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泄水建筑物空蚀防治

泄水建筑物的进口段、闸门槽、反弧段、扩散段、转弯段、分岔段、差动挑流鼻坎和消力池中的辅助消能设施等部位,在承受高速水流时,常因体型不合理或表面不平整而产生空蚀破坏所采取的处理措施。空蚀破坏严重的深度可达数米,长度达数十米。防止和处理空蚀破坏,通常采取以下措施:提高空化区压力和修改体型 提高空化危险区的平均压力,以增大水流空穴数,或修改体型降低其初生空穴数,均能防止和消除空蚀破坏。

泄水建筑物的进口段、闸门槽、反弧段、扩散段、转弯段、分岔段、差动挑流鼻坎和消力池中的辅助消能设施等部位,在承受高速水流时,常因体型不合理或表面不平整而产生空蚀破坏所采取的处理措施。空蚀破坏严重的深度可达数米,长度达数十米。

防止和处理空蚀破坏,通常采取以下措施:

提高空化区压力和修改体型 提高空化危险区的平均压力,以增大水流空穴数,或修改体型降低其初生空穴数,均能防止和消除空蚀破坏。压力泄水洞(孔)的进口顶板、边墙、岔管、门槽及其下游等处,由于体型不合理产生空蚀破坏时,可修改体型降低初生空穴数。采用缩小泄水洞(孔)出口的断面积或利用闸门部分开启的方式,适当降低泄水能力,以提高空化区的平均压力和增大水流空穴数,消除产生空蚀的根源。

利用水保护幕抵抗空蚀 对分流墩和消力池中的辅助消能设施等水工建筑物,可利用水保护幕防止空蚀破坏。中国陆水水电站将原趾墩改为挑角15度的差动式趾墩,使消力池中出现超空穴流,既保持了强烈漩涡的消能作用,又避免了漩涡空化水流对底板的空蚀。这种具有固定水流分离点的消能设施,应研究其适宜的形状,以使空穴离开混凝土表面而消灭于水体中,水层起着屏幕保护作用。

采用抗空蚀性能好的材料作保护层 最好的抗空蚀材料是钢板,尤其是不锈钢。在不锈钢上即使空蚀高度发展,如流速不超过30米/秒,空蚀冲击引起的压力仍处于弹性变形范围,不致发生破坏。美国70年代以来在水头超过45米的新建工程中,在滑动闸门下游一段,常用不锈钢敷面的钢板镶护,认为从长远考虑是合理的,但对振动较敏感,采用时须切实加筋锚固,防止由脉动压力引起的振动。流速较高的泄水建筑物表面,采用高强度混凝土,能减轻空蚀破坏。美国垦务局认为流速超过30米/秒的过水表面,混凝土标号不应低于420号。环氧材料比一般混凝土抗空蚀性能好,用于修补小面积的局部破坏和缺陷,效果较好;但由于环氧对温度变化很敏感,大面积施工时易脱落,且施工较困难。有的国家用钢纤维混凝土和聚合纤维混凝土等新型材料修补大坝的空蚀部位,取得良好效果。

合理地控制和处理不平整度 泄水建筑物表面的不平整突体形状多种多样,试验室将其归纳为垂直升坎、斜坡升坎、跌坎、三角形、弓形和半弓形等几种典型突体,分别给出其相应的初生空穴数,或发生空穴的临界流速和压力,作为控制和处理不平整的标准,使突体初生空穴数小于水流空穴数。美国现行规定,流速13~20米/秒、34~40米/秒和大于40米/秒时,突体磨成1∶20、1∶50和1∶100的斜坡,突体棱角线垂直于水流的,不大于3.2毫米,顺水流的不大于6.4毫米。有的专家提出以允许平均流速和绝对压力为参数,给出控制和处理不平整度的方法。中国北京水利科学研究院建议用水流空穴数控制不平整度,过水断面水流空穴数为0.5~0.35、0.35~0.25、0.25~0.15和小于0.15时,垂直水流方向的斜坡为1∶30、1∶40、1∶50和1∶60。中国刘家峡水电站泄洪洞在修复时,规定棱角线垂直于水流的突体小于2毫米,坡度为1/50。一般说来,美国垦务局给出的标准是以过水断面平均流速为参数,以初生空穴数为依据,标准偏严;苏联以相当突体顶部高度的时均流速为参数,以不产生空蚀的水流条件为依据,标准较美国稍宽;中国在计算水流空穴数和确定处理标准时,有以边界层流速和以断面平均流速为参数的两种方法。根据实践经验,以相当突体高度的边界层流速为参数,计算水流空穴数,确定处理不平整度标准,比较合理,也接近实际。中国根据大量原型调查资料和试验分析,给出稳定蚀深和空蚀发展区的概念,认为根据工程具体情况,可允许轻度空蚀,并提出以边界层流速为参数,按空化强度控制和处理不平整度的计算方法,合理地放宽了处理标准。控制和处理过水表面不平整度应区别对待,反弧部位是空蚀发展区,边界层很薄,要将突体磨成斜坡,使初生空穴数不大于水流空穴数;流速35~40米/秒以上,水流空穴数0.2~0.3以下时要严格控制,有时需特殊处理,或采取掺气减蚀措施;平直段边界层得到发展的部位,其平均流速在30~35米/秒以内,水流空穴数大于0.25~0.30时,其控制标准参照有关计算方法可适当放宽。门槽是边界层很薄的部位,应尽量作水流空穴数大于或等于体型的初生空穴数,并要防止门井进水。对于已经发生的空蚀破坏,严重者按水流条件要求,凿去突体,填平抹光;轻度的不影响泄水建筑物正常运转时,可不处理。突体的棱角要磨成圆角,垂直升坎磨成半径等于其高度的圆角后,初生空穴数约可减半。

向水流底层掺气以减免空蚀 通过泄水建筑物有空蚀危险部位的水流底层,掺气1.5~2.5%,能显著减轻混凝土空蚀,掺气达7%以上时,可完全消除空蚀。1960年美国首先在大古力坝泄水孔出口增设通气槽,向水流底层掺气,防止了空蚀破坏;1975年中国在丰满水电站溢流坝进行掺气减蚀原型试验,效果良好。1982年中国乌江渡水电站进行原型观测,进一步证明了高水头、大单宽流量泄洪采用掺气减蚀设施是成功的。到80年代初,各国已有20多座高坝泄水建筑物,利用水中掺气来防止空蚀。当水深较小时,由于边界层的发展,水流从表面可以得到掺气,当自然掺气发生在空蚀危险区之前,对防止空蚀有重要意义。在较陡的溢流坝坡上,单宽流量15~20米3·秒-1·米-1左右,能满足自然掺气条件。在单宽流量大的泄水建筑物中,可设专用的掺气减蚀设施,如在需要保护区的上游设置挑坎、跌坎、通气槽、侧向突扩、分流墩等,使水流与边界分离,产生空腔,从水层底部吸入空气,流向下游。对于流速在35~40米/秒以上,且水流空穴数低于0.2~0.3的泄水建筑物,采用掺气减蚀措施尤为合理、有效而经济。对采用上述掺气设施的型式和尺寸,应通过计算和水工模型试验确定。