董箐水电站工程溢洪道宽大泄槽掺气设施设计
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（ Power China Guiyang Engineering Co. ，Ltd. ，Guiyang 550081 ，China）
Abstract： Dongqing Hydropower Station Project spillway chute width is up to 50m. A novel aerator shape suitable for large chute is designed according to aeration cavitations reducing principle. Novel aerator has more prominent and evener aeration effect according to numerical calculation analysis. Technical difficulty in aeration in large chute is solved. The novel aerator has advantages of simple structure，easy construction and prominent effect with excellent promotion application value. Keywords： Dongqing Hydropower Station； spillway； large chute； aerator； design
董箐水电站工程溢洪道宽大泄槽 掺气设施设计
李水生，李晓彬，申显柱
（ 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 ，贵阳 550081 ）
摘 要： 董箐水电站工程溢洪道泄槽宽度达 50m， 根据掺气减蚀原理， 设计出了一种适应宽大泄槽的新型掺气
坎体型。经数值计算分析，新型掺气坎掺气效果更明显 、 均匀， 解决了宽大泄槽中部掺气的技术难题 。 该新型 掺气坎结构简单、易于施工、效果明显，具有良好的推广应用价值 。 关键词： 董箐水电站； 溢洪道； 宽大泄槽； 掺气坎； 设计
3 量 266. 94m / （ s·m） ，最大流速 37. 64m / s。
1
概
况
董箐水电站位于贵州省贞丰县与镇宁县交界处 ， 装机容量 880MW，为Ⅱ 等大 （ 2 ） 型工程 。 开敞式溢 洪道 布 置 在 左 岸 ， 引 渠 底 板 高 程 460m， 堰 顶 高 程 468m，堰顶为 4 孔出流，孔口尺寸为 13m × 22m （ 宽 × 高） ， 泄 槽 等 宽 段 净 宽 50m、 长 680m， 纵 坡 i = 7. 50% ，采 用 挑 流 消 能 。 溢 洪 道 在 校 核 洪 水 位 493. 08m 时 ，最大泄流量 13347. 07m3 / s， 相应单宽流
52
科学研究及工程设计 Scientific Ｒesearch ＆ Engineering Design
坎新体型。经计算分析 ，新型掺气坎的掺气效果明显 好于传统掺气坎 ，并经实际泄洪观察 ， 泄槽内水流掺 气效果良好 。
2
掺气设施设计方案
董箐水电站溢洪道掺气坎采用简单的挑坎式 ， 泄
槽为直坡矩形结构 ， 分别在桩号 0 + 200m （ 掺 气 坎 一） 、0 + 350m （ 掺气坎二 ） 及 0 + 500m （ 掺气坎三 ） 位置设置了 3 道掺气坎 ， 掺气有效保护长度 150m。 3 道掺气 坎 的 水 平 长 度 均 为 20m， 坎 高 分 别 为 3m、 2m、2. 5m。在 泄 槽 两 侧 边 墙 设 置 常 规 掺 气 孔 ， 为 2. 0m × 1. 0m 的矩形断面 ， 可以有效补充边墙附近的 水流掺气。同时为保证泄槽中部水流充分掺气 ， 设置 独立的进气通道向泄槽中部的水流补气 。 采用圆形不 锈钢钢管作为进气通道 ，钢管将空气直接引至泄槽中 部 。钢管浇筑 在 边 墙 和 挑 坎 中 ， 通 气 主 管 直 径 1m， 在挑坎直立面从边墙侧至泄槽中间依次布置掺气支 管 ，间距 3m，依次布置 3 根直径 400mm 和 1 根直径 1000mm 的掺气支管 ， 管径由小到大 ， 在泄槽中间部 位支管管径最大 ，以保证能够有充足的空气到达泄槽 中部 。这种组合方式保证了掺气坎全断面均匀掺气的 效果 。 新型掺气坎结构轴测图见图 1 ，大样图见图 2 。 采用数值计算方法对这种新型掺气坎的掺气效果
14. 2m，新型掺气坎的掺气空腔长度比传统掺气坎增 加 3. 2m。
5
结
语
对于宽大泄槽掺气设施的研究目前存在几个问 题 ： 一是关于泄槽掺气的研究都是针对纵向掺气效果 方面 ，未见有对宽大泄槽的横向掺气均匀性和泄槽中 部掺气效果方面的研究 ； 二是目前的研究成果基本都 是基于泄洪洞窄泄槽的掺气体型 ，所涉及的掺气设施 规模都比较小 ，对宽大泄槽的大型掺气体型设计与研
以上数值计算分析成果 ，虽然只计算了模型单元 格中空气的含量比例和挑坎射流空腔长度 ， 未考虑的 边界条件比较多 ，但这两项参数是评价掺气坎掺气效 果的最直接指标 。通过初略的计算分析 ， 新型掺气坎 在宽大泄槽的掺气效果明显好于传统掺气坎 。
4
工程运行情况
从 2010 年汛期至今 ， 董箐水电站溢洪道经过了
图1
新型掺气坎结构轴测图
1 —泄槽底板； 2 —掺气坎； 3 —边墙内竖向掺气钢管 ； 4 —常 规掺气孔 ； 5 —挑坎内横向掺气钢管 ； 6 —400 掺气支管 ； 7 —1000 掺气支管
图3
传统掺气坎单元格气体含量比例分布示意图
53
科学研究及工程设计 Scientific Ｒesearch ＆ Engineering Design
中图分类号： TV212
文献标识码： A
8241 （ 2014 ） 12005203 文章编号： 1673-
Design of Large Chute Aerator Facility in Dongqing Hydropower Station Project Spillway
LI Shuisheng ，LI Xiaobin，SHEN Xianzhu
3 进行分析 ，以 3000m / s 常遇泄量工况作为计算条件 。
wk.baidu.com
图2
掺气坎结构大样图
3
数值计算分析
传统掺气坎和新型掺气坎的数值计算采用 kε紊 流模型 。计算时 ，假定模型中每个单元网格体积均为 1 ，当单元网格中没有气体全部为水时 α w = 1 ； 当单 元网格中没有水全部为气体时 α w = 0 ； 当单元网格中 ε 紊流模型引入 为水气混和体时 α w 在 0 ～ 1 之间 。 kVOF 法 ，体积分数采用加权平均 。 传统掺气坎和新型掺气坎单元格气体含量比例分 布见图 3 、图 4 。 对计算图形进行分析 ， 可以看出新 型掺气坎的掺气效果比传统掺气坎明显要好 ， 传统掺 气坎底部单元格内气体含量比例基本在 0. 2 ～ 0. 4 之 间，而新型掺气坎在 0. 6 左右， 最大达到 0. 7 ， 增大 约 2 ～ 3 倍。两种掺气坎后的空腔长度分别为 11m 和
溢洪道在采用传统方式进行两侧掺气坎水力学模 型试验过程中发现 ，在泄槽中部位置坎后空腔回水较 多，补气空腔较小 。分析认为 ，宽大泄槽由于气流被 靠近掺气孔位置的水流带走 ，导致中间部位水流掺气 效果差 ，泄槽中部存在掺气不足的可能 。 为此 ， 董箐 水电站对掺气坎的掺气方式进行了研究 ， 从重点解决 泄槽中间部位掺气的思路出发 ，设计了宽大泄槽掺气
图4 新型结构水气两项体积分数分布示意图
究方面开展的工作却不多 ； 三是当前对溢洪道泄槽宽 度方面的研究较少 ，规范中也没有对泄槽的单槽宽度 作相关要求和说明 。 董箐水电站工程溢洪道掺气设施研究采用水力学 模型试验 、数值计算分析等方法 ，设计出了一种适应 宽大泄槽的新型掺气结构体型 ，计算分析和实际运行 结果表明 ： a. 新型掺气坎保留了两侧边墙的通气孔 ， 两侧 通气孔可以有效补充边墙附近的水流掺气 ， 钢管将空 气直接引至泄槽中部 ，改善了泄槽中间部位的掺气效 果 ，这种组合方式保证了掺气坎全断面均匀掺气 的 效果 。 b. 新型掺气坎能有效解决宽大泄槽中部掺气的 技术难题 ，根据泄槽宽度的不同 ，可以调整钢管的直 径和沿线开孔的位置 ，结构简单 、 施工方便 ， 掺气效 果更明显 、均匀 。类似工程应用时 ， 可以根据实际需 要 ，并结合大比尺模型试验调整结构参数 。
多次泄水检验 ， 最大泄量约 3000m / s。 经实际观测 ， 溢洪道泄槽内水流流态较好 ，水流呈雪白色 ， 表明掺 气效果良好 。泄槽流态及掺气效果见图 5 。
3
图5
溢洪道泄槽流态及掺气效果
54
Abstract： Dongqing Hydropower Station Project spillway chute width is up to 50m. A novel aerator shape suitable for large chute is designed according to aeration cavitations reducing principle. Novel aerator has more prominent and evener aeration effect according to numerical calculation analysis. Technical difficulty in aeration in large chute is solved. The novel aerator has advantages of simple structure，easy construction and prominent effect with excellent promotion application value. Keywords： Dongqing Hydropower Station； spillway； large chute； aerator； design
董箐水电站工程溢洪道宽大泄槽 掺气设施设计
李水生，李晓彬，申显柱
（ 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 ，贵阳 550081 ）
摘 要： 董箐水电站工程溢洪道泄槽宽度达 50m， 根据掺气减蚀原理， 设计出了一种适应宽大泄槽的新型掺气
坎体型。经数值计算分析，新型掺气坎掺气效果更明显 、 均匀， 解决了宽大泄槽中部掺气的技术难题 。 该新型 掺气坎结构简单、易于施工、效果明显，具有良好的推广应用价值 。 关键词： 董箐水电站； 溢洪道； 宽大泄槽； 掺气坎； 设计
3 量 266. 94m / （ s·m） ，最大流速 37. 64m / s。
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概
况
董箐水电站位于贵州省贞丰县与镇宁县交界处 ， 装机容量 880MW，为Ⅱ 等大 （ 2 ） 型工程 。 开敞式溢 洪道 布 置 在 左 岸 ， 引 渠 底 板 高 程 460m， 堰 顶 高 程 468m，堰顶为 4 孔出流，孔口尺寸为 13m × 22m （ 宽 × 高） ， 泄 槽 等 宽 段 净 宽 50m、 长 680m， 纵 坡 i = 7. 50% ，采 用 挑 流 消 能 。 溢 洪 道 在 校 核 洪 水 位 493. 08m 时 ，最大泄流量 13347. 07m3 / s， 相应单宽流
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科学研究及工程设计 Scientific Ｒesearch ＆ Engineering Design
坎新体型。经计算分析 ，新型掺气坎的掺气效果明显 好于传统掺气坎 ，并经实际泄洪观察 ， 泄槽内水流掺 气效果良好 。
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掺气设施设计方案
董箐水电站溢洪道掺气坎采用简单的挑坎式 ， 泄
槽为直坡矩形结构 ， 分别在桩号 0 + 200m （ 掺 气 坎 一） 、0 + 350m （ 掺气坎二 ） 及 0 + 500m （ 掺气坎三 ） 位置设置了 3 道掺气坎 ， 掺气有效保护长度 150m。 3 道掺气 坎 的 水 平 长 度 均 为 20m， 坎 高 分 别 为 3m、 2m、2. 5m。在 泄 槽 两 侧 边 墙 设 置 常 规 掺 气 孔 ， 为 2. 0m × 1. 0m 的矩形断面 ， 可以有效补充边墙附近的 水流掺气。同时为保证泄槽中部水流充分掺气 ， 设置 独立的进气通道向泄槽中部的水流补气 。 采用圆形不 锈钢钢管作为进气通道 ，钢管将空气直接引至泄槽中 部 。钢管浇筑 在 边 墙 和 挑 坎 中 ， 通 气 主 管 直 径 1m， 在挑坎直立面从边墙侧至泄槽中间依次布置掺气支 管 ，间距 3m，依次布置 3 根直径 400mm 和 1 根直径 1000mm 的掺气支管 ， 管径由小到大 ， 在泄槽中间部 位支管管径最大 ，以保证能够有充足的空气到达泄槽 中部 。这种组合方式保证了掺气坎全断面均匀掺气的 效果 。 新型掺气坎结构轴测图见图 1 ，大样图见图 2 。 采用数值计算方法对这种新型掺气坎的掺气效果
14. 2m，新型掺气坎的掺气空腔长度比传统掺气坎增 加 3. 2m。
5
结
语
对于宽大泄槽掺气设施的研究目前存在几个问 题 ： 一是关于泄槽掺气的研究都是针对纵向掺气效果 方面 ，未见有对宽大泄槽的横向掺气均匀性和泄槽中 部掺气效果方面的研究 ； 二是目前的研究成果基本都 是基于泄洪洞窄泄槽的掺气体型 ，所涉及的掺气设施 规模都比较小 ，对宽大泄槽的大型掺气体型设计与研
以上数值计算分析成果 ，虽然只计算了模型单元 格中空气的含量比例和挑坎射流空腔长度 ， 未考虑的 边界条件比较多 ，但这两项参数是评价掺气坎掺气效 果的最直接指标 。通过初略的计算分析 ， 新型掺气坎 在宽大泄槽的掺气效果明显好于传统掺气坎 。
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工程运行情况
从 2010 年汛期至今 ， 董箐水电站溢洪道经过了
图1
新型掺气坎结构轴测图
1 —泄槽底板； 2 —掺气坎； 3 —边墙内竖向掺气钢管 ； 4 —常 规掺气孔 ； 5 —挑坎内横向掺气钢管 ； 6 —400 掺气支管 ； 7 —1000 掺气支管
图3
传统掺气坎单元格气体含量比例分布示意图
53
科学研究及工程设计 Scientific Ｒesearch ＆ Engineering Design
中图分类号： TV212
文献标识码： A
8241 （ 2014 ） 12005203 文章编号： 1673-
Design of Large Chute Aerator Facility in Dongqing Hydropower Station Project Spillway
LI Shuisheng ，LI Xiaobin，SHEN Xianzhu
3 进行分析 ，以 3000m / s 常遇泄量工况作为计算条件 。
wk.baidu.com
图2
掺气坎结构大样图
3
数值计算分析
传统掺气坎和新型掺气坎的数值计算采用 kε紊 流模型 。计算时 ，假定模型中每个单元网格体积均为 1 ，当单元网格中没有气体全部为水时 α w = 1 ； 当单 元网格中没有水全部为气体时 α w = 0 ； 当单元网格中 ε 紊流模型引入 为水气混和体时 α w 在 0 ～ 1 之间 。 kVOF 法 ，体积分数采用加权平均 。 传统掺气坎和新型掺气坎单元格气体含量比例分 布见图 3 、图 4 。 对计算图形进行分析 ， 可以看出新 型掺气坎的掺气效果比传统掺气坎明显要好 ， 传统掺 气坎底部单元格内气体含量比例基本在 0. 2 ～ 0. 4 之 间，而新型掺气坎在 0. 6 左右， 最大达到 0. 7 ， 增大 约 2 ～ 3 倍。两种掺气坎后的空腔长度分别为 11m 和
溢洪道在采用传统方式进行两侧掺气坎水力学模 型试验过程中发现 ，在泄槽中部位置坎后空腔回水较 多，补气空腔较小 。分析认为 ，宽大泄槽由于气流被 靠近掺气孔位置的水流带走 ，导致中间部位水流掺气 效果差 ，泄槽中部存在掺气不足的可能 。 为此 ， 董箐 水电站对掺气坎的掺气方式进行了研究 ， 从重点解决 泄槽中间部位掺气的思路出发 ，设计了宽大泄槽掺气
图4 新型结构水气两项体积分数分布示意图
究方面开展的工作却不多 ； 三是当前对溢洪道泄槽宽 度方面的研究较少 ，规范中也没有对泄槽的单槽宽度 作相关要求和说明 。 董箐水电站工程溢洪道掺气设施研究采用水力学 模型试验 、数值计算分析等方法 ，设计出了一种适应 宽大泄槽的新型掺气结构体型 ，计算分析和实际运行 结果表明 ： a. 新型掺气坎保留了两侧边墙的通气孔 ， 两侧 通气孔可以有效补充边墙附近的水流掺气 ， 钢管将空 气直接引至泄槽中部 ，改善了泄槽中间部位的掺气效 果 ，这种组合方式保证了掺气坎全断面均匀掺气 的 效果 。 b. 新型掺气坎能有效解决宽大泄槽中部掺气的 技术难题 ，根据泄槽宽度的不同 ，可以调整钢管的直 径和沿线开孔的位置 ，结构简单 、 施工方便 ， 掺气效 果更明显 、均匀 。类似工程应用时 ， 可以根据实际需 要 ，并结合大比尺模型试验调整结构参数 。
多次泄水检验 ， 最大泄量约 3000m / s。 经实际观测 ， 溢洪道泄槽内水流流态较好 ，水流呈雪白色 ， 表明掺 气效果良好 。泄槽流态及掺气效果见图 5 。
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图5
溢洪道泄槽流态及掺气效果
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