图1 小浪底1号孔板洞观测仪器布置图
王江涛 张东升
摘 要 小浪底水利枢纽的三条孔板消能泄洪洞，是目前世界上采用孔板消能技术的最大的泄洪洞。孔板泄洪洞 的实际泄洪效果和安全性，一直是专家关注的焦点。1号孔板消能泄洪洞过流原型观测试验，就长期以来 国内外专家十分关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振动、中闸室出口水 流的掺气及空腔负压、闸门开启过程的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测试。从压力系 数和消能系数分布看，原型观测结果与模型试验结果吻合较好，验证了模型试验成果的相似性。
关键词 孔板泄洪洞 消能 脉动压力 时均压力 空化 原型观测试验
一、小浪底孔板泄洪洞原型观测试验的目的及内容
1．目的
小浪底水利枢纽3条孔板消能泄洪洞分别由3条内径为14.5m的导流 洞改建而成。1号导流洞(进口高程为132.0m)和2号、3号导流洞(进口高 程为141.5m)分别于1999年和2000年汛前完成改建工作。
小浪底3条孔板消能泄洪洞最大洞内消能功率达2700MW，是目前世界上最大的采用孔板消能技术的大型泄 洪洞。考虑到孔板消能机理的复杂性和密集的洞室布置，尚无实际工程经验借鉴，设计部门对孔板洞泄洪消能进行了 一系列的专题试验研究，特别是在1987年，由水利部黄河水利委员会设计院组织利用碧口电站排沙洞增建孔 板设施进行了模型试验观测和原型试验观测。上述研究成果为小浪底孔板洞设计和泄洪安全评估提供了科学依据。但是考虑到模型的比尺效应，孔板泄洪洞实际泄洪消能效果和泄洪安全性一直是专家们关注的焦点。故有必要在1号孔板洞正式投入运用前进行过流原型观测试验，对孔板段、中闸室等重要部位的水力学、结构力学、诱发振动等特性进行较为全面的分析研究，以保证 小浪底水利枢纽运行安全，并积累洞内孔板消能技术重要经验。
2．主要内容
(1)观测仪器布置
3条孔板洞以空化、水流脉动、诱发山体振动等作为重点项目，布置相同的仪器，以便对比观测成果，验证设 计和试验结果，并监视其运行。为此，在每一孔板洞设有时均压力计底座4支，脉动压力计底座7支(含强振仪)， 水听器底座4支，渗压计2支，在中闸室段设有时均压力底座6支，水听器底座1支。另外，在混凝土衬砌结构中 还设有多支钢筋计、应变计等，根据观测项目的需要，时均压力底座可兼作脉动压力、掺气的通用底座。观测仪器 的接收装置设在中闸室内。水力学观测各测点的布置见图1。
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图1 小浪底1号孔板洞观测仪器布置图 |
(2)主要试验工作内容
在相应库水位210m时，1号孔板洞实施过流原型观测的内容如下：
①孔板段水力学时均与脉动压力观测：孔板洞侧壁上的时均压力与脉动压力，计算三级孔板的消能水头及消能系数。
②孔板洞段与中闸室水流空化噪声检测。
③弧形工作闸门流激振动观测。
④左岸山体振动观测。
⑤中闸室水力学原型观测：掺气浓度及底流速，通风风速，时均及脉动压力。
⑥结构应力应变观测。
⑦配合各家试验单位的外部工作：协调配合、资料提供，内外交通、照明、通信，填筑、拆除围堰，抽排水等。
在相应库水位234.0m时，1号孔板洞实施过流原型观测的内容如下：
①孔板段时均与脉动压力、空化噪声。
②中闸室段的时均压力、空化噪声、通气风速、掺气浓度、空腔负压。
③各级孔板的消能水头及消能系数等。
二、小浪底1号孔板泄洪洞过流原型观测试验的实施
1号孔板消能泄洪洞第一次过流原型观测试验的主要条件和参数(平均值)为：水库上游水位高程为210.22m，过流流量为1288m3／s，洞内平均流速为 7.8m／s，三级孔板对应孔口流速分别为16.4m／s、14.9m／s、14.9m／s，闸门出口处平均流速为24.8m／s，试验水头为74.57m。
1．孔板段压力系数与消能系数
此次原型与原模型压力系数比较吻合较好，平均误差小于2％。
三级孔板对应弧门全开工况的消能水头分别为16.36m、6.45m和7.14m，相对应的消能系数分别为1.19、0.57和0.63。三级孔板总消能水头为29.95m，占总水头的40.2％，消能效果显著，其中第二、三级孔板实测消能水 头为13.59m，占总水头的18.2％。
从压力系数C。和消能系数Cp和消能系数k1分布情况看，第一级孔板的消能作用大，分析其原因主要是第一级孔板前 作用水头大。经过第——级孔板消能的紊动水流尚未恢复到相对稳定的状 态，与第二级孔板和第三级孔板后的压力系数相比，该孔板后的压力系数变化梯度较陡，说明压力仍在继续升高。
2．孔板段空化观测成果
在第三次闸门连续开启过程中，第二、三级孔板水流开始发生空化时 的孔口相对开度为0.90，三级孔板的水流空化数依次为5.85、5.65和5.03；在第四次闸门连续开启过程中，第二、 三级孔板水流开始发生空化时的孔口相对开度为0.91，三级孔板的水流空化数依次为5.77、5.55和4.93。两次监 测得到压力孔板段水流开始发生空化时的孔口开度和各级孔板的水流空化数非常接近，观测结果重复性 好。在1:40的减压模型试验研究中，考虑了模型缩尺对孔板初生空化数的影响，以雷诺数作为参数对尺度效应 和流速效应进行修正后得到三级孔板的初生空化数依次为5.85、5.50和4.90，与本次原型观测结果吻合较好， 这一结果表明，在空化特性的试验研究中考虑缩尺效应后能够较好地预测原型的空化状况。
3．结构应力应变观测成果
孔板环的应力应变：0+226断面在充水后，内、外层环向钢筋计承受的拉应力增加，平均变化幅度分别为 8.77MPa和12.01MPa。随闸门开启，断面外层环向钢筋计(洞顶、底部和左侧)受拉，拉应力逐渐减少，断面右侧 钢筋计受压，压应力逐渐增大，应力的静态变化值为4.19MPa；内层环向钢筋计(洞顶、左侧、右侧)受压，压应力 逐渐增大，底部受拉，拉应力逐渐减小，应力的静态变化均值约3.94MPa；当闸门逐渐关闭后，应力逐渐恢复至开启的状态。
混凝土应变：混凝土应变随闸门的开启和关闭应变值都有规律变化，变化幅度约20με。
围岩变形：在闸门启闭过程中，多点位移计测出的位移变化量均在读数误差范围内，说明过流试验期间围岩未发生变位。
4．弧形工作闸门流激振动观测成果
连续开启过程中闸门振动最大加速度与最大均方根值之比为1.54～3.16。 振动加速度均方根最大值出现在弧门下主横梁径向3号测点、切向4号测点和侧向5号测点，其最大均方根值均为0.11，最大值分别为0.21m／s2、0.17m／s2和0.21m／s2，出现在0.03～0.1的小开度范围。上支臂与主纵梁交接处径向6号测点加速度最大值为0.23m／s2，均方根值最大值为0.10m／s2。其余各测点加速度均方根值在0.04～0.09m/s2，加速度最大值都在0.09～0.19m／s2。
5．左岸山体振动观测成果
闸门全开过流工况，是1号孔板洞过流的经常情况，也是振动最大的工况。山体振动的最大加速度值为4.91cm／s2，均方根值为2.59cm／s2。
根据实测频谱分析，水流引起的振动频率在0.5～1Hz，而山体的卓越频率在8～12Hz，两个频率相差甚远，不可能产生共振现象。
三、1号孔板洞第一次过流原型观测试验结论
以往的模型试验和碧口中间试验均表明孔板消能效果是显著的，原型观测的结果更进一步证明多级孔板消 能效果是可靠的。由压力系数和消能系数分布来看，原型观测结果与模型试验结果吻合较好，从而验证了模型试验成果的相似性，因此可以用模型试验成果分析该洞在各级库水位条件下的压力分布特性与消能效果。同时 还表明1号孔板泄洪洞内设计布置的三级孔板消能效果显著，此次观测中，弧门全开工况下总消能率为40.2％ (模型试验消能率为42.9％)，三级孔板的消能系数分别为1.19、0.57和0.63，第一级孔板的消能效果远大于后两级孔板的消能效果。
有压段脉动压力的原型和模型试验的相应成果符合良好，边壁最大脉 动压力均方根为33.94kPa，相当于静水头的5.2％(设计按10％考虑)，孔板环处最大脉动压力幅值为28.22kPa， 相当于静水头的4.3％。多数测点的优势频率范围为2Hz以下，均属低频范围。
当闸门固定在不同开度情况下，孔口相对开度为0.92时，水流噪声声 压级显著增加，故判断孔口相对开度0.92条件下，第二及第三级孔板出现初始空化，其三级孔板水流空化数依 次为5.61、5.48和4.91。当闸门全开时水流空化数依次为4.80、4.47和3.92，相应水流噪声声压级继续升高，说明随开度加大出现弱空化。当闸门在连续开启过程中，两次所测到的三级孔板水流空化数依次为5.77、5.55和4.93，与减压空化模型试验考虑比尺效应影响后得到三级孔板的初生空化数(依次为5.85、5.55和4.90)基本一致。
水流空化一般发生在水体内部，空泡溃灭位置是随机的，不一定紧贴边壁，即发生在混凝土边壁的概率少， 空泡溃灭产生的冲击荷载重复作用在建筑物同一部位而引起材料疲劳破坏的概率非常小，弱空化短期不会 引起建筑物严重空蚀破坏。在闸门全开试验连续过流24小时后，工作人员进洞检查，没有发现建筑物结构损 伤和破坏。中闸室只设了一个水流噪声测点，没有观测到水流空化情况，进中闸室检查后也未发现空蚀破坏现象。
在本次原观过流的库水位下，孔板环和孔板洞混凝土结构所承受的最大应力变化幅度为0.57MPa，钢筋 最大应力变幅为5.71MPa，从混凝土应变计测值过程线判断，衬砌混凝土结构未出现拉应力。孔板洞壁衬砌结 构钢筋应力最大变幅5.71MPa与其设计强度320MPa相比，属低应力变化范围。衬砌混凝土最大应力为 0.49MPa，均表明过流期间应力不大。其他仪器测值还反映孔板洞围岩变位及外水压力变化均可略而不计。中 闸室断面钢筋应力最大变幅约0.89MPa，混凝土应力变幅最大值仅0.047MPa，所有上述测值均表明结构 的应力值较低，具有较高的安全储备，运行是安全的。
闸门全开时，通气井的最大风速为18.7m／s，开启过程中最大风速33.9m／s，3个通气孔关门过程中最大风速45.1m／s，均小于规范限值。通气井平均通风量为147.9m3／s，闸门开启过程中断面通风量最大为351.9m3／s， 通气量分布均衡，表明通气系统的设计是合理的。在闸门开启过程中，当闸门孔口相对开度达到约0.35，风速最 大，在中闸室有耳膜外凸等不适感，孔板洞运行时，应尽可能地将中闸室启闭机平台通向下部的孔隙封堵。原型 观测中采用了两种类型的掺气仪，底部实测掺气浓度分别为0.6％(针式掺气仪)和1.2％(电导式掺气仪)，侧壁的 掺气浓度小于0.1％(针式掺气仪)或1.8％(电导式掺气仪)，说明掺气对中闸室有一定保护作用，但实测掺气浓 度小于2％”3％，故仍需注意不平整度的控制。
中闸室弧形工作闸门流激振动原观分析表明，振动应力发生较大的开度范围，主要集中在0.1及0.6～0.8开 度范围附近，连续开启过程中闸门振动最大应力最大均方根值为2.05MPa， 最大应力值为8.67MPa，远小于闸门钢结构允许应力的20%；局部开启时观测的最大位移均方根值104.6lxm。闸门在连续开启和后撤过程中所测振动加速度与局部开启时一致，测得振动加速度最大值为026m／s2，均方根最大值为0.11m／s2，综合考虑弧形门的振动位移及应力响应，可以认为观测工况下弧形门振动属微小振动。
闸门在全开过流条件下振动最大，最大加速度为4.91cm／s2，在连续开启工作闸门的短暂工况下，最大加速度为4.35cm／s2，相应于地震烈度2度，属无感地震范畴。水流的卓越振动频率在0.5～lHz，而山体的卓越频率 在8～12Hz，故不会引起共振。在3条孔板洞同时泄洪时，山体振动虽将按照现值平方和的开方规律振动，其振 动量会有所增加，但振动量不会超过现值的2倍，在高水位运行时也只会诱发很微弱的山体振动，对建筑物不会造成任何危害性破坏。
在此次试验后对整个1号孔板洞的检查看，所有的孔板环保护衬套完好无损，初步显示高铬铸铁孔板孔口 防护体的设计和工艺是可靠的。无论是压力段还是中闸室段均未发现空蚀痕迹。检查中虽然发现在中闸室侧轨 道附近的不锈钢件有气蚀的针眼，初步判定是闸门在局部开启过程中因缝隙流而产生的，不会对闸门运用造成 大的危害，在运行中应尽量避免出现局部开启情况。检查中还发现一些修补的混凝土被冲坏，主要是混凝土修 补后的强度和不平整度所致，与孔板消能效果关系不大。
综合此次原型观测成果可以判断：如遇500年一遇的设计洪水，库水位可达235.8m，1号孔板洞的各级孔板 的水流空化数只略有降低，所以无论从空化空蚀、山体振动、结构应力、闸门振动看都不会有太大的变化，因此3条孔板洞可以正常运用参与度汛泄洪。同时也为在高水位下孔板洞能正常运用奠定了理论基础。
四、1号孔板消能泄洪洞第二次过流原型观测试验
(1)在闸门连续开启运行工况下，闸门孔口相对开度为0.88～0.90，孔板洞内水流发生空化，与此开度相应的 三级孔板的水流空化数分别为5.88～6.14、5.72～6.05和5.06～5.38。在库水位210.18～210.28m原型观测时，闸门 孔口相对开度为0.90-0.91，其初生空化数分别为5.77-5.85、5.55～5.65和4.93～5.03。与模型试验结果相比较，经 雷诺数修正后，三级孔板的初生空化数分别为5.85、5.055和4.90。表明随着 库水位的升高，孔板洞内各级孔板的空化发生略有提前，水流空化亦相应略有加剧。
(2)在闸门全开状态下，三级孔板的水流空化数分别为4.13、4.44和3.75，参考文献中，三级孔板的水流空 化数分别为4.80、4.47和3.92，孔板的水流空化数随着本次上游水位的升高具有逐渐减小的趋势。
(3)在闸门连续关闭运行工况下，孔口相对开度0.82，第二级孔板空化开始消失，在孔口相对开度为0.82～0.90，第三级孔板空化开始消失，在此 开度下，第一级孔板消失空化数为6.73～7.07，第二级孔板消失空化数为6.78～7.20，第三级孔板消失空化数为6.12～6.54。
(4)在孔口相对开度0.07以下，工作闸门处易发生缝隙水流空化。实际操作运行时应避免在此开度下停顿。
(5)孔板洞段时均压力和脉动压力变化规律与210m库水位工况下和模型试验成果的变化趋势基本一致，压 力系数分布亦比较接近，说明原型的压力变化与分布实际情况，可以从模型试验中得到较为准确的模拟。
(6)234.10m库水位下三级孔板的消能系数分别为1.21、0.63和0.68，与210.20m库水位和模型试验结果符合较 好，再次验证孔板洞具有较好的消能效果。
(7)中闸室段空腔负压和底板压力的观测结果表明，在弧形工作闸门全 开的条件下，闸门跌坎下游在一定范围内能保持稳定的空腔，空腔负压为-2.65kPa，可保证跌坎底部的正常 通气。随着水库运行水位的进一步提高，水舌冲击区将向下游移动，空腔长度也会相应增加。
(8)空腔内底板的实测掺气浓度达到31.9％，空腔下游底板的掺气浓度沿程减小，在HP41-5测点的掺气浓度 减小到1.2％，对底板能够起到一定的保护作用。
五、结 语
小浪底1999年10月下闸蓄水后，泄洪、引水建筑物陆续投入运用，在黄河防总的统一指挥下，泄洪、引水建筑物运用频繁，截至2002年7月31日，小浪底最大下泄流量3100m3／s， 历时7小时。其中孔板洞累计过流时间35小时，最高运用水位235.34m。
每次过流后，都对各孔板洞整个流道进行了认真、细致的检查。经检 查，各孔板洞流道内均没有发现冲刷、磨蚀、气蚀和损坏现象。
小浪底3条孔板洞安装的各种监测仪器采集的数据显示，孔板洞监测项目监测值的变化量都处于警戒值内，均趋于稳定，各建筑物安全、可靠。
小浪底孔板洞各种闸门已累计启闭18次，闸门和启闭机运行平稳，没有发现构件变形，焊缝开裂情况。小浪底整个枢纽的运行状态正常。
1号孔板消能泄洪洞过流原型观测试验，就长期以来国内外专家十分 关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振 动、中闸室出口水流的掺气及空腔负压、闸门开启过程的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测 试。专家认为，这次原型观测取得了重要的有科学价值的成果，对孔板泄洪洞洞内消能方式长期争议的主要 问题有了明确或比较明确的结论。认为孔板洞有压段内时均压强及脉动压力的原型观测结果和模型试验的 相应成果符合良好，三级孔板总消能率46.6％。闸门全开时2号、3号孔板处于弱空化状态，部分专家认为根据 这次原型观测结果估计—在高水位250m时也不致出现强烈空化。1号孔板洞泄流诱发山体振动的最大加速度只有4.91cm／s2，基本上属无感振动。估计在高库水位时3条孔板洞同 时泄洪，也只会诱发很微弱的山体振动。隧洞衬砌结构有充分安全储备。闸门局部开启时只有轻微振动。认为 这些原型观测成果对指导小浪底孔板泄洪洞的安全运行有重要意义，对推广导流洞改建成永久泄洪洞、推广孔板消能形式也有重要参考价值。
小浪底孔板泄洪洞是世界上最大的在洞中采用孔板消能的泄洪洞，小浪底建设者在库水位为210m和 234m进行两次实际过流试验，试验中进行了多学科的、详尽的观测，取得了极为可贵的资料。现可初步得出结论： 孔板洞的设计是合理的，施工是成功的，过流中未见空蚀迹象，结构及山体振动微弱，孔板洞可以安全参与泄洪。
这是在我国水利工程中首次应用的一种新型有效的消能工。但孔板洞毕竟过流时间较短，尚未经过实际泄洪的 考验，故千万不可掉以轻心。在今后使用中应加强监测，不断积累资料，使这项技术更趋完善。
(作者单位：小浪底水利枢纽建设管理局，王江涛为副总工程师、教授级高级工程师，张东升为工程师)
责任编辑 李计初