摘要：在突擴突跌摻氣設施中，為保證摻氣效果，增加底空腔的長(cháng)度，加設折流器是有效的工程措施。試驗證明，折流器坡度和高度對空腔長(cháng)度均有影響，較高的折流器增加空腔長(cháng)度明顯，且使底空腔與側空腔貫通，有利于底空腔充分摻氣�；厮菟�流使底空腔變短，有效空腔長(cháng)度是影響摻氣效果的重要因素。在空腔長(cháng)度的計算中應綜合考慮，頂板坡角，跌坎挑角和折流器體型的影響，得出的計算公式有實(shí)際應用和理論意義。

　　關(guān)鍵詞：摻氣 折流器 底空腔 側空腔 射流

　　對于高水頭泄水建筑物來(lái)說(shuō)，除了要解決高速水流引起的空腔破壞外，閘門(mén)止水的安全和優(yōu)化問(wèn)題也日漸突出。利用突擴突跌摻氣設施一方面可以滿(mǎn)足摻氣減蝕的要求，另一方面適合于偏心鉸弧門(mén)采用同曲面液壓密封框止水，可保證閘門(mén)止水的安全可靠和優(yōu)良運行。但突擴摻氣缺乏成熟的工程經(jīng)驗和理論依據，在國內外已建工程中均有遭到空蝕破壞的事例，其原因尚未完全搞清楚。因此通過(guò)試驗來(lái)研究突擴突跌摻氣水流的規律，在側墻加設折流器后對空腔特性、壓力分布、摻氣濃度所造成的影響等有現實(shí)意義。

　　1 試驗方案及設備

　　試驗研究在三峽工程泄洪深孔突擴突跌摻氣水工模型上進(jìn)行。模型按重力相似準則設計，模型比尺為1∶25，模型最大流量為350L/s，出口斷面流速為4.5 ～7 m/s，Fr=2.47～3.59，Re=1.7×10⁶～2.4×10⁶，W_b=330～490.模型側向折流器，模型中側收縮寬度由零漸變至2cm，側收縮坡度各取1∶4，1∶6，1∶8，折流器高度各取為H，1/2H，1/3H（H為孔口高度）。在側墻和底板上布置了時(shí)均壓力測孔、脈壓測孔、摻氣濃度感應片。摻氣通氣孔風(fēng)速用熱球式風(fēng)速儀測量，摻氣濃度用中國水利水電科學(xué)院研制的848型摻氣濃度儀量測。

　　為探討側向折流器不同高度和體型對側墻和底板各摻氣水力要素的影響，試驗研究比較了6種方案。

　　2 試驗結果及分析

　　2.1 流態(tài) 由于側向突擴，水流從有壓段出口流出后向四周擴散，由二維流動(dòng)變?yōu)檩^復雜的三維流動(dòng)。擴散水流撞擊側墻后，向上擴散的水流形成水翅，向下擴散的水流形成水簾。水翅回落至正常水面后在其下游又會(huì )激起沖擊波，流態(tài)較復雜，水翅過(guò)高也會(huì )沖擊門(mén)鉸。向下擴散的水簾增加底空腔的回溯水流，減小了底空腔長(cháng)度。

　　側向突擴水流對側墻的影響可大致分為4個(gè)區域，即空腔區、壓力驟變區、低壓區和穩定區，Lb為底空腔長(cháng)度，Lr為有效底空腔長(cháng)度，Ls為側空腔長(cháng)度。

　　試驗中定義沿側墻的水股高出同一斷面射流中心線(xiàn)水面的垂直高度為水翅高度Hf，高出中心線(xiàn)水面部分的水平長(cháng)度為水翅長(cháng)度Lf.空腔區是自水流脫離孔口側壁起至水股在下游與側墻相交處的水平距離。

　　水翅最高點(diǎn)位置，隨庫水位的升高向下推移。水翅最大高度與水翅長(cháng)度，隨庫水位升高而明顯加大，其與折流器的高度也有關(guān)，但與折流器坡度沒(méi)有明顯的相互關(guān)系。

　　值得注意的是，當折流器高度較小時(shí)，側空腔長(cháng)度變小，孔口出流與突擴側墻的沖擊角變大，產(chǎn)生一股斜角向下的白色逆向水射流，直接沖擊弧形止水道。這種現象一般在折流器高度小于一半孔口高度時(shí)較多發(fā)生，白色逆向水射流的沖擊點(diǎn)高程與折流器高度有關(guān)。

　　當折流器高度超過(guò)一半孔口時(shí)，側空腔加長(cháng)，孔口出流與側墻沖擊角變小，逆向水射流減弱，此時(shí)由于沖擊點(diǎn)向下游推移，逆向水射流對弧形止水道邊構不成威脅。

　　2.2 側空腔長(cháng)度

　　側空腔長(cháng)度是反映孔口出流自孔口側壁起至出流與下游側墻沖擊處的水平距離。由于孔口側壁在垂直方向上為圓弧形，出流的橫向擴散沿水流方向逐漸加強，因此出流與側墻的沖擊交點(diǎn)與孔口的距離并不相等。未加折流器時(shí)，一般為頂部距離大，底部距離小，加折流器后，頂部距離小，底部距離大。取孔口中心高程處孔口側壁末端至出流與側墻的沖擊交點(diǎn)的水平距離為側空腔長(cháng)度，各方案的試驗結果。

　　可以看出，加設折流器可以加長(cháng)側空腔長(cháng)度，其與折流器高度有關(guān)。高度超過(guò)孔高一半以上的折流器對加長(cháng)側空腔長(cháng)度有明顯效果，相反，高度低于孔高一半的折流器，與無(wú)折流器相比，由于對孔口底部水流橫向擴散約束影響，反而縮短了側空腔長(cháng)度。

　　2.3 底空腔長(cháng)度

　　2.3.1 底空腔長(cháng)度試驗結果

　　空腔長(cháng)度越長(cháng)，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此�？涨坏拈L(cháng)短是衡量各種方案優(yōu)劣的重要指標。

　　孔口出流脫離跌坎后，水舌底緣沿程紊動(dòng)擴散，摻氣量加大，水和空氣間形成一道過(guò)渡帶，沒(méi)有明顯的氣水界面，這給底空腔長(cháng)度的量測造成困難，對水舌底緣的判斷不同，測量結果差異較大。文獻[1，2]曾定義沿空腔中摻氣濃度為60%的等濃度線(xiàn)為空腔氣水界面，通過(guò)量測摻氣濃度分布來(lái)確定底空腔長(cháng)度，顯然這種方法費時(shí)費力，后來(lái)產(chǎn)生出通過(guò)量測底板時(shí)均壓力來(lái)確定底空腔長(cháng)度的方法，用P=0.4（Pmax-Pca）的位置來(lái)確定底空腔長(cháng)度，式中：Pmax為底板上的最大時(shí)均壓力，為Pca空腔中的最小壓力。也有人直接用底板時(shí)均壓力最大點(diǎn)的位置來(lái)確定底空腔長(cháng)度。

　　根據本試驗直接觀(guān)測到的底空腔長(cháng)度數據與上述兩種方法出入較大，而與下式表達的底板時(shí)均壓力吻合。

　　P=0.75Pmax （1）

　　大量試驗表明，水舌沖擊底板后，產(chǎn)生一部分水流沿底板向上游回溯的現象，實(shí)際凈空腔的長(cháng)度遠小于底空腔的長(cháng)度。因此采用底空腔長(cháng)度Lb來(lái)說(shuō)明摻氣能力是不夠全面的，有效空腔長(cháng)度Lr縮短，摻氣量減小，減蝕效果也大為削弱。馮家山和烏江渡等工程的原型觀(guān)測資料[3]也表明，原型水舌下緣漩滾強度和回溯水流比模型更加嚴重。所以采用有效空腔長(cháng)度來(lái)作為設計摻氣設施的依據是安全的。

　　有效空腔長(cháng)度的量測，與用底板時(shí)均壓力大小來(lái)確定空腔長(cháng)度的方法進(jìn)行對比分析發(fā)現，有效空腔長(cháng)度值較符合下式表述的底板時(shí)均壓力值。

　　P=0.18Pmax （2）

　　可以看出，空腔長(cháng)度和有效空腔長(cháng)度，在一定程度上受折流器的影響，折流器越高，空腔長(cháng)度越長(cháng)，有折流器的方案比沒(méi)有折流器的方案空腔長(cháng)度增加明顯。折流器寬度是從孔頂到孔底由零漸變至0.5m，有折流器的出流孔口實(shí)際上是頂部寬底部窄，折流器起到了把孔口射流向上抬高的作用。

　　2.3.2 底空腔長(cháng)度的計算

　　目前有各種計算空腔長(cháng)度的計算公式，但適用于突擴突跌摻氣設施底空腔長(cháng)度計算的公式很少，能反映折流器對空腔長(cháng)度影響的計算公式更是罕見(jiàn)，本文擬在這方面作一探討。

　　通常計算底空腔長(cháng)度以?huà)伾潴w理論作為重要的理論依據。將坐標原點(diǎn)放在跌坎末端，水平下游方向為x軸正向，y軸垂直向下，則有

　　式中：L_b為底空腔長(cháng)度；y₀為跌坎頂至跌坎與明槽底坡延長(cháng)線(xiàn)交點(diǎn)底距離；α為下游明槽與水平面的夾角，向下為正；β為射流實(shí)際拋射角向下為正；u為坎上水流平均流速。

　　用式（6）計算出的底空腔長(cháng)度L_b與實(shí)測的L_b有較大的出入，因此必須進(jìn)行修正。對于β的選擇各有不同，文獻[3]直接把有壓洞出口頂板壓坡角θ₁當作β；文獻[4]考慮θ1的同時(shí)引入最大橫向脈動(dòng)流速計算β，但未考慮跌坎挑角θ₂的影響，計算誤差較大；文獻[5]考慮了挑角θ₂但未考慮θ1的影響。在壓力洞出口與跌坎的水平距離較短的條件下，應同時(shí)考慮θ₁和θ₂的影響。本文對β作如下的假設：

　　確切地說(shuō)，底空腔的摻氣量是與有效空腔長(cháng)度有關(guān)，絕大部分摻氣是在有效空腔內實(shí)現的。因此有效空腔長(cháng)度的估算，對一個(gè)摻氣設施來(lái)說(shuō)更有意義。

　　假設沖擊速度等于坎頂平均流速，將坐標原點(diǎn)設在挑坎末端，則由式（3），（4），（10）得射流與明槽底板的沖擊角為

　　γ=arctan（tanβ+g′L_b/u²cos2β）-α。 （11）

　　設底空腔末端坐標為y1，漩滾回水面與水舌底緣相交點(diǎn)的坐標為y2，則：

　　y_b=y₁-y₂. （12）

　　yb一般與水舌厚度（可取為孔出口斷面高度h），水流速度u（取坎頂平均流速），水流密度ρ，重力加速度g，射流與底板沖擊角γ，空腔負壓Pca（米水柱）有關(guān)。應用因次分析和試驗結果得：

　　在不同庫水位條件下，6個(gè)方案按式（15）計算結果，計算值和試驗量測值對比。

　　3 結語(yǔ)

　　為保持穩定的側空腔與底空腔。折流器的高度和坡度對空腔長(cháng)度均有影響，采用較高的折流器，能有效地增加底空腔和側空腔長(cháng)度。不僅如此，試驗觀(guān)測也證明，加設折流器能使底空腔和側空腔連通，使側空腔成為底空腔有效的通氣通道，保證底空腔的充分摻氣。

　　值得注意的是，當折流器高度小于孔口高度一半時(shí)，孔口出流與突擴側墻的沖擊夾角變大，產(chǎn)生一般斜角向下的逆向水射流，直接沖擊弧形止水道，這是低折流器方案的弊端。

　　由于回溯水流的影響，底空腔長(cháng)度變短，直接影響摻氣減蝕效果。正確區分和計算空腔長(cháng)度和有效空腔長(cháng)度是評價(jià)一個(gè)摻氣方案的關(guān)鍵。本文根據底板最大時(shí)均壓力來(lái)判斷兩種空腔長(cháng)度的經(jīng)驗關(guān)系式（1）、（2），可供參考。特別是考慮了頂壓坡角、跌坎挑角和折流器體型等綜合因素影響得出的計算空腔長(cháng)度式（10）、（15），有實(shí)際應用和理論意義。

　　參 考 文 獻：

　　[1] 潘水波。通氣挑坎射流的摻氣能力[J].水利學(xué)報，1980，（5）： 25-27.

　　[2] 時(shí)啟燧。通氣減蝕挑坎水力學(xué)問(wèn)題的試驗研究[J].水利學(xué)報，1984， （3）： 33-34.

　　[3] 長(cháng)委設計院樞紐處。三峽工程泄洪深孔突擴突跌式摻氣設施研究成果[R].武漢：長(cháng)江水利委員會(huì )設計院，1996.

　　[4] 水利部長(cháng)江水利委員會(huì )。長(cháng)江三峽水利樞紐表孔和深孔體型優(yōu)化專(zhuān)題報告[R].武漢：長(cháng)江水利委員會(huì )， 1996： 22-23.

　　[5] 于琪洋。挑坎型摻氣減蝕措施過(guò)流摻氣特性研究[D].北京： 清華大學(xué)，1993.

　　[6] Chanion H. Study of Air Entrainment and Aeration Devices[J].IAHR， HydrRes 1989， 27： 56-57.