水电站泄洪洞体型设计及免空蚀特性分析

姜伯乐 詹双桥 王振华 王显峰

摘 要：对国内部分泄洪洞工程体型布置型式和相关研究成果进行了分析，表明在泄洪洞内低佛氏数小底坡部位设置掺气设施应慎重，应开展专项研究，以确保其能形成完整稳定的掺气空腔，避免掺气设施自身成为空化源。在不设置掺气设施的条件下，通过严格控制工程的施工不平整度，可以使得水流流速在30 m/s左右条件下的溢流面减免空化。研究成果在涔天河水库扩建工程2#泄洪洞的设计体型的比选中得到成功应用，可为其它类似工程的泄洪洞体型确定提供科学依据。

关键词：泄洪洞；免空蚀；涔天河水库；高速水流

中图分类号：TV651                                            文献标志码：A

0 引 言

涔天河水库扩建工程位于湘江支流潇水上游，是潇水流域开发的第一梯级。泄洪方式为两条泄洪洞联合泄洪，其中2#泄洪洞采用无压溢洪洞形式，洞身底宽12.0 m，高12.5 m，全长760 m，纵坡坡度2%，前端接WES实用堰，堰顶高程301 m，表孔底宽18.0 m，高15.6 m，一扇18 m×15.6 m弧形工作闸门挡水，出口高程222.5 m，差动式挑流消能。校核洪水位下泄流量為2 878.4 m3/s。

为避免高速水流带来的空化空蚀问题，泄洪洞初步设置8道掺气坎，因泄洪洞底板坡度较缓，且泄流量大，掺气坎设置难度大。若体型设置不合适，空腔回水会淹没掺气坎通气孔，掺气坎不但起不到掺气效果，其自身也会成为空化源，导致泄洪洞出现空蚀破坏。因此，避免空腔回水是大流量小底坡泄洪洞掺气设施面临的重要难题[1]。

鉴于此，针对涔天河水库扩建工程2#泄洪洞的设计体型，通过对已有工程泄洪洞体型布置及施工不平整度控制的资料调研，研究提出适宜的2#泄洪洞体型及掺气减蚀布置型式，以及溢流面施工不平整度控制要求，并通过减压模型试验评价体型的抗空化安全能力，在设计条件许可范围内进行局部体型优化，提出较优的泄洪洞体型，对易空蚀破坏范围提出合理的工程防护措施，为设计优化及运行管理提供科学依据。

1 国内部分泄洪洞工程体型设计及研究成果分析

为判断涔天河水库扩建工程2#泄洪洞的设计体型的合理性，确定泄洪洞平直段设掺气设施的适宜范围，对国内的二滩水电站、白鹤滩水电站、东风水电站、构皮滩水电站以及长河坝水电站等工程的泄洪洞体型设计以及相关研究成果进行了统计分析。

（1）二滩水电站共设2条泄洪洞，平行布置在右岸，1#洞全长924.24 m，设置有5道掺气坎；2#洞全长1 163 m。单洞最大泄洪流量3 800 m3/s，洞内水流流速超过40 m/s。

二滩水电站泄洪洞1998年开始投入使用。2001年汛后检查发现，1#泄洪洞龙抬头反弧末端的2＃掺气坎以下长度约400 m范围内发生空蚀破坏，底板及侧墙混凝土衬砌产生严重损坏，边墙几乎全部被破坏，基岩外露；底板混凝土全部被剥离，基岩外漏。现场调查发现：反弧末端2#掺气坎的侧壁通气孔顶缘高出掺气挑坎末端约55 cm，致使挑流水舌在通气孔处局部脱壁，水流冲击通气孔下游侧壁，通气孔自身成为空化源[2]。这说明掺气体型设置不当或施工出现差错，可能导致掺气坎自身成为空化源，引发空蚀破坏，危及工程的运行安全。

（2）白鹤滩水电站共布置3条泄洪洞，位于左岸，顺直布置。泄洪洞由进口闸门段、上平段、龙落尾段和挑流鼻坎组成。龙落尾段设3道掺气设施。3条洞长度分别为2 317.0、2 258.5、2 170.0 m。单洞最大流量达4 000 m3/s以上，最大落差达180 m。

3条泄洪洞的上平段长度接近1 900 m，水流流速接近30 m/s。因底坡缓（2%），设置掺气设施有较大难度。上平段掺气试验研究发现[3]，在各级库水位下，上平段设置的多个掺气坎均难以形成稳定的掺气底空腔，通气孔被回水完全封堵，起不到掺气作用，掺气坎本身反而可能成为导致泄洪洞产生空蚀破坏的空化源。最终上平段没有布置掺气设施。

（3）东风水电站在左岸布置1条开敞式无压泄洪洞，泄洪洞洞身全长466.5 m，底坡6.55%，未设掺气设施，校核洪水位下挑坎附近流速为32 m/s，最大泄量为3 560 m3/s。工程运行时底板发生了较严重的空蚀破坏。

（4）构皮滩泄洪洞采用低进水口型式。明流段包括工作闸门室、城门洞段和泄槽段。工作闸门区底板设置跌坎，跌坎高度为1.5 m。城门洞段和泄槽段底板坡度均为0.206 3，长度分别为148、91.28 m。泄洪洞明流段出口采用横向扩散斜切贴角异型鼻坎。泄洪洞设计运行作用水头高达90 m以上，在设计及校核洪水位下的泄量分别为2 952 m3/s、3 060 m3/s，明流段水流最大流速超过40 m/s。经过试验优化，上述体型的掺气设施在各种水位条件下，都可形成完整的空腔，掺气减蚀效果较好。

（5）长河坝水电站泄水建筑物由1条深孔泄洪洞（1#泄洪洞）和2条表孔泄洪洞（2#、3#泄洪洞）组成，3条泄洪洞下泄校核洪水时洪水峰值流量10 400 m3/s。

1#泄洪洞由岸塔式短有压进口段、无压隧洞段和出口挑流鼻坎段组成。隧洞为陡坡隧洞，纵坡坡度为0.102 79，最大泄量为3 692 m3/s。泄洪洞每200 m设置一个掺气槽，共设置6道。

2#、3#泄洪洞由开敞塔式进口段、无压隧洞段和出口挑流鼻坎段组成。隧洞纵坡坡度为0.105 52，最大泄量为3 138 m3/s。泄洪洞每200 m设置一个掺气槽，共设置6道。

长江科学院开展了比尺1：30的单体模型试验，试验成果表明：在下泄大流量时，三条泄洪洞1#、2#掺气坎都不易形成空腔，空腔回水严重，封堵通气孔。通过试验多方案优化比较，将1#、2#掺气坎后的底板变成圆弧连接，可以解决空腔回水问题。

以上泄洪洞的工程实际应用和模型试验研究表明，低佛氏数小底坡泄洪洞设置掺气设施应特别注意，必须开展大比尺专项模型试验研究，确保能形成完整稳定的掺气空腔。若掺气设施设置不当，其自身可能成为空化源，使工程产生空蚀破坏，影响工程的安全运行。

2 高流速溢流面施工不平整度控制标准

相同的过流流速，施工不平整度大的溢流面可能产生空蚀破坏，而施工不平整度小的溢流面则不会产生空蚀破坏。为此，分析了类似工程溢流面施工不平整度的控制标准，根据水流流速大小及相关工程经验，提出涔天河水库扩建工程2#泄洪洞施工不平整度控制要求。

2.1 白鹤滩水电站泄洪洞上平段施工不平整度控制

白鹤滩水电站设三条泄洪洞，短有压进口后接总长度接近1 900 m的上平段，水流流速接近30 m/s。该段范围内未设掺气设施。

为评价在不同不平整度情况下该段体型发生空化空蚀的可能性，四川大学进行过相关减压模型试验研究，试验共布置条形凸体、圆柱形凸体、圆柱形凹坑、方形凹坑和凹槽五种型式突体，其中条形凸体垂直水流方向长为20 cm、宽为1 cm，圆柱形凸体及凹坑直径皆为1 cm，方形凹坑边长1 cm，凹槽垂直水流方向长为20 cm、宽为1 cm。每种突体共分1、2、3、4、5 mm五种高度（深度）。

试验结果表明：条形凸体及圆柱形凸体的初生空化数随突体高度的增加而增加，但圆柱形凹坑的初生空化数则随突体深度的增加而減小。

在相同的流速条件下，条形凸体为最易空化体型，其次为圆柱形凸体及凹坑，方形凹坑及凹槽最不容易空化。在工程施工中，施工错台、残留钢筋头类似于条形凸体及圆柱形凸体，会形成空化源，因此这些突体应极力避免。

结合上述试验成果，对于流速30 m/s左右的泄洪洞，设计采用的不平整度设计原则为：不允许出现类似条形突体的垂直升坎等施工错台；残留灌浆孔洞、残留钢筋头、模板定位销孔等处的不平整度应控制在10 mm以内，并打磨成一定坡度。

2.2 东风水电站泄洪洞施工不平整度控制

东风水电站泄洪洞未设置掺气设施。为验证施工不平整度对泄水建筑物发生空蚀破坏的潜在影响，在泄洪前对泄洪洞溢流面的施工质量进行了全面检查，发现泄洪洞侧墙及顶拱混凝土的施工不平整度控制较好，而底板混凝土的施工不平整度控制较差，虽然对不平整度较大的部位进行了修补处理，但洞身底板中部仍有极少量横向施工缝错台严重。

泄洪后，重新对泄洪洞过流面进行了检查，发现泄洪洞边墙未产生破坏，但底板横向施工缝后出现了空蚀破坏区，呈小坑状。

相关模型试验成果表明上述出现破坏的区域均不存在负压区，空蚀破坏的主要原因是底板施工不平整度较大，高速水流经过横向施工缝时发生空化，导致其后的底板区域产生空蚀破坏。

同样的过流流速，底板部位施工不平整度控制较差，局部产生了空蚀破坏；边墙部位施工不平整度控制较好，没有产生空蚀破坏。因此对于流速为32 m/s的泄洪洞，若施工不平整度控制好，不设置掺气设施，溢流面也可能不发生空蚀破坏[4]。

2.3 小湾水电站泄洪洞施工不平整度控制

小湾水电站泄洪洞洞身为“龙抬头”布置。泄洪洞设计洪水位、校核洪水位下泄洪流量分别为3 535、3 811 m3/s，泄洪洞内最大流速达45 m/s。

鉴于小湾泄洪洞内水流流速大，设计选择了高强度抗冲耐磨混凝土材料对其进行保护，并要求严格控制过流面的施工平整度，从两个方面减小高速水流可能产生的空化空蚀对泄洪洞运行安全的影响。

小湾水电站泄洪洞施工不平整控制标准为：过流面上不允许有直接的升坎或跌坎（底板掺气跌坎除外），溢流面局部不平整度控制在3 mm以下，纵向坡度控制在1∶20以下，横向坡度控制在1∶10以下[5]。

2.4 其他工程施工不平整度控制

刘家峡及龙羊峡水电站对于溢流面的局部不平整度施工控制标准[5-7]分别见表1、表2。

因相关水利工程发生过几次严重空蚀破坏事故，美国对过流面的施工不平整度要求较为严格。垂直水流方向不允许出现大于3.2 mm的凸坎或错台，平行水流方向不允许出现大于6.3 mm的错台。如遇超过上述标准的错台，则根据流速大小进行磨坡处理（见表3）。波德坝泄洪洞反弧段的修复和俄马坝泄洪洞反弧段均是按上述要求施工。经过多年的泄水运用，工程未发生空蚀破坏。

从上述的各种控制标准来看，有些要求过高，可能给施工控制带来困难。工程实际中应综合考虑水流空化数的大小、体型的合理程度、可能的最长连续过流时间、壁面材料的抗空蚀性能等因素。当水流流速大于30 m/s时，对过流面反弧末端、与之连接的下游水平段、变坡段以及边界突变部位，可参照上述标准适当从严要求。当水流流速大于40 m/s时，过流壁面的各个部位施工不平整度应按高标准进行要求。

3 涔天河2#泄洪洞体型修改建议及免空蚀特性分析

体型合理是保证泄水建筑物不发生空蚀破坏的前提。针对设计提供的涔天河扩建工程2#泄洪洞体型，结合已有工程相关成果的分析，提出以下体型修改建议。

（1）因掺气槽位于平面收缩段，建议取消原设计体型在WES曲线后1∶1斜坡段设置的1道掺气槽。

（2）建议取消原导流洞缓坡段沿程的6道掺气设施，但需严格控制施工不平整度。施工不平整度控制要求应满足以下原则：不允许出现类似条形突体的垂直升坎等施工错台；残留灌浆孔洞、残留钢筋头、模板定位销孔等的不平整度应控制在3 mm以内，并且没有明显凸起（纵向坡度控制在1∶40，横向坡度控制在1∶30）。另外，溢流面宜采用高强度抗冲耐磨混凝土进行施工。

（3）反弧末端设置1道掺气设施。具体的布置型式，通过模型试验确定。

因涔天河2#泄洪洞最大水头不超过100 m，反弧末端最大平均流速不超过35 m/s，根据对调研成果的初步分析，认为在施工不平整度控制较好的情况下，涔天河2#泄洪洞即使不设置掺气设施，也可能不会发生空蚀破坏。

4 模型试验验证

针对涔天河扩建工程2#泄洪洞的优化建议体型（见图1），开展减压模型试验。模型按重力相似准则设计，长度比尺Lr为40。采用有机玻璃制作，模拟溢流表孔及部分明流洞，模拟原型长度295.35 m。

模型试验按反弧末端不设掺气坎和设置掺气坎两种方案进行，试验结果如下。

（1）不设掺气坎。低于设计洪水位运行时，泄洪洞各个易空化部位都未产生空化；校核洪水位运行时，堰顶前部区域发生初生阶段的空化，但该量级的空化不会产生空蚀破坏；设计洪水位及校核水位运行时，洞身反弧段终点（缓坡段起点）区域也发生了初生阶段的空化，但该量级的空化也不会对建筑物过流面产生空蚀破坏。说明即使不设置掺气设施，在控制好施工不平整度的情况下，涔天河2#泄洪洞也不会发生空蚀破坏。

（2）设掺气坎。在不设掺气坎方案下，测试了泄洪洞的泄流能力、水面线、时均压力分布等成果，通过计算分析可知，洞身反弧段终点（缓坡段起点）流速为35.08 m/s，其后缓坡段水流空化数σ小于0.3。根据规范要求，该处宜设置掺气设施。

试验比较了V型掺气坎和跌坎式掺气坎，以及不同坎高及通气孔型式对掺气效果的影响。结果表明：V型掺气坎对水面的扰动要大于跌坎式掺气坎，且形成的空腔稳定性差、贯通性差，因此选择采用跌坎式掺气坎。

经过试验比较，最终通过增大跌坎高度及缓坡段的贴坡高度，并适当加大斜坡坡度，抬高通气孔布置位置，使通气孔底板高于贴坡顶，顺利解决了通气孔被回水淹没的问题。

混合式掺气坎体型见图2。各级库水位下，跌坎后均能形成稳定且尺度较大的空腔，空腔回水未淹没通气孔；掺气坎后水流底部掺气效果较好，可明显观察到水流底部的雾状掺气带可延伸至掺气坎下水流冲击落区后约100 m以上范围。

模型试验成果验证了体型修改建议的合理性，可将原设计设置的8道掺气坎优化为布置1道掺气坎，并通过采用高强度抗冲耐磨混凝土保护，以及严格控制施工不平整度，使2#泄洪洞免空蚀破坏，确保工程的运行安全。

5 结 论

（1）对国内部分泄洪洞工程体型布置型式和相关研究成果的分析表明：在泄洪洞低佛氏数小底坡上设置掺气设施应慎重，应开展专项研究，以确保其能形成完整稳定的掺气空腔，避免掺气设施自身成为空化源；不设置掺气设施，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左右的溢流面减免空化。

（2）提出了涔天河水库扩建工程2#泄洪洞体型及掺气设施布置型式，并通过减压模型试验进行了验证。不设掺气坎，宣泄校核洪水时，泄洪洞进口段堰顶前部及反弧段终点（缓坡段起点）有初生阶段空化发生，但该量级的空化强度不会使过流面产生空蚀破坏。因进口反弧段末端水流流速大于35 m/s，且其后缓坡段水流空化数小于0.3，为确保工程安全，在该处设置了掺气坎对缓坡段进行保护。

（3）经试验确定的混合式掺气坎型式，可使坎后形成稳定的输气空腔、洞身底板产生近100 m长掺气水流保护带，掺气效果较好。

参考文献：

[1] 周赤，姜伯乐，邢岩.适宜大流量小底坡掺气设施的翼型挑坎研究[J].长江科学院院报，2016，33（9）：57-59.

[2] 王锋辉.二滩水电站1号泄洪洞改造[J].大坝与安全，2006（4）：1-4.

[3] 徐建荣，彭育，薛阳，等.白鹤滩水电站泄洪洞水力特性研究[J].中国水利，2019（18）：110-112.

[4] 宿辉，郑文新，王长龙.东风水电站泄洪洞泄流原型观测分析[J].水利水电工程设计，2005，24（2）：43-46.

[5] 李众，杨春友，辛春红.小湾水电站泄洪洞减小空蚀程度的保证措施[J].云南水力发电，2011，27（1）：35-38.

[6] 水利水电泄水工程与高速水流信息网，东北勘测设计科学研究院.泄水建筑物的破坏与防治[M].成都：成都科技大学出版社，1996.

[7] 华东水利学院.水工设计手册（第6卷）：泄水与过坝建筑物[M].北京：水利电力出版社，1987.

[8] 黄继汤.空化与空蚀的原理及应用[M].北京：清华大学出版社，1991.

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：国家自然科学基金项目（51879013）

作者简介：姜伯乐，男，正高级工程师，硕士，研究方向为水工水力学。E-mail：jiangbl@mail.crsri.cn