掺气减蚀简介

掺气减蚀简介
1 概述
掺气减蚀措施最早应用于水力机械，在高水头泄水工程中的应用是在20世纪60年代开始的，美国的大古力坝(Grand Coulee Dam)泄水孔锥形管出口下游在屡次发生空蚀破坏后，设置了掺气槽，以后没有发生过空蚀破坏，掺气被证明是解决空蚀破坏的最有效的途径。

国内的第一个采用掺气减蚀设施的是冯家山水库的泄洪洞。

目前掺气减蚀已在溢洪道、泄洪洞、陡槽、闸下出流、竖井等高水头大单宽流量的泄水建筑物中得到广泛的应用，并取得了显著的减蚀效果和社会经济效益。

随着坝工技术的提高和水电建设事业的发展，我国高坝建设发展迅速，坝高不仅突破了200m，而且已进入300m量级，高水头、大流量泄水建筑物不断增多，与之相关联的脉动、振动、空化、空蚀、冲刷、雾化等一系列高速水力学问题日益突出，受到水利工程人员的广泛关注。

随着泄水建筑物水头越来越高，最大泄流速度高达40m/s，有的甚至超过50m/s，水流空化数大大减小，致使泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏，空蚀破坏的强度大约与水流流速的5~7次方成比例。

空蚀不仅破坏泄流建筑物的过流表面，影响过流性能，降低泄流能力，严重时可导致泄流建筑物不能正常运行，甚至引起振动，导致工程破坏等。

总结目前泄水建筑物运行的成功经验，当过流表面的流速超过35m/s时，应设置掺气减蚀设施。

Peterka等的试验研究表明，向水流低压区通气是防止空蚀的有效方法。

当水中的掺气浓度达到C=1%~2%时，即可大大减轻固体边壁的空蚀破坏；当掺气浓度达到C=5%~7%时，空蚀破坏可完全消失。

还有一些研究表明，当水中近壁处的掺气浓度为C=1.5%~2.5%时，混凝土试件的空蚀破坏显著减少；当水中近壁处的掺气浓度达C=7%~8%时，则空蚀现象基本消失。

这是因为水中含气量较高时，增加了水气混合体的可压缩性，对气泡溃灭时所产生的冲击力起缓冲作用，减轻了它的破坏能力。

概括地讲，掺气减蚀的基本原理就是在泄槽高速水流区设置掺气坎、槽，当水流经过掺气设施时产生分离，在其下游形成掺气空腔，在高速水流的紊动作用下，迫使大量空气掺入水流中，对水流掺气，形成可压缩性的水、气混合体。

当
挑射水流重新回到底板上时，水流中抉带了大量的空气，致使近壁水层自然掺气。

当近壁掺气浓度达到一定值时，在一段距离内的泄水建筑物过流表面可减少或避免空蚀破坏。

2 掺气减蚀设施
掺气减蚀设施必须满足的基本原则是：掺气设施应设置在容易产生空蚀部位的上游，在其运用水头范围内形成并保持一个稳定通气空腔，同时应该防止通气井、槽的堵塞，以保证下游水流有足够的掺气浓度；应力求保证通过掺气设施的水流平顺，避免因设置掺气设施而恶化下游水流流态和过分抬高水面线，以及避免明流隧洞局部封顶、明槽边墙浸水、过高的水翅冲击其他建造物或增大冲击动压等水力现象；掺气设施本身要有足够的强度和工作的可靠性，水舌冲击还应避开伸缩缝和施工缝。

同时，掺气减蚀设施的体型应力求简单，以便于施工并保证本身不受破坏。

掺气减蚀设施的一般工程形式，是在泄水建筑物过流面上设置掺气槽、掺气挑坎(在侧壁上亦称折流器)或突跌错台等。

水流经过这些突变处，即脱离边壁，形成射流，射流水股下面(或侧面)出现了空腔，通过两侧预留的突扩或预埋的通气管，将空气导入空腔.射流水股下缘在行进过程中，将扩散掺气形成掺气层，当它重新回落底板或扩散至侧壁时，又卷入部分空气，致使下游近壁水层成为掺气水流，在沿程一段距离内可保持其掺气浓度不小于某一防蚀有效的最低浓度值，这样这段距离内的过流面不致遭受空蚀破坏。

在高水头泄水建筑物的过流表面上设置掺气设施，使水流强迫掺气以减轻或避免高速水流产生的空蚀破坏，是一项在国内外水利水电工程中应用越来越广泛的实用技术。

本世纪60年代以来，人们对强迫掺气的研究的增多，也推动了掺气减蚀措施的优化研究的发展。

目前，水利工程中泄水建筑物上主要应用的基本掺气设施体型包括以下几种：（1）掺气挑坎
使用挑坎使水流向上挑射，脱离坎的下边界。

当挑坎具有一定的高度时，就能在坎下形成空腔，在各级水头和流量下均可以形成一定长度的稳定空腔，使水流掺气。

但当挑坎的高度过低时，水舌下底缘的反向漩滚会淹没空腔;挑坎高度过高时，一方面射流水舌回落到底板的冲击压强较大，另一方面对原水面扰动较大，
会抬高水面高度，在明流泄洪洞中可能造成封顶的现象，威胁洞身安全。

加设适当的挑坎高度，基本不变动原过流边界，在新建和改建工程中都可以采用，但它对过流建筑物流态影响比较大。

（2）掺气跌坎
采用上下游过流边界错开一定的高度，形成一跌坎，使水舌脱离坎的下边界，形成空腔进行掺气。

对原水流的扰动较小，水舌落水对底板的冲击力也小，不致产生冲击波。

一般在新建工程中采用，为了得到相同的空腔长度，掺气跌坎的高度要高于挑坎。

（3）掺气槽
在泄水建筑物过流面上垂直于水流方向构筑一掺气槽，其作用是在射流形成空腔的情况下，用以增大空腔体积，保证正常通气。

掺气槽的尺寸大小应该满足布置通气出口的要求。

一般而言，挑坎体型简单，但其具体尺寸的确定与来流的水流特性（流量、流速、水深）和泄水建筑物底板坡度等因素有关；这种掺气设施易于形成稳定的空腔，但如果坎高过大，则对原水面的扰动过大，将水面抬得过高而减小洞顶余幅，且水舌回落至洞身底板时冲击压力较大。

跌坎对原水流的扰动较小，但水舌回落在较小的底坡上时，反旋较强，空腔范围小且不稳定。

掺气槽对进气有利，且掺气比较充分，可以增大空腔体积，形成稳定、完整的掺气空腔，这种掺气设施体型比较成熟，运行情况良好；但在小底坡时，掺气槽内容易出现积水，难以排除。

综上可知，各种单一的掺气设施体型都既有它的独特优势，也有不尽人意之处。

因此，在工程实践中，为了充分利用各掺气设施的优势，克服其不足，通常采用将它们组合在一起，共同到达掺气减蚀的目的。

常见的组合式掺气设施包括：（1）挑坎与跌坎组合
为了提高掺气的强度，增加保护长度，可以考虑在降低跌坎高度的同时，在跌坎上增设小挑坎。

这样，既可以保证掺气空腔的长度，又便于通风井的布置。

（2）挑坎与掺气槽组合
在掺气槽的上游设置挑坎，这种形式对水流的扰动比较小，流态较为平顺。

但在小底坡过流较长的建筑物中，这种形式在掺气槽内容易引起积水和泥沙的淤堵。

（3）跌坎与掺气槽组合
对来流扰动小，具有便于通气井的布置、低Fr数流动情况下增加水气接触面和通气量等特点。

（4）挑坎、跌坎和掺气槽组合
实践证明，这种掺气坎的体型简单，施工方便，多用在泄水建筑物陡坡段。

3 掺气减蚀设施研究中存在的问题
（1）机理研究落后于工程实践。

掺气减蚀设施，工程形式简单，减蚀效果明显，具有实用价值，因而国内外高水头泄水建筑物采用者有日渐增多的趋势。

二滩、龙滩、构皮滩、拉西瓦、小湾、锦屏一级等工程的泄洪中的流速在50m/s左右或更高，因此遇到的高速水流问题难度之大，也是世界罕见，其防蚀保护问题更为突出，掺气减蚀是最有效的技术措施之一。

目前掺气减蚀设施的工程实践在先，而有关机理和检测技术的研究进展相对较为落后.掺气坎（槽）各项水力指标的设计、计算多依赖于经验性的公式和定性估计，理论研究亟待加强。

（2）传统的掺气减蚀设施的型式尚无法满足各种复杂条件下的工程需求。

工程实践表明，在一些条件下，传统的掺气设施体型己经难以满足工程实践需要，如溢流反弧后仅有底部掺气，易出现边墙清水三角区；又如小底坡上的连续坎有时难以避免空腔回水。

因此，对掺气坎类型有必要不断加以新的探讨。

（3）非均匀流段掺气水流运动特性有待深入认识。

以往的掺气减蚀研究主要集中在均匀流段，包括空腔长度、掺气保护范围等，而对诸如反弧段等非均匀流段的浓度扩散、气泡上浮等问题，目前的认识还相当匾乏。

（4）空腔回水问题。

研究发现，在小底坡、低Fr数的情况下设置掺气槽坎，由于重力影响十分显著，掺气空腔区流线弯曲严重，往往造成空腔内回水。

空腔回水的存在对掺气设施的水力特性及掺气效果有明显的影响，因为空腔回水是制约有效空腔长度的一个主要因素，它将使掺气空腔时长时短、时有时无、极不稳定，回水达到一定深度时还可能阻塞进气通道，影响掺气效果，不利于水流充分掺气，甚至掺不进气，严重时甚至造成空蚀破坏。

因此，空腔回水问题也成为掺气减蚀设施研究中的一项重要课题。