水利水电技术

WATER RESOURCES AND HYDROPOWER ENGINEERING

2000　Vol.31　No.1 P.52-54 

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小浪底水利枢纽孔板泄洪消能研究

林秀山　沈凤生

摘　要：黄河小浪底水利枢纽在世界上首次大规模采用多级孔板消能(Multi-Orifices Energy Dissipation)技术，把3条大直径导流洞改建为永久泄洪洞。在小浪底多级孔板消能泄洪洞的设计中，对消能室内的流态、流速和压力变化规律进行了试验，对孔板消能水头损失系数及其影响因素，以及孔板消能室空化问题进行了研究，并在碧口水电站直径4.4 m的排沙洞进行了小浪底孔板洞中间试验。上述试验结果均表明，孔板消能效果显著、消能率高、消煞的能量大多数转化为热能被水流带走，并因孔板消能大大降低了洞内断面的平均流速，可减轻高含沙水流对衬砌边壁的磨损。

关键词：小浪底水利枢纽　孔板泄洪消能　试验研究

1　小浪底多级孔板消能泄洪洞的设计

　　小浪底3条导流洞全长各约1 100 m，＃1导流洞进口高程为132.00 m，＃2和＃3均为141.50 m，圆形断面洞径14.5 m。导流洞改建为孔板消能泄洪洞(简称孔板洞)的典型布置如图1所示，其改建设计要点如下：(1)将进口抬高至175.00 m，并在175.00 m平台设进水塔(Intake Tower)，通过一个龙抬头段与导流洞连接，在进水塔内设检修门和事故门；(2)在龙抬头段后的原导流洞内按3倍洞径43.5 m的长度间隔设3级孔板；(3)第三级孔板后，43.5 m的直线段与长22 m渐变段相接，直径14.5 m的圆形断面渐变成中间工作闸门室前的双孔矩形断面，在中闸室内安装双孔偏心铰(Eccentric Trinnion)弧形工作门，＃1弧门尺寸为4.8 m×5.4 m，＃2和＃3均为4.8 m×4.8 m；(4)在工作弧形闸门后，设底空腔和侧空腔掺气，经长71 m的渐变段将双孔断面渐变成导流洞圆形断面；(5)中闸室后采用抗压强度为70 MPa的硅粉混凝土抗高速含沙水流磨蚀。

图1　小浪底孔板消能泄洪洞纵剖面布置示意

　　按照这样的设计，在275 m水位时消煞水头近70 m。改建后的小浪底孔板泄洪洞在中闸室前为压力段，平均洞内流速10 m/s，孔缘流速约20 m/s；中闸室后为明流，出弧门孔口的最大流速为35 m/s，水流呈现雍水流态，流速逐渐降低。设计＃1孔板洞最大泄流能力1 727 m3/s，＃2和＃3孔板洞泄流能力均为1 549 m3/s。

2　孔板消能的设计构想

　　鉴于黄河特殊的工程泥沙问题，小浪底工程要求以具有深式进水口的隧洞群为主泄洪。导流洞高程很低，泄洪落差达130～140 m，如仅抬高进口改为明流泄洪洞，流速达45～48 m/s，远远超出工程实践所允许的范围，必须采取消能措施。泄洪设施一般在下游出口处采用挑流、底流、面流或混合流等方式消能，以解决下泄水流的衔接及对河床的冲刷等问题；也有工程采用在进口处消能的方式。但由于在小浪底工程中，适合布置洞群的左岸山体单薄且受断层切割，所以导流洞的重复利用及相应高速水流的处理成为设计的关键技术难题。

　　经多种方案比较，黄河水利委员会勘测设计研究院与美国BECHTEL公司进行小浪底工程联合轮廓设计时，提出采用洞内消能的设想。即在灌浆帷幕上游压力段内安装多级孔板环，利用孔口多次突缩和突扩，形成逐级消能，以达到降低洞内流速和压力的目的，使隧洞内流速控制在常规范围内。

3　孔板消能泄洪洞试验研究

3.1　孔板消能机理

　　当水流流经设在压力洞内的孔板时，水流会在孔板的上、下游侧产生环状的收缩水流，在收缩水流和隧洞壁之间形成封闭的环状旋涡区。旋涡区内的强烈紊动、掺混和水流内部的剪切作用能够消煞水流能量(见图2)，孔口收缩越小，旋涡区越大，能量消煞越多。

图2　环状旋涡

3.2　消能室内的流态、流速和压力变化规律

　　当流体流经孔板时，挤压收缩，在孔缘后射流继续收缩，形成最小收缩断面，而后射流开始扩散，直至流体扩展到隧洞的全断面，这个全断面的位置随孔板洞的泄量变化和孔板孔径比(孔板孔口直径与隧洞直径之比)的变化而变化。在孔板下游一定范围内，射流圆柱体与隧洞周壁间构成封闭的环状旋涡区，所以孔板消能产生的高速水流是在水流体的内部，不与边壁发生直接接触，避免了高含沙水流对流道衬砌的磨蚀。图3和图4示出小浪底孔板洞试验研究中孔板孔径比取0.69情况下的沿程断面流速分布及不同库水位时孔板消能洞身段压力变化规律，表明经过消能室后流速和压力都明显减小，消能效果显著。

图3　消能室流态及流速分布(单位：m/s)

图4　压力段沿程压坡线(单位：m)

3.3　孔板消能水头损失系数K及影响因素

　　孔板消能水头损失系数K可用流经孔板损失的水头ΔH与相应孔口处的流速水头的比值来表示，即

　　根据上式可计算出不同水流条件下水流流经孔板的水头损失系数K。小浪底工程选用不同孔板孔径比的试验中，水流条件与水流流经孔板引起水头损失系数K的关系如图5所示，水流条件用雷诺数Re表示，图5中示出当雷诺数大于106后，水流达到充分紊流，水头损失系数K不受雷诺数影响。图5也证实了孔板孔径比越小，环状旋涡区的长度越长，K越大。

　　在小浪底工程中，因孔板消能泄洪洞的压力段长度受工程地质、岩体覆盖厚度、防渗帷幕线位置，以及泄水建筑物总体布置的控制，导流洞改建后平直的压力段长度仅为135～146 m。由于孔板塔后龙抬头连接段特别是斜直段太短，流态不稳，无法在斜井段布置孔板，则在平直段内设置孔板，合理的孔板间距，即合理的孔径比和孔板级数成为孔板消能的关键问题。大量试验表明，在小浪底工程中，孔板洞孔板孔径比约为0.69，孔板间距L与洞径D之比(L/D)大于3时，水流压力恢复稳定、水头损失系数变化很小。因此小浪底工程孔板洞孔板间距取3倍洞径，即43.5 m，同时根据平直段长度取三级孔板方案。

图5　不同孔径比条件下水流损失系数与雷诺数之间的关系

3.4　孔板消能室空化(Cavitation)问题的研究

　　在压力泄洪洞内设置孔板后可以有效地消煞能量，但水流流经体型突变的孔板时发生水流分离，孔板后压力突然降低，极易发生空化，并引起空蚀破坏。按规范要求，小浪底孔板洞必须保证无空化设计、保证各级孔板的水流空化数(flow cavitation number)大于消失空化数(desinent cavitaion number)。试验研究表明，按相同孔径比及体型设置多级孔板时，末级孔板首先发生空化，水流空化数随库水位的升高而减小，而初生空化数则随库水位的升高而增大。孔板的体型、工作门孔的收缩面积尺度效应、水流掺气等对孔板空化都非常敏感，在研究中尚缺乏统一的空化判别标准。经多年减压箱孔板水力学试验，确定三级孔板的孔径比依次为0.6、0.723和0.723，孔板孔缘半径依次为0.02 m、0.2 m和0.3 m，并在＃2和＃3孔板的上游根部设1.2 m×1.2 m的等腰直角三角形截面的环形贴角，消除涡流。根据不同研究部门试验研究成果，认为孔板工作门面积控制为46 m2和52 m2时可满足孔板压力洞内无空化要求。设计决策＃1孔洞孔口面积为2个4.8 m×5.4 m，＃2和＃3孔板洞孔口面积为2个4.8 m×4.8 m，以期在实际运行中进行对比，提高对孔板空化问题的认识。孔板洞的空化问题也包括闸室下游闸孔射流产生的空化，为此，也进行了相应的研究，并采取设置底空腔和侧空腔掺气和选用抗空蚀防护材料来解决。

3.5　紊流脉动压力

　　经大量试验和分析论证，由于孔板泄洪产生的大尺度脉动压力的能量集中在小于1 HZ的低频率段，无突出的低频率共振峰，故不会产生共振或较大的动力效应。

3.6　孔板泄洪洞在清浑水情况下的消能效果

　　孔板消能的研究，开始都是在清水条件下进行的，为了验证在不同含沙水流条件下孔板消能的特性，开展了模型比尺为1∶60、1∶78.4、1∶100及含沙量为100～545 kg/m3的孔板消能试验。试验结果表明，雷诺数相同时，清浑水水头损失系数相同；水流达到充分紊流后，消能系数K值是常数，清浑水是一致的。由于在同样水位条件下流经孔板的浑水的绝对压差比清水大，故浑水的消能系数比清水稍大。

4　碧口中间试验

　　经试验分析论证，孔板消能可大大降低洞内断面的平均流速，减轻浑水对衬砌边壁的磨损，但采用这种技术在世界尚属首例，缺乏实践经验，也缺乏模型和原型之间可靠的对应关系。因此，利用四川白龙江碧口水电站直径4.4 m的排沙洞进行了小浪底孔板洞的中间试验。在进行碧口中间试验前，预先开展了比尺1∶28.57和1∶18.35的碧口排沙洞增建孔板的水工模型试验，并对碧口排沙洞增建孔板试验段进行脉动荷载模型试验研究，及水流脉动压力对孔板、衬砌及围岩影响的研究。

　　在碧口水电站排沙洞内套衬30 cm混凝土后设置与小浪底工程相同的孔径比和孔板间距的孔板两个，为控制中间试验的流量，在原工作门闸室上游设一收缩段。在碧口排沙洞内的中间试验共放水两次，约10 h，试验水头61 m，最大含沙量593 kg/m3。经过两次放水试验证实：实测的消能系数与模型试验仅相差2%左右，并在原型试验中证实浑水的消能效果比清水更为显著；通过闸孔收缩，提高了水流的空化数，可控制空化的发生。孔板消能时，孔板及洞壁各点的振动加速度约在100×10-6～400×10-6 g之间，振动加速度平均为20～30 μm/s2，实测结构的振动很小，没有明显的优势频率，也没有共振峰，不会激发结构或山体的共振。由此也验证了小浪底工程孔板洞运用时不会激发山体共振的研究结论。

　　孔板的孔缘是消能的关键部分，中间试验采用高铝陶瓷保护孔缘，以确保孔板在高速水流作用下不易被磨损的破坏。在一次放水试验时，由于进口检修门上固定压重块的槽钢脱落，长4 m，宽0.1 m的槽钢，通过消能孔板，使第一级和第二级孔板边缘各撞击出深10 mm、宽50 mm的小缺口，采用环氧修补后可正常使用。据此小浪底孔缘材料设计为具有抗磨损、抗撞击能力更高的高铬铸铁，并可随时更换。

　　通过碧口中间试验，不仅获得了利用孔板消能的实践经验，而且其原型观测成果对其室内试验研究成果的成功验证，说明小浪底孔板泄洪洞室内研究的成果是可信的。

　　自1985年小浪底水利枢纽中美联合轮廓设计阶段提出多级孔板消能泄洪洞方案以来，开展了大量的水力学和结构方面的模型试验和计算分析论证，均表明孔板消能效果显著、消能率高、消煞的能量大多数转化为热能被水带走，并因孔板消能大大降低洞内断面的平均流速，可减轻高含沙水流对衬砌边壁的磨损。碧口中间试验原型观测成果与其模型试验和理论计算成果对比获得成功，证明了小浪底水利枢纽孔板泄洪洞设计中所用理论、研究手段和计算方法的可靠性及小浪底在泄洪洞内设置多级孔板进行泄洪消能的技术的可行性。这些试验和研究为导流洞改建成孔板泄洪洞提供了有力的依据。小浪底导流洞改建为永久孔板泄洪洞将为具有高水头、高流速和高含沙水流的泄洪建筑物的消能方式开创一条新途径。■

作者简介：林秀山，男，教授级高级工程师，副院长。

　　　　　沈凤生，男，教授级高级工程师，副院长。

作者单位：林秀山(水利部黄河水利委员会勘测设计研究院，郑州市，450003)

　　　　　沈凤生(水利部黄河水利委员会勘测设计研究院，郑州市，450003)

收稿日期：1999-10-19

责任编辑　陈小敏