摘要：吉林台深孔泄洪洞模型试验，通过对偏心铰弧门突扩掺气体型水流流态、空腔特性及其对掺气量的影响、侧壁压力分布等进行观测，对突扩掺气体型水力特性进行研究，并对其空化特性进行分析。
关键词：模型试验；突扩；水力特性；空蚀
１引言
偏心铰弧门突扩掺气设施，已在国内外一些工程中应用。设置偏心铰弧门突扩体型的目的，除便于布置闸门止水设施外，还可在弧门后侧墙和底部形成空腔，便于水流掺气，以保护弧门后衬砌表面，防止空蚀破坏。
影响突扩掺气体型水力特性及空化特性的主要因素，是水流条件及突扩尺寸。侧向空腔的形成主要受突扩宽度Δｂ的影响，其长度随来流Ｆｒ数值的增大而加长；跌坎高度Δ和下游明槽底坡ｉ，则主要影响底空腔的形成，底空腔长度随Δ和ｉ的增加而加大。
结合高压弧门止水布置的突扩跌坎掺气设施，国内外已有许多成功的工程经验，但也有少数工程在突扩跌坎下游发生了空化空蚀破坏。例如前苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站５＃底孔突扩跌坎下游接近射流底缘侧墙上的空蚀坑深１．５ｍ，宽５ｍ，长１５ｍ。美国德沃歇克坝泄水孔在偏心铰弧门下游的左边墙上，空蚀坑长６ｍ，深０．５６ｍ，高３ｍ。我国龙羊峡水电站底孔泄水道在１９８７～１９８９年间，在最高应用水头８９ｍ，总过水历时７１３７ｈ后，突扩跌坎下游侧墙及底板多处发生冲蚀破坏。其中左边墙一处的最大冲深达２．５ｍ，破坏面积达１７７ｍ２。造成以上工程产生破坏的原因，除施工质量外，与突扩体型水力特性及空化特性有密切关系。
２试验研究
吉林台水电站深孔泄洪洞水工模型试验，主要对其偏心铰弧门突扩体型水力特性进行研究，并对其水流空化特性进行探析。
吉林台水电站深孔泄洪洞弧门后两侧各突扩Δｂ＝０．６ｍ，底部跌坎高Δ＝１．０ｍ，下游明洞底坡ｉ＝０．１，跌坎处两侧墙内各设１孔＝０．６ｍ的通气孔，为跌坎底部通气。压力洞出口尺寸为４ｍ×５ｍ，水平压力短进口底板高程１３４０ｍ。设计和校核水头分别为８０．０６ｍ和８２．１０ｍ，泄流量分别为６９２ｍ３/ｓ和７０１．５ｍ３/ｓ。模型按重力相似准则设计，几何比尺为１∶６０。
２．１水流流态
吉林台深孔泄洪洞偏心铰弧门突扩后，侧扩射流冲击侧墙，形成水翅、表面扰动掺气区、底部掺气区和清水区（图１）。底部掺气区内气泡随水流下泄，并逐渐向上扩散飘移，与表面掺气相汇合。在设计和校核水位下，水翅长约２４ｍ，高约２ｍ。水翅的形成，虽未对偏心铰弧门支座造成威胁，却恶化了下游水流条件。侧扩射流冲击侧墙，形成冲击交角，在冲击水流与两侧墙接触线后形成明显的清水区，清水区内流线折射，造成压力降低。侧扩射流冲击点处，水流向上游回溯，与侧扩射流形成高速剪切流。水流经跌坎后，直冲下游底板，水流冲击点前水流上溯，并形成底部旋滚。
侧扩射流冲击侧墙后，产生明显的清水区，在设计和校核水位下，清水区长约３０ｍ，高约２．８ｍ。清水区的存在，说明这些部位掺气不足，未能形成对侧墙的掺气保护条件。
２．２空腔特性及掺气
形成稳定的侧向空腔和底部空腔，向两侧墙和底板通气，以形成掺气水流，保护衬砌表面，是设置突扩掺气设施的主要目的。
试验表明，吉林台深孔在设计和校核水位下，突扩处侧扩射流形成的侧空腔与底空腔均较为稳定，侧空腔与底空腔贯通，通气顺畅。试验观测到，封堵侧空腔，底通气孔模型风速由０．２ｍ/ｓ增至１．９ｍ/ｓ，底通气孔进气量增加。而封堵底通气孔，对底空腔形成及掺气量均无明显影响。说明空气经由侧空腔与底空腔的贯穿通道进入底空腔，受侧空腔进气影响，底通气孔进气量小，侧空腔是底部掺气的主要空气源。进一步的掺气浓度测量表明，校核水位下，跌坎处底部水流掺气浓度达７．２％，掺气较充分。
侧扩射流冲击侧墙后，产生冲击压力，侧空腔的空气，除部分进入底空腔外，其余部分未能沿两侧墙掺入主流。因而在侧墙上形成明显的清水区，掺气浓度测量表明，设计和校核水位时，清水区内的掺气浓度仅为０％～０．６７％。即侧空腔仅成为向跌坎底部供气的通道，侧空腔空气未能沿两侧壁掺入主流。
侧扩射流冲击侧墙后，在水面上形成水翅，在下部形成水帘，水帘落入泄槽底板后，汇同底部射流冲击点前上溯水流，形成底部水垫，减小了底部有效空腔，低水位时将影响通气。
２．３压力特性及空化特性
偏心铰弧门突扩体型必然产生侧扩射流，侧扩射流冲击侧墙形成的压力分布，是侧壁水流是否产生空化的一项重要指标。试验在突扩后清水区侧墙上，分３排共布置２１个测压点（见图１）。
本试验表明，突扩形成的侧扩射流冲击侧墙，形成冲击交角，侧扩射流在两侧墙接触线上形成冲击压力，而后随流线折射，清水区内压力降低，形成低压区，甚至出现负压（见表１）。水流空化数计算表明，在设计和校核水位下，弧门孔口流速分别为３４．６ｍ/ｓ和３５ｍ/ｓ时，清水区侧壁１９＃测点处的水流空化数σ，分别为０．１４和０．１２。过流侧壁处的水流空化数是很低的，倘过流侧壁稍有缺陷，该处的初生空化数σｉ
就可能大于σ值，当σｉ＞σ时，将产生近壁空化。考虑到突扩跌坎后两侧墙处水流脉动剧烈及可能的水流非对称性影响，瞬间空化数可能更低。而清水区又未能掺入大量空气来保护两侧墙，因此，清水区两侧墙处水流很容易产生空化。
偏心铰弧门采用突扩布置时，模型试验中侧扩射流产生的清水区及其水力特性是否与原型相似，目前还缺乏这方面原型观测资料的佐证。但鉴于突扩体型的特殊性和国内外少数工程的教训，应进一步加强突扩体型水流空化特性和减免空化空蚀破坏工程措施的研究以及原型观测工作。为工程设计和运行提供可靠的科学依据。
３结语
（１）吉林台深孔泄洪洞偏心铰弧门突扩后，在高水位下，侧、底腔稳定，侧空腔成为向底空腔供气的通道，但未能沿两侧壁向水流掺气。
（２）侧扩射流冲击侧墙产生明显的清水区，说明这些部位掺气不足，未能形成掺气保护条件。清水区压力降低，形成低压区，甚至出现负压。在高速水流条件下，空化特性较差，故必须加强施工平整度及材料抗蚀性能，以利安全。
（３）鉴于偏心铰弧门突扩掺气体型国内外已建工程的经验和教训，应加强该体型水力及空化特性的研究，以探求减免空化空蚀破坏的有效途径。
参考文献：
［１］卢泰山，徐自立．吉林台一级水电站整体水工模型试验报告［Ｒ］．杨凌：水利部西北水利科学研究所实验中心，２００１．９．
［２］廖仁强，等．三峡工程深孔明流段体型选择［Ｊ］．水力发电，１９９７，（１２）：４２／４５．
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ；ｓｕｄｄｅｎｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ
作者简介：卢泰山（１９５２／），男，内蒙古托克托县人，西北农林科技大学水建学院高级工程师，工学硕士，主要从事水工水力学及泥沙试验研究工作。
吉林台水电站泄洪洞突扩掺气体型的试验研究（卢泰山）
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