掺气空腔以外，其它部位没有出现负压。梯形收缩式突扩坎后掺气侧空腔内均在-4.0kPa以内，侧空腔末端边墙水流交汇区局部压力增大，弧门全开时，不同特征水位实测最大冲击压力在38.5kPa~94.1kPa之间，其下游边墙实测动水压力均为正值，边墙压力整体分布正常。工作弧门突跌坎后底板水流冲击区局部压力增大，下游非水流冲击区底板动水压力沿程变化平缓，分布比较均匀。

（7）在工作弧门全开、库水位低于设计水位以及不同特征水位弧门局部开启的泄流工况下，冲沙放空洞推荐体型的水流噪声在高频段声压级增量及相对噪声能量均小于非掺气水流发生初生空化的临界判别值，梯形收缩式突扩掺气坎附近水流没有发生空化。

（8）梯形收缩式突扩掺气坎后能够形成稳定而上下贯通的侧空腔，下游边墙水流掺气效果较佳，压力分布合理，减压试验结果表明掺气设施推荐体型整体水力特性和水流空化特性均较好，可以较好的解决设计竣工体型边墙扩散段引起水流分离而导致的水流空化问题。

（9）由于冲沙放空洞掺气设施推荐体型保持原闸室段突扩突跌体型不变，在闸室出口至梯形收缩式突扩掺气坎边墙段存在一定的清水区，该区域边墙水流掺气仍显不足，推荐体型梯形收缩式突扩坎采用向洞中心线收缩方式有效增大了该区域边墙的局部压力，能够避免该区域发生水流空化现象，但施工时仍需特别关注钢板衬砌段和梯形突扩掺气坎的边墙连接缝处理，同时严格按溢洪道设计规范控制施工的不平整度，并在高流速运行时加强安全检查。

发明及创新点

独创性地提出了一种在突扩突跌掺气坎后增设体型收缩式突扩掺气坎体型，妥善地解决了冲沙放空洞闸门出口高速水流由压力流转变为明流的衔接问题，并同时提高了水流的掺气效果，增强了对下游高速过流表面的掺气减蚀保护。采用这种梯形收缩式突扩掺气坎不仅水流掺气量大，而且可控制水舌先后出坎，形成上宽下窄的三维自由射流，从而有效地抑制了水翅的产生，大大地改善下游的水流流态。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

高水头的低位泄洪洞在压力隧洞向明流洞过渡为配合闸门止水设计一般采用突扩突跌掺气坎的衔接型式，现有运行经验表明这种掺气设施两侧边墙存在的清水带是容易发生空蚀破坏的敏感区域，如龙羊峡、吉林台及紫坪铺冲沙放空洞在运行过程中都出现了不同程度的空蚀破坏，特性是弧门局部开启时水流流态差，侧面水流掺气困难，属没有解决的技术难题。本项目提出在突扩突跌掺气坎后适当位置设置体型收缩式突扩掺气坎妥善地解决压力洞出口与明流泄洪洞的衔接问题，并可以满足闸门在不同开度运行的要求。

成果应用情况及社会经济效益

本项研究成果已经应用与紫坪铺水利枢纽冲沙放空洞的恢复改建，并经受了多次高水位泄洪的考验，证明该项技术较好地解决了闸室出口下游边墙的空化空蚀问题。紫坪铺水利枢纽位于都江堰上游，具有向成都市保证供水120m³/s的供水任务，即使在输送线路检修期间（约6～7天）也不能中断。倘若放空洞只能闸门全开运行，则下泄流量达340m³/s以上。采用本项研究成果可以允许放空洞闸门局部开启运行，因此，可以按照成都市需水量供水，仅依次检修期间节水发电的直接效益近1000万元。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

本项研究成果已经应用与紫坪铺水利枢纽冲沙放空洞的恢复改建，并经受了多次高水位泄洪的考验，证明该项技术较好地解决了闸室出口下游边墙的空化空蚀问题。可供同类水利水电工程建设参考采用。

梯形收缩式突扩掺气坎