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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析 郭军 张东 刘之平 范灵 中国水利水电科学研究院 北京 二滩水电开发公司 四川成都 摘要 高水头 大流量泄洪洞内高速水流问题主要问题之一是水流空化引起过流表面空蚀 几个实际工程泄洪洞 发生空蚀破坏的实例表明反弧段下游一定范围是容易发生空化空蚀的敏感部位 其主要原因是由于反弧段内的水 流流速高 流态复杂 在水流离心力的作用下沿程压力梯度大 水流掺气条件差 缺乏有效的掺气保护 掺气减蚀 是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施 对水流进行三维掺气的减蚀技术有了较大进展 龙落尾 式和 龙抬头 式是高水头 大流量泄洪洞的两种常用布置型式 风险分析认为 龙落尾 式泄洪洞布置对地形地质的适应性更好 即使发生事故对大坝的安全威胁小 也更具有抗风险的能力 关键词 泄洪洞 掺气减蚀 风险分析 中图分类号 文献标识码 泄洪洞是水利水电枢纽工程中一种十分重要的岸边泄水建筑物 早期建设的泄洪洞 包括结合导 流洞改建而成的泄洪洞 其纵剖面多为 龙抬头 的布置方式或深孔直坡式 在实际运行中 有一部分高 水头工程的泄洪洞发生了不同程度的空蚀破坏 如胡佛坝 格兰峡 刘家峡 二滩等 掺气减蚀技术的出 现和应用大大地推动了泄洪洞高速水流问题的研究和发展 科学合理地设置掺气减蚀设施可以对泄洪 洞边墙和底板起到良好的保护作用 已成为国内外广泛采用的解决高速水流空蚀破坏的一项有效工程 措施 我国目前及未来一个时期在西南 西北地区建设一大批大型水电站 其中高水头大流量泄洪洞的水 力学问题十分突出 特别是高速水流的空化空蚀问题还需要给予高度的关注 开展深入系统的科学研 究 以保证工程的安全并节省工程投资 本文以 龙抬头 和 龙落尾 布置方式为主 总结分析国内外大 型泄洪洞的运行实践经验 为今后工程的设计和运行提供技术支撑 对改进泄洪洞的设计和建设 提高 泄洪洞安全运行的可靠度具有十分重要的意义 同时也将继续推动我国在该领域科学技术的发展 泄洪洞布置特点 泄洪洞的立面布置主要分为 龙抬头 式 龙落尾 式 见图 另外还有陡槽式 深孔斜 直 线式和旋流竖井式 表 列出了目前国内外已建和在建典型工程中泄洪洞设计参数及水力学指标 龙抬头 式 早期的高水头泄洪洞的立面布置上通常采用短有压进水口接 龙抬头 的布置方 式 陡坡段与低位平洞之间通过一段反弧衔接 这种泄洪洞布置对高水头泄洪建筑物比较适用 其优点 是在闸门总推力一定的情况下泄洪洞可以获得较大的过流能力 如二滩水电站的两条泄洪洞 泄洪洞 断面 工作弧形闸门面积 最高挡水水头 闸门总推力约 单洞最大 过流能力 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金委员会和二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目 作者简介 郭军 女 福建福州人 教授级高级工程师 从事水工水力学研究 龙落尾 式 由于早期建设的大型 龙抬头 式 的泄洪洞部分在 龙抬头 的反弧连接段附近发生空蚀 破坏 破坏的轻重程度范围大小不一 最长可达数百米 因此在结合溪洛渡大型泄洪洞的设计布置时 考虑了采 取 龙落尾 的布置方式 即将闸门室布置在中部 经过 一段高位小底坡泄洪洞后采用 龙落尾 的形式与下游 短平洞衔接 反弧下游高流速区的泄洪洞长度一般不超 过 一方面增加了有压低流速洞段的长度 使 进水口的布置更加灵活 另一方面将泄洪洞的风险局限 于下游有限的范围内 即使泄洪洞内发生了局部破坏 图 泄洪洞布置形式 对大坝的安全威胁小 采用 龙落尾 布置方式的还有锦屏和白鹤滩高拱坝岸边泄洪洞 正在建设中的 小湾水电站其泄洪洞是介于龙抬头和龙落尾之间的一种布置方式 泄洪洞高速水流问题及其研究进展 对于高水头泄洪洞而言 不论其泄流量大小 都存在高速水流问题 如水流掺气 脉动 空化 空蚀等 等 泄洪洞也是因高速水流引发空蚀破坏案例数量相对比较多的一