孔板型内消能工水力特性试验分析及数值模拟

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1、摘要孔板型内消能工水力特性试验研究及数值模拟专业：水力学及河流动力学研究方向：高速水力学博士生:张昌兵指导教师:杨永全摘要50年来，我国水利水电事业得到了快速发展,建设了一大批水利水电枢纽, 取得了巨大成就，尤其是在高水头大流量泄洪消能的研究方面达到了世界先进 水平。在2l世纪，我国拟建一批坝高200-00米、泄洪流量2000050000s 的大型水利工程，这些工程在泄洪消能方面向高坝水力学提出了新的挑战。因 此，开展多种型式泄洪消能工的研究势在必行,其中将施工导流洞改建为永久 泄水建筑物是一项具有很大经济效益的工程，但同时又是一项存在诸多困难的 工程，故有必要开展这方面的研究工作。自从孔板泄

2、洪洞这一新型的内消能工在我国黄河小浪底工程这样大型水利 枢纽上使用,在国内外属于创举,故引起了规划、设计、科研等有关单位的关 注，并进行了大量的研究工作,获得了宝贵的资料，但由于1蛔板泄洪洞在原 型事故闸门下闸试验过程中出现强烈振动,造成这一现象的原因何在？对建筑物结构是否造成威胁？因此，本文对孔板泄洪洞这一新型的澧能工的水力特性 从试验和数值模拟两个方面作了详细研究。概括起来，可以得到如下几点成果：1、首次对孔板泄洪洞在事故工况下的水力特性进行了试验研究并建立了水气 二相流瞬变流数学模型,并成功地对孔板泄洪洞在事故工况下的水力特性进 行了计算，所建立的水气二相流数学模型既适用于水气二相流,也

3、适用于单相水流的计算。、研究表明,事故门井卷吸空气，形成明满交替流是造成一系列不良水力现象的前提.库水位越低，事故门井开始卷吸空气的时间就越早，水气二相流所184 / 184四川大学工学博士学位论文经历的时间就越长,出现振动等不良水力现象越剧烈，相反，库水位越高，虽然静水压强越大,但由于事故门井开始卷吸空气的时间越晚，水气二相流 所经历的时间就越短，不良水力现象反而有所减弱。3、引进了大涡模拟方法，建立了孔板泄洪洞内消能工的二维和三维大涡模拟数 学模型,并成功地对孔板泄洪洞各项水力参数进行了模拟计算。4、研究表明，三级孔板的总消能水头占总水头的4左右，消能效果显著。脉动压强最大值出现在孔板下游

4、0.D位置附近，脉动压强的优势频率基本在2。0z以内，属于低频大幅值范畴.、建立了空化初生的变密度数学模型，并对孔板初生空化进行了模拟计算，模 拟结果与试验结果基本一致。结果显示，容易发生空化的部位主要有三处: 一是孑L板顶缘处，二是孔板下游角隅处，三是孔板下游回流旋涡中心部位。可以看出,空化主要位于水流内部,对建筑物结构不会造成大的危害。6、首次从涡量的角度出发，计算了孑板泄洪洞的拟熵分布情况,并分析了能量耗散情况，这比采用kg双方程模型所计算的能量耗散率更直接,物理概念更明确.关键词：孔板泄洪洞，水气二相流,事故工况,大涡模拟，有限体积法,初生空化,拟熵些！塑壁Reec Ol thydai

5、c Proertisof a rfiepiway TunnelMardaulis ndRiver yamicsRear brnc:i【gh Veloit Hdralcsh。D andidate：haang-hngSeisr：g YongqanAbstractThe hydrpowerin our outr hasendeveloping rapidly，a lot o hydopoe pojet have beenestablished，and may achievements mad，escially,te sudy o tesplwa an eng isspato of hydalcpjc

6、ts othe hd dlrge scale dicharge has reac the worlS avaced levels nthepa ifty years。A lot o lanned yrpoer presat the height of itsdmsare up t 200t meesad te spilwa dischres are20 o 0，00m,s,wilbe ounded in the 21“cntur，this willchalenge t hgh m hydauc orsme ewolesereoe，it iinevitab to dvelo the dffeet

7、dispatrs. Among ese dissiptesist euild th rion tuel o thesilwa tunl， whichis a great eonomicprofit prjectutvig any difiuis，SO i necessary t researc on i.Sic he oiic spillway tunl hihis a nw ind of disater，as pled to iolandi hydralc projct in Chin， wshiycoerned nd nuber of el test weemde ad aeful ata

8、 ere obtaioev，thesrongvibraion wa occreddurin thtest of No1 orifiepilwatunnel under th emgency 0pertin conin atsiteWy i the phmeon ppear？eathr theaen he secuiy thetne?So dtailereseach on te newdissiates carredoutre yusig both nmerical n perimenttechnqesII婴盟盔兰三堂整圭兰垡堡茎一Bfly，th folowing cieemnts ar md:

9、1Thehydrulicpprtie of h ificpillwaytnelund t egency ratingonitin were oined by phsical modltets coaina model of the tr。ai twophas and nientowwsdeelopd fisty,an thehdaulic prerieso te tunl ndeteemegen oprain conditin we lclated ucesful wth thscoputatinl modelTh mputaiona delcal e pplied ooptinot onlt

10、e waterair twohflut als sinle-has flo.2.I iindcatd tht the suction of r frmth gency ventiltig sha is the reso O causethehrmful ydruic vibation.Lower t lel oftheresvor is，ealierthe ventiangsfegnst suck the ir，loner the erin m ofe waar twophase w s，an roge te vbratio is。On th contray，hi leve of the re

11、seroiris，lthough orete atic pssue is，srte he enduin tim f the wateratwoas low is，and weakerthehamful hydruc vbrtn is。3.Alar eddysulatio aprochbased n the weak compressble ydrodyamicequainsendeee ad succssflempye n simnlating 3-D unteay viscs flow though th ricespilwy tunnel4It sowed hat te totl ed l

12、sethruh hee oriicesis abot of the tolhd and he dspting at is stisfacorh maximum lcuaing pressue i occrd ear the 0.5D lco atowstream,he ma requncy i les ha 2OHz and itbelngs to te low freend larg mpitud。T non-cnstat sty cmputtialodel avittiono is devloped ndapid to simuatig th cavtation icpion of he

13、oiice spillwaytun， the coputatio esult s ascall fitteit he testesut.It i nicted thatth esily cavitated loations are tthe to f rfie。th on atdwnsteamo orifce and te cnter of the bakiow。The cavitin i mainly locate at te insie of he flow。O e threatento th spill tunnel i sllTe distribuon teenstophy inthc

14、mputatinal dmain of the ifcespilay unnel呲clcuatefirstly，ich inictes thedisspatingrateadiies the hysical cocepion more clrlytha he disiaing ratecacuatdIvbthe一mdelKeywors：ofi silway unnel,waterai phase flow，emerecy opertingconitin。lageeddymultio aproach，inite olume ethod，cavt ncpion， esrphy四川大学工学博士学位论

15、文主要符号表英文字母音速A孔口面积Ap泄洪洞断面积G压力系数G模型系数cp相对密度系数d孔板孔径D孔板泄洪洞直径E管道材料弹性模量；噪声能量，摩擦系数;频率五单位质量力g重力加速度h水头损失日水头%气体弹性模量墨消能系数厨液体弹性模量to参考长度m流量系数耽马赫数I单位法向矢量脉动压强系数P压强P大气压强pv水的饱和蒸汽压强P脉动压强D参考压强流量VI主要符号表拟熵 孔板顶缘倒角半径 泄洪洞半径雷诺数 紊流雷诺数 亚格子雷诺应力源项时阉 参考时间 孔板厚度 孔板顶缘宽度管壁厚度;温度 石轴方向的速度分量脉动流速 Y轴方向的速度分量，尺忌如嘞岛，幻“b，球v，脉动流速体积 参考流速Y轴方向的速度

16、分量 脉动流速 脉动压强功率谱vw脚z水位四川大学工学博士学位论文腊 掣母椭含气率；流体膨胀系数流体压缩系数孔径比 真空度阻力系数泄洪洞轴线与水平线的夹角 脉动压强均方根 孔板空化数初生空化数水的密度 空气密度 相问质量传递比 闸门相对开度 几何比尺 流量比尺 声压级差 声压级差最大值w抽声压级差最小值儿洲渊洲曙声压级差平均值p叩毒妒艿仃西风岛厂.丑砧一一流体动力粘性系数紊动能粘性系数 重度紊动能耗散率 涡量 能量耗散率Y。巾肋参考密度Vm第一章绪论第一章绪论1.1泄洪消能工综述泄洪消能是大坝建设中的一个关键性技术问题，其造价占工程总造价的比 重较大.因此，合理地选择泄水建筑物型式及消能型式，

17、对整个水利工程的安 全和经济运行具有十分重要的意义。根据我国已建和在建的一百多座水利工程和世界上大大小小上万座坝的统计,泄水建筑物大致可以分为以下几种型式：(1）坝体泄水孔；（2）岸边溢洪 道；(）泄(溢)洪隧洞；(4)河床式溢流坝等。泄水建筑物型式的选择与坝型、 地质、下泄流量、枢纽组成等因素有关.混凝土高坝直接在坝体开孔泄放洪水是最常见的大流量泄洪方式，泄洪孔 口可划分为表孔、中孔和底孔,对各类混凝土高坝均适用,主要优点是下泄水 流能顺畅归槽，便于消能防冲设计。实践表明，这是一种较为经济的布置方案, 特别适应于峡谷河道中的高拱坝和高重力坝工程.近一二十年来，溢流坝顶大 型弧形门的设计、制造

18、、安装水平迅速提高，促进了表孔单宽流量和每孔流量 的发展。例如，巴西的图库鲁伊（Tucri)水电站修建了孔溢流坝，弧形门尺 寸达0mx20m，单宽流量27m3/s.m,每孔流量4539 m3s,总流量104，40 ms， 反映了当前的高水平.我国安康、盐滩、水口都修建了泄洪底孔，孔口尺寸都是X8m，每孔流量相应为116m3/s、1lOOs和9503/s,都同时兼顾排沙 任务2l【3】【61。在拦河大坝或两侧的副坝、垭11或其他适当的位置和山体内修建各类岸边 泄洪建筑物，对各类坝型都可适用。主要的岸边泄洪建筑物有睫槽溢洪道和泄 洪隧洞，可以用来担负高水位的很大流量泄洪和中、低水位的大流量任务.以

19、 陡槽溢洪道为代表的大流量岸边溢洪道,在以当地材料建设的高坝中广泛采用, 主要应用于土石坝、堆石坝支墩坝和拱坝，而混凝土高坝则相对采用较少。例 如，巴西的伊泰普(Iaipu）水电站131【51,装机1，20万千瓦,90米高的拦河大坝 是当前世界上最高的支墩坝，14孔20mx20m弧型闸门控制的岸边溢洪道，泄洪 流量达62,30m3/s,代表了此类泄洪建筑物的最高水平。为了便于泄放大洪水流 量，不少工程修建了几条岸边溢洪道。如巴基斯坦的塔贝拉（Tarbla)、曼格拉 （Mangl）电站，加纳的阿科松博(Aksombo）电站,墨西哥的内察瓦尔科约特 （etzualcoyol）电站都是两条溢洪道，而

20、我国的密云水电站则修建了三条溢洪四川大学工学博士学位论文道川。由于陡槽溢洪道的长度较大，高速水流问题比较突出,实践证明，采用 掺气对防止空蚀破坏效果显著。此种泄水建筑物常采用挑流消能方式,水跃消 能则采用较少.表11世界上泄洪洞单洞流量大于2,503/s的高规分布情况坝坝高泄洪流量隧洞所在坝名基本参数型（m)(矗，）条数国家重三门峡163,2802前段为有压流,后段为明流,m弧形门中国 力漫湾26。57l进口I孔孙抽弧形门后段12m14m隧洞中国坝乌江渡64,1302明流洞，93 5m弧形门中国重由152m捌槽式进水口共设孔30。5mx49mHover221。41l。40美国力弧形门拱len坝

21、16。4。850125m，进水口各设2孔12.2rexlm弧形门美国CanonAeadavila 1352。8l中nm，进口1。5rx9。7m弧形门西班牙右洞13mt。5m。mxl呖弧形门：左洞有压碧口1l3.902中国qqm无压10mxl士石Nurek004，02嗣身12mxm.各2个3。5x锄弧形门塔吉克 坝斯坦上段12mxl2m，下段4rxm.设表孔及中孔 塔吉克Rou353，500l进水口斯坦鲁布格10l4,92左洞有压段mt.，89m弧形门后为明流中国右洞有压段mlo5m，7x7m弧形门，后为明流Awarll6000605m进121各2孔。4。2e315m弧形门埃及hicoaser1

22、7.70西5I，进口各孔，97mx22m弧形门墨西哥堆石Here163。002l氐洞mT弧形门;高洞8mxllm弧形门阿尔巴 坝尼亚El141，303m13m进口各3孔，7。4m5m弧形门墨西哥Infiemo德基120l垂116，进口5个1.mxm平板门中国 东风166，89l短进水口，12mx2m弧形门后12al75中国 elow ail102.00I凹进口2孔.7。6taxi96m弧形门美国拱De20，000高洞tbl4m。低洞dP2。m伊朗 顶洪都拉Elajon26002西加。2个re9.滚轮平板门斯泄洪隧洞对于各种类型的坝统可适用,一般流量规模相对较小,主要用以满第一章绪论足低高程的泄

23、洪要求,但也有用来承担全部泄洪任务的。现将所收集到的世界上单洞泄洪流量在2，5m3s的高坝汇集如表1.1“3“61。从表中可以看出，当 前最高的土石坝为俄罗斯的罗贡（oun)电站，坝高达到335米，修建1条泄洪 隧洞,泄洪流量,503s；墨西哥的奇柯阿森（Cicasen）大坝为当前最高的堆 石坝，坝高26米,修建了3条泄洪隧洞，承担全部泄洪任务,总泄洪流量达17,70ms;美国的胡佛（Hoovr)电站的重力拱坝，坝高21米,修建2条泄洪 隧洞，总泄洪流量达11。300m3s，单洞泄洪流量达，6 m3s以及墨西哥的奇柯阿森（Cicoase)电站堆石坝，坝高261米,条泄洪隧洞总泄洪流量达1,30

24、 m3/s,单洞泄洪流量达，790 m3s，反映了当前单洞泄洪的最高水平;我国台湾的德基电站拱顶坝,坝高为180米,条泄洪隧洞，泄洪流量为3，00 m弧,为我国目前已建成的最大的泄洪隧洞.选用隧洞泄洪作为高坝的大流量泄洪方式时，要综合分析明流隧洞与压力流 隧洞的利弊后作出抉择。具有短进水口或短压力流的明流隧洞，主要的特点在 于明流流态明确，衬砌工程量小,流速高，须考虑掺气并留有足够的余幅.隧 洞的横断面积未全部用于过流，在多河沙河流上泥沙磨损问题比较突出。在末 端设闸门控制的压力流燧洞，主要特点在于隧洞的横断面积全部用于过流，隧 洞内的流速较低，高速水流问题相对较少，衬砌工程量大。一般当不存在

25、严重 的泥沙磨损问题时,以采用明流隧洞的居多，僵必绠对高速水流的空化和掺气问题作好技术处理。在狭窄河谷中,着将发电建筑和泄水建筑物均匀雍置于河道中央.则势必采 取厂房顶溢流、厂前挑流或坝内厂房等形式,这是一种最紧凑的枢纽布置方式, 它的工程量最小。对备类混凝土坝型均可适用，尤其是重力坝和重力拱坝,便 于采用溢流坝接厂房顶溢流的布置型式.半个世纪以来，厂房顶过流已发展了 多种型式,归纳起来主要有如下种型式；（】）厂房顶溢流。如我国薪安屯厂重力坝,坝高105米，流量1,20m,库水位到主厂房顶落差6.5米。又如拉 脱维亚的普拉维纳斯(lyavns）河床式水电站，坝高46米,泄洪流量8，loo 从厂

26、房顶下泄，库水位到主厂房顶落差1米，主厂房顶水平，下接凸曲面【11。此外还有我国的池潭、新成、文修，以及保加剥亚的艾纬洛格雷德（Imlo舡1) 和安东尼瓦洛维斯（onivanvlsi）电站,捷克的斯拉皮（Sly)电站，法国的鲍 尔(o)、切斯顿(Chtang)和苯格尔(Laigle）电站,土耳其的卡拉卡W（Kaakaya）电站,西班牙的萨利梅（Salm）电站等也都属于厂房顶溢流2】(Jt4;(2）挑越式婴型查堂三兰堡主兰垡笙茎厂房。如我国乌江渡表孔溢流坝，坝高165米,下泄洪水流量达10，40m；(3) 厂房上方挑流.如法国的蒙台纳尔（Mnteyad)电站,坝高155米,下泄洪水流量2，820

27、m3/s;（4）泄水道架在厂房顶。如吉尔吉斯坦的托克托古尔(Toktogul） 电站，坝高1米，下泄洪水流量，63s。但厂房顶溢流要求厂房顶通过高 速水流，因泄水能量巨大，这种方案须经充分论证后采用，在峡谷区的高拱坝一般不宜采用。在泄洪建筑物的型式确定之后,另一个重要的问题就是消能工的选择，它不 但与三大水力要素(落差、单宽流量和尾水深度)有关,而且与坝型,地质条 件，消能工所处位置,岸坡冲刷等因素有关。消能形式可以概括为以下几种: ()底流消能；（2）挑流消能（)面流消能；（4)内消能工等。底流消能又称为水跃消能，是应用最古老的消能方式，其特点是基于高速射 流在消力池内承受尾水顶托之后，通过

28、水跃突然转变为缓流，射流所含的巨大 动能，除一部分转换为尾水水深外，大部分则为漩滚的紊动所耗散。对地质条 件较差的高、中、低水头大流量闸坝工程，迄今仍认为底流消力池比较安全, 且无水流雾化现象，故国内外采用较多1。国内重力坝大中型水利枢纽大多数采用挑流消能工，如乌江渡、龙羊峡、自山、夙滩等全都采用挑流消能工。挑流消能的关键是挑坎体型的选择,挑坎基 本原理是利用高速水流流向的可导性及水殷形状的可变性，使之对高速水股进 行定向抛射,落人下游水垫的预定位置，由于在空中扩散、掺气可避免对下游河床造成严重冲刷.挑流滇能是高水头泄洪建筑物的主要消能方式之一,它工 程结构简单,不需要修建大量的河床防护工程,

29、在下游地质条件较好时，采用此种消能方式是比较经济合理的。但由于水舌在空中掺气以及入水时溅水形成 的挑流雾化现象，对环境的影响又是非常严重的.面流消能工多用于低水头大单宽流量的泄水建筑物中,常见的有跌坎式和戽 斗式。面流流态复杂，且随下游水深不同而变化，不易控制,下游水面很不稳 定，消能率远不如底流消能、挑流消能高.因此，只有在条件适宜的情况下， 因地制宜地采用才能达到经济合理的目的【9】.戽斗式消能工适用于下游尾水较 深，能淹没鼻坎的情况，一般消力戽的挑角较大，射流水股以较大的曲率挑离戽斗时,可产生较大的涌浪。当尾水位较高时，在戽斗内产生强烈的漩滚,形成所谓“三滚一浪”的流态，达到消能防冲的目

30、的。其优点是消力池比较短，工程简单,节省投资，施工方便,挑流雾化影响小。此种消能方式对河床地质4第一章绪论条件的要求稍高于底流消能，并对岸坡的稳定性也有较高的要求,一般需要在下游设置较长的护岸工程. 阶梯溢流消能工是一种新型的坝面消能工。阶梯溢流坝是结合碾压混凝土施工工艺，将传统的光滑溢流坝面做成具有阶群状的溢流面，和用这些台阶可以消散坝面水流的部分能量,从而降低坝址处水流流速和动能，减小消力池的体积，简化下游消能设施。目前国内外已建成的阶梯溢流坝有0多座，效果良好 嘞【t6)t1.单宽流量小是阶梯坝砸消能的一个翩约因素.由于阶梯坝面的体型特 点,改变了原光滑坝面的水流流态,往往让入担心是否会

31、发生空蚀破坏。据文 献”）t181研究，阶梯的最大负压很小，发生空蚀破坏的可能性不大。相反,由于 阶梯面水流相当破碎，且充分掺气，反而可以避免空蚀。1.内消能工研究的必要性翻现状12内消能工研究的必要性年来，特别是改革开放以来。我国的水利水电事业褥到了快速发展，建 设了一大批水利水电枢纽，如龙羊峡、自山、东江、东风、安康、漫弯、岩滩、 隔河岩、五强溪、二滩、小浪底、三峡等,坝高在100240米左右,最大流量 超过10000m3s，在高水头大流量泄洪消能方面达到了世界先进水平。表12 列出了我过在“210年规划中,计划建设一批坝高200300m、泄洪流量 200000000m3/s、单宽流量20

32、0300m/（sm）的工程.可见，这些工程在泄洪消 能方面的难度更高,它们的设计、建设向高坝水力学提出了新的挑战,其泄洪 消能工程的特点表现为:(1）水头高;小湾和溪落渡的坝高接近300米。水头高导致流速大，一般均超过30s，有的超过50 m3,s，高速水流问题（脉动振动、空化 空蚀、掺气雾化、磨损磨蚀、冲刷）十分突出。（2)流量大：国外高坝设计泄洪流量超过100 o，的工程不多,而我国高 坝多数设计泄洪流量超过100m3/s，如向家坝超过4000ms, 溪落渡超过5000 m弧。（3）河谷狭窄导致泄水建筑物单宽流量大:过去一般认为100 m（sIm） 就是大单宽流量，现在已突破20 m3/（

33、sm），少数已接近300 (）。（4)泄洪功率巨大:出于以上特点导致泄洪功率巨大.下泄功率达数千万千四川大学工学博士学位论文瓦至亿千瓦,如此巨大的能量需要安全泄放和消刹，使泄洪消能 任务相当繁重，给消能防冲设计带来极大的困难,成为筑坝技术的关键难题之一.表12我国拟建高水头大流量泄洪建筑物一览表基本参数泄水建筑物坝高 泄量表孔中孔深孔溢洪道泄洪洞 序号 坝名坝型(m） （m3/s)孔数.宽高孔数宽X高 孔数。宽X高 孔数.宽高孔数一宽高溪落渡拱坝2750118。25x7。544x12向家坝 重力坝 1686踟519x2677xl3龙滩 重力坝 216 355伽1x0.5x4懦札渡 堆石坝 5

34、33001,105x5构皮滩 拱坝2695C6-1657672.67小湾拱坝29 20681xl66x2-1127水布垭 准石坝 232524324x5542151x98瀑布沟 唯石坝 869780.1x1。x.5(导流洞改建)9积石峡 堆石坝 10082014x16。5.1l91.86。81x10公伯峡 堆石坝 1050。75x661.710拉西瓦拱坝5460002-13x12洪家渡 瞻石坝 1825 6991.5因此，对于高坝大流量工程,在枢纽布置上应以泄洪消能为中心，因地制 宜，合理选择和布置不同类型的泄水建筑物，采用组合泄洪及消能方式.在深山峡谷地区修建高坝枢纽,坝址多位于峡谷河床,不

35、宜采用河床分期 导流，也不能应用明渠导流，故只有采用隧洞导流方式。因此,工程完成之后,如何将导流隧洞改建为永久性泄洪洞，是一项具有很大经济效益的工程，故一 直受到国内外广泛关注。如前苏联拉波主持编写的泄水建筑物水力计算手册中关于水利枢纽工程施工导流的基本原则【耵,就提出了“要论证导流建筑物作 为永久泄洪建筑物和发电建筑物的可能性和完全地或部分地利用永久泄洪建筑6第一章绪论物渲泄施工流量的可能性。国外许多工程，在设计时，就很注意施工导流建筑 物与永久泄洪建筑物的结合,在初步设计时,往往就论证了导流洞与泄洪洞（或 发电洞)结合的可能性,并根据实际情况加以统筹考虑，因此,将导流洞改建 为永久建筑物的

36、占绝大多数。例如，当前国外最大的导流洞为前苏联的布列衣和努列克,导流洞尺寸均为宽7米，高22米，前者两条导流洞均改建为永久 泄洪洞,后者三条导流洞改建了二条。从坝高来看,国外坝高20米级的工程,如加拿大的麦卡和新美浓坝，乃至3米级的工程，如前苏联的罗贡坝和努列 克均有将导流洞改建为泄洪洞和放水孔的实践经验或可行性论证的技术设计。近年来,国内高坝建设的步伐随着改革开放的进程而加快，在工程规划设 计中十分重视导流洞永久利用的问题,不少科研单位和院校对此工作积极开展 研究。但由于一些客观因素的影响，使得在导流洞永久利用上,还存在一些困难和疑虑。如在我国已建或拟建的100米至200米级坝高工程中，只有

37、大约三 分之一的工程将施工导流洞利用为永久建筑物,在20米以上的高坝工程中， 将导流洞改建为永久泄洪洞的实铡就很少.国外高坝导流洞的应用比例较大， 国内则偏低,对这样一项经济效益显著，同时技术困难也多的工作，已经引起 了业内人士的广泛关注。在我国导流洞永久利用比例偏低,可能主要有以下几 个因素：(1) 由于施工工期很紧，对泄洪洞的衬砌标准相应提高所需增加的工作量 以及其它工程施工而延长的施工时间无法安排,也就难以将施工导流洞改建为 永久泄洪洞.（)不少工程,在施工导流设计时，根据施工期泄流的需要，常常不得不将 导流洞的高程设置得较低,使得导流洞出口在完工之后，深埋于下游尾水位之 下,给上下游水

38、位衔接设计带来很大困难.（)泄洪时，就需要采用龙抬头式或斜井式再用反弧段与导流洞衔接，但担心导流洞高程低，落差大，流速高,对过水表面不平整度施工要求标准高,稍 一疏忽就导致空蚀破坏。这种担心也不是没有道理，导流洞改建为永久泄洪洞 出现空蚀破坏的例子也不少【 9。如位于美国科罗拉多（Clorado)河的第三梯级格 兰德坝,由导流洞改建为永久泄洪洞的主要参数为：洞径1。5米，泄洪流量 7800m3/s，由相同尺寸的左右两岸泄洪洞分担，水头落差14米，洞内最大过 流流速大41s，采用高进水口，两洞分别设置1，2mxlm的弧形闸门控制. 在泄洪运行后发现，反弧段与原导流洞连接部分发生空蚀损毁;胡佛（o

39、ovr）四川大学工学博士学位论文工程导流洞改建为永久泄洪洞，坝高22米，两条0152m的泄洪洞，单洞流量550m3/s，泄洪时,反弧段发生空蚀破坏;美国菲尔尼罗坝导流洞改建为泄洪洞,条垂13m泄洪洞,单洞泄洪流量350 3/s,洞内水流流速3mls，泄洪时, 反弧段后产生蚀深达米的严重空蚀破坏；阿尔特拉达维拉坝导流洞改建为泄 洪洞，坝高1395米,泄洪流量800 m3s，泄洪时，在导流洞接近出口发生大面积空蚀破坏.又如我国刘家峡水电站导流洞改建为泄洪洞。最大落差03米，流量58065 mas，流速3mls，192年5月建成后,首次正式放水，反弧段 末端被冲成宽13米，长4米，深米的冲蚀坑.有的

40、高坝,不是将导流嗣改 建，而是设计时即布置斜井与平洞用反弧段衔接的泄洪洞,但在运行后,不少 工程同样发生了反弧段下游严重空蚀破坏。如西班牙的圣伊斯坦堡(SnEsteba）泄洪洞,上下游落差50米，最大泄洪流量550 3/s，放水后发现反 弧段末端被冲毁,形成9米高的地下烟囱，数千立方米的岩石和混凝土碎块被 冲出洞口，在洞外下游形成堆丘.从以上事例可见,在100米以上的高坝中,将导流洞改建为泄洪洞，发生空 蚀破坏的几率较大。虽然针对这种情况采取了一些措施,如加强工程控制标准和施工质量,利用掺气减蚀的方法防止空蚀破坏等，对20米以下的高坝泄洪 洞取得了很好的效果.但这些措施能否应用于200米以上，

41、甚至30米以上的 高坝泄洪洞，还有待进一步研究.过去，在00米级的泄洪洞无空化设计的流 速一般控制在3040/s以内，但在30米级的高坝泄洪洞中，可能出现流速 高于50m的特高流速问题,此时会出现诸如超音速流等在空气动力学中才能 出现的现象，是难以用过去高速水力学的知识进行解释的。因此,高速水流中应用的掺气减蚀等措施能否继续采用,还需进一步研究。为了有效地艇决高坝 导漉洞改建为永久泄洪洞问题,除了仍可继续对传统的方法如以提高完善外， 另一个有效途径就是可以采用内消能工,它可以消除泄水道承受特高流速作用 的难题。因此，开展内消能工的研究及推广应用具有巨大的经济效益和现实意义。1.2。2内消能工研

42、究的进展 关于突扩水流的消能机理研究,可追溯到波达（Bora）的计算突扩水流水头损失的公式。普朗特（Pal L.）在计算孔板的水头损失时201，考虑了孔口射流的收缩影响，根据实验结果,他建议采用下式计算收缩系数a值：整二塞堕至一- 睇:0598+0。铆（77为孔口与管道的面积比)，上式适用于町.65时，脉动压力系数随孔径比的增加而迅速增加,当dD.时,脉动压力系数达到最大值，越等于30，此时将发生严重空化.当i0.85以后，脉动压力系数逐渐减小。因此，孔径比不宜大于5，工程中从过流能力与孔板后流动的稳定性来考虑,一般取r/=5.(）孑L板顶部形状孔板顶部形状既对阻力系数有影响，也对空化数有影响

43、。文献19】【删对孔板顶部形状与阻力系数的关系进行过研究.表1。4给出了孔径比为0.69和 O。72时,孔板顶部形状对孔板阻力系数的影响情况,结果表明，刃形斜面向 下游的孔板阻力系数最大，孔板上游侧顶部倒角使阻力系数下降，圆弧半径 越大，阻力系数下降越多，如孔径比为O。72,圆弧半径为028D时，相应孔 板阻力系数只有刃形孔板的三分之一。第一章绪论表3孔板水头损失系数与孔径比q及孔板倾角。的关系 010.0。3O.405.6070O9517228。61.6764。737。27310955182050。072101432953007212.02.4241.10.5670.200841149963

44、1.501.838。3052582120。2。20.05。777301。46566.7471。360.674291052516。1634.63.070.915.981.4640。79O.31。1630170。543.2741。70623l3020.033O1253517883378514.356.55l3.26。6。8360。369134401858339551096.8733。4381750.8870。393O14345192。04114166571943。6140930416O1l509。5l28363207.5ll7771。930.983038015850834.8。997.233。94

45、020251。0480646021.074.1817608。210810690470116521.2474718.2378。424424921871.109040.1767228。37349301887870433.211.140.5l875253975090019.42.94453l2331180.526018680242.2852。192001522746612397122540018524900。89220。659。4947842。4591205394902.905。3120929733。899511.6O5“0。198表14孔板嘎部形状对孔板阻力系数的影瞎叶09O.7U刨刨孔训板-jL项协 惕 搦 搦 髓 搦部形状20。7c7.8-59。7era38。0e0er207era0.7eal0138D002D014DO.18D0.18D038D2,0.2l0。0tl，20l薯.221。051030。90.402五级孔板的两级孔板的条件第一级单级第一级均为四级孔板的第四级13四川大学工学博士学位论文(3)孔板厚度 孔板厚度的大小将影响水流收缩过程是否完全，对阻力系数有 一定的影响.文献1451研究了孔板厚 度对阻力系数的影响，图1.2给出 了3种孔板厚度与管径比(tD） 的T一孝关系曲线。由图可见，孔板越薄，阻力系数越大