水工建筑物中掺气减蚀的研究.pdf

'２０１５年第６期（总第１５９期）江西建材水利工程水工建筑物中掺气减蚀的研究■储威威■中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北武汉４３０２２３摘要：随着高水头泄水建筑物的增多，高速水流引起的空蚀破坏问题日益受到缩的水气两相流，这种保持一定掺气浓度值的水气两相流具有较大的关注。在泄水建筑物过流面上增加掺气设施以减少或避免空蚀破坏，已压缩性，水流空化数相应提高，可在一定范围内减轻或避免空泡溃灭时经成为目前较为通用的工程减蚀措施。本文回顾了空蚀破坏的机理，重产生的破坏。点介绍了掺气减蚀的概念及工程措施、研究方法，对水工建筑物中掺气２．２掺气减蚀的工程措施减蚀的研究进行了系统的综述，希望能为掺气减蚀研究提供一定的借由于掺气减蚀设施技术在工程形式上施工简单，又具有很好的减鉴。蚀效果，加之相对成本低，很多水利工程都采用这种设施，水工设计手关键词：高速水流空蚀破坏掺气减蚀数值模拟册中规定：当空化数Ｋ值小于０．１－０．３时，设计就必须考虑空化问题。掺气减蚀设施的工程形式多种多样，常见的形式包括有挑坎、跌目前，在我国的大坝建设中出现了很多高坝，大流量、高水头泄洪坎、掺气槽以及它们之间的组合等，当高速水流经过这些突变处便形成建筑物也相应增多。高水头泄水建筑物的过流面常常发生空蚀破坏，射流，并且产生稳定的空腔，由于空腔与外界相通，因为水流的剧烈紊这不但直接影响水工建筑物的运行，严重时更会导致工程失事。研究乱，水流中会掺入空气，在下游近壁水层强迫掺气，就对下游一段范围者开始积极探索防止空蚀破坏的措施，根据空蚀破坏产生的原因，总结内起到减蚀保护作用。主要的技术措施有：加强对于边界体型的规划设计，有效控制初生空化２．３掺气减蚀的研究方法数；适当地提高局部压强；改善施工质量，重点提升水流流经表面的平所有的高速水力学问题，由于其复杂性，基本都是通过理论研究、整化；掺气减蚀；提高边界的物理抗破坏能力，合理选用材料；改善运行试验研究、数值模拟三种途径进行研究的。工况条件。在以上阐述的技术措施中，掺气减蚀的方法是最有效的而［１－２］理论研究是先分析找出流体运动规律，提出各种简化流动模型，再且也是最经济的，在国内外的实际工程中得到了广泛应用。建立控制方程，给定假设条件，推导和运算出解析解。目前，在解决实掺气减蚀的研究方向分别是实际应用研究和掺气机理研究两个方际问题时，特别是在初设阶段，应用最多还是理论研究方法。但是理论面。实际应用方面指的是与具体工程结合，重点研究掺气设施的布置［４］研究法也有很多无法解决的问题，例如以非线性为主的流动现象。及建筑体型优化、减蚀的具体方法及减蚀效果等；掺气机理方面指的是试验研究可分为两种，一种是模型试验，就是建立起一定比例的模研究空化空蚀的产生、掺气水流的产生等。在掺气减蚀工程措施的设型，在模型上进行试验，因比例的变小会产生缩尺效应等问题，所以模计过程中，主要还是依赖模型试验结果及工程经验而没有可靠的设计型试验只能定性的解决一些主要特性的问题，模型试验的结果与原型准则，所以掺气减蚀问题的研究还有待进一步深入。结果还存在一定的差距；另一种是原型观测，虽然在数据成果质量相对１空化空蚀较好，但是试验中会受到各种自身条件以及量测技术的制约，这两种试１．１空化与空蚀［５］验研究方式的成本都很高。１９世纪３０年代，由于巴拿马麦登坝的泄水建筑物发生严重的空蚀数值模拟方法则弥补了试验研究的缺点，在低耗时、低花费情况下破坏，才使得空化空蚀问题的研究逐渐成为流体力学的一项重要课题。给出比模型试验更详细的流场内部流动细节，并且只要数值模拟的模空化是包含液相和气相的两相流现象，空化现象是水流在一定的型建立、控制方程、边界条件和数值计算方法正确，则可以较快地给出温度条件下，当压强降低至饱和蒸汽压强时，水流内部的微小气核可以流场的计算结果，摆脱了试验客观条件的约束。ＣＦＤ（计算流体动力发生汽化进而发育成，所以产生空化的区域出现充满蒸汽和空气的空学）技术既突破了模型试验研究的制约，还因其利用计算机强大的运算穴、空洞或空腔的现象。水流内部这种动过程包含液体内部气泡的初能力可以解决理论分析中的问题，所以计算流体力学ＣＦＤ推动了流体生到发育再到空泡溃灭，当局部压强升高时，如果这种空气气泡在距离力学的快速发展。数值模拟的方法也越来越多的应用在掺气水流的研边界附近发生溃灭，历时非常短，但产生反复的冲击力作用于边界，当究之中。这种冲击作用大于边界材料抗破坏能力时即产生破坏，称为空蚀现象。３结语所以说空蚀是结果，是空化破坏能力和边壁材料抗空蚀强度综合［３］目前，对于掺气减蚀的研究，在掺气机理研究和实际应用研究两个的结果；空化是过程，空蚀是由空化引起的。对于空蚀机理的认识，方面都还有很多问题没有解决。第一，掺气减蚀设施是工程实践在前，上个世纪五十年代之前，人们主要认为是空泡溃灭所形成的冲击波对而对于掺气机理的研究不够深入。究其原因，掺气减蚀技术涉及水气边壁造成的破坏形成的，而之后出现另一种理论认为是空泡溃灭时形两相流领域，具有一定难度。第二，由于用于研究的试验模型与工程原成的微射流冲击壁面可能是造成壁面破坏的最主要原因。型之间存在着相似关系的引申和缩尺效应，并且模型在比尺与流量均１．２空蚀破坏的原因较小的情况下，缩尺效应越显著。通过大量的原型观测发现，试验模型为了降低或减免空蚀破坏，研究发现泄洪建筑物发生空蚀破坏的的缩尺效应问题尚未得到很好的解决。第三，掺气减蚀技术中数值模原因主要涉及到规划设计、施工质量和运行管理等方面，影响空蚀的主拟中数学模型的建立尚处于初步阶段，数值计算结果与试验实测结果要因素有三个方面，一是水流的空化数，空化数是衡量水流是否容易发［６］吻合还不够理想，有待今后进一步发展和完善。第四，掺气减蚀研生空化的判别指标，空化数越小，就越易于发生空化；二是流速高，一般究的进展还依赖于测量技术的完善，近年来，随着科学技术的进步，出认为，当陡坡上的的水流流速威２５～３５ｍ／ｓ时，就应考虑掺气减蚀；三现了一些新的测量技术。尽管试验中的量测技术相比以前有了很大的是低压及混凝土表面不平整度，当流速很高时，对不平整度的控制也不改善，但是随着试验研究的进一步深入也提高了对量测技术的要求。易达到要求。根据前人实践总结，容易产生空蚀破坏的位置主要分布第五，优化掺气设施常常是在具体工程基础上进行的，有其自身工况的在泄水道进出口、高压闸门门槽以及船闸廊道闸室，还有溢流坝反弧末特殊性，所以在用于其他工程就出现适应性问题。端及其尾部底板、两侧边墙等位置。２掺气减蚀参考文献２．１掺气减蚀的机理［１］Ｃａｖｉｔｙｌｅｎｇｔｈｂｅｌｏｗｃｈｕｔｅａｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅｉｎＣｈｉｎａ（ＳｅｒｉｅｓＥ∶Ｔｅｃｈ掺气减蚀机理是将掺气设施设置在高水头泄水建筑物的溢流表面ｎｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ），２００８，（０２）．（下转第９８页）上帮助形成通气空腔，此时空腔中会产生负压强迫水流掺气，形成可压·９６· 施工队伍应是将来碾压混凝土施工的专业化队伍。试验前，应对队伍４结束语进行全员培训，并进行详细的技术交底。施工单位必须建立健全施工在经济快速发展的今天，碾压混凝土作为一种较新的混凝土，已经质量保证体系，并不断检查质量保证体系，落实情况及人员、仪器设备有了几十年的发展历史。碾压混凝土坝具有混凝土的强度高、体积小、等情况。现场值班技术人员定员定岗对碾压混凝土试验实施全过程监坝身可溢性、防渗功能好等优点，而且其施工过程简单、经济和快捷。督。随着碾压混凝土研究和应用水平的不断提高，该技术在水电站等有关（５）碾压混凝土施工中，要保证层间结合良好，避免层间间歇时间的大坝建设方面得到广泛的应用，相信在今后的发展中，其优越性也会太长，防止冷缝发生。如果表面出现裂缝，质量部应对裂缝位置、宽度、得到更加充分的体现。深度及处理措施等做好详细记录。碾压混凝土表面产生质量缺陷时，质量部应对其原因进行分析，并同有关部门提出处理措施。坝体上下参考文献游表面及其他外露面质量情况，在拆模后由质量部负责检查。对较大［１］张旭维．浅谈大坝护坡混凝土施工方法［Ｊ］．黑龙江科技信息，２００７的质量问题必须及时进行处理，不得遗留下来，否则要追究责任。质检（０９）．人员和施工人员都必须树立“预防为主”和“质量第一”的观点，严格控［２］韩贻和．水利工程混凝土施工质量控制［Ｊ］．科技资讯，２０１０（２７）．制每一道工序的操作质量，防止发生质量事故。檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第９２页）起有效的创新体制机制。其次通过多元化评价主体的参考文献建立，使小型农田水利设施建设评价及考核更具严肃性和权威性，从而［１］陈孝琴．小型农田水利工程建设问题的探讨［Ｊ］．机电信息，２０１０形成分类的项目绩效管理模式，实现投资与所有权的统一、受益与责任（６）：１７－１７．的统一，进一步促使建设和管理责任的落实。［２］袁志国．新形势对农田水利建设的影响及对策研究［Ｊ］．水利科技与经济，２０１０（２）：２１３－２１４．檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第９３页）护工作能够最大限度的降低混凝土产生的收缩力。早期养护工作主要是对浇(构建进行湿润和保温，在条件允许的情况下，参考文献大体积浇(构件要采用流水养护或者蓄水养护的方法。浇(养护时间［１］马杰，刘飞．水利工程中混凝土裂缝成因及预防措施［Ｊ］．科技创新长度是２－４周，另外还需要在施工时考虑浇(的水化热现象。与应用，２０１２（０８）：１３９．５结束语［２］吴娜．水利施工中的混凝土裂缝成因及其控制措施［Ｊ］．江西建材，水利工程施工中浇(裂缝问题是一个较为常见且长期存在的问２０１４（２４）：１６９．题，要解决这一问题，必须坚持早期养护控制为主，后期维护不久为辅［３］黄耿华．水利工程混凝土裂缝的成因及控制措施［Ｊ］．科技风，２０１３的原则，严格把控施工设计、原材料、施工过程和后期养护几个关键环（３）：１１５．节，才能将浇(裂缝问题造成的损害减小到最低。檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第９４页）工过程之中，防渗技术为较复杂的一项技术，且目前许参考文献多水利项目中均需采取防渗技术，所以，对各类水利工程的防渗技术开［１］董先军．基于水利工程施工防渗技术治理措施研究［Ｊ］．科技致富展全面、系统的研究显得十分必要。尽管水利工程防渗施工技术正处向导，２０１３（１４）．于不断完善与改进中，但在水利工程中渗水问题依旧存在，并且在水利［２］梁革平．关于水利工程施工中防渗技术的分析［Ｊ］．科技创业家，工程实际施工时具体采用哪类施工工艺与防渗技术，不但要与工程实２０１４（０４）．际所需相结合，还要更为深入的进行探索及不断总结经验，从而促进水［３］陈晗，赵丽萍．水利工程施工建筑防渗技术探讨［Ｊ］．中国建筑金属利工程的健康发展。结构，２０１３（０７）．檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第９５页）参考文献４结语［１］徐有班．赵方．分析水建工程的防渗透技术［Ｊ］．西部探矿工程，水工建筑工程的安全问题将直接影响到日后在防洪、灌溉、供电等２００２，（１）．方面发挥的作用，水工建筑对提高人民的生活水平以及社会的进步等［２］林楚琴．．水工建筑存在质量问题分析及防治对策研究［Ｊ］．西部探方面有着重大意义。因此，充分的探析我国水工建设所存在的安全问矿工程，２００１，（４）．题并积极的完善此类问题，将会有助于确保中国水工建筑工作的有效［３］何智宇．水工建筑运行安全性分析［Ｊ］．城市道桥与防洪，２００５，进行。（４）．檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第９６页）学，２００５．［２］张立恒，许唯临．掺气减蚀设施空腔回水问题的试验研究［Ｊ］，科学［５］董延超，溢洪道弯道水流的模型试验及数值模拟研究［Ｄ］，沈阳农技术与工程，２００６，６（１５）：２３８８－２３８９．业大学，２００６．［３］李建中，宁利中，高速水力学［Ｍ］，西北工业大学出版社，１９９４，１２．［６］吴持恭，高速水力学研究的进展［Ｊ］，大自然探索，１９９２，１１（３）：１００［４］艾海峰．三维数值模拟在水利水电工程中的运用［Ｄ］．天津：天津大－１０６．·９８·'