公伯峡水电站右岸旋流泄洪洞
时间：2022-08-10 12:59:22
摘 要：公伯峡水电站右岸泄洪洞原型水力学观测试验仪器的施工与安装，将对整个试验的资料收集、数据处理、结论报告起到重要的作用。从而为解决在高山峡谷地区的大江大河上高坝建设中泄水建筑物的高速水流问题与导流洞改建的技术与经济问题提供工程实例，并对推动水工水力学的研究与发展均具有重要的理论与实践意义。
中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编号：
一、原型观测目的及意义
旋流式消能工消能率高、结构简单，受到了国内外工程界的重视，也是导流洞改建成泄洪洞选择的主要方案之一。
公伯峡水电站右岸泄洪洞地质条件差，大部分洞段断层裂隙发育，岩体风化强烈，岩石破碎，采用旋流洞方式减小了施工难度，其实际运行状况如何有待进一步的验证。开展公伯峡水电站右岸泄洪洞的原型观测，不仅能够对泄洪洞的运行安全进行评估，而且，比对原观的数据和模型试验的成果，主要验证泄洪建筑物的安全，加深对旋流式消能方式的认识，同时对国内同类工程的设计和旋流式消能方式的设计研究提供有益的参考。
二、观测内容与观测方法
主要实施以下内容的观测：
时均压力、脉动压力、空腔负压、空腔长度；
底流速、风速（通气量）；
流体温度；
水流掺气浓度；
水流空化、闸顶空气噪声；
流激振动和结构动力响应；
上、下游水位、波浪及表面流态；
冲蚀调查。
2.1压力测量
采用高灵敏度压力传感/变送器（以下简称传感器）测量各工况下（包括开启和关闭过程中）泄洪洞沿程时均压力分布和脉动压力特性，尤其是脉动压力均方根和优势频率的大小，观测的重点部位包括：竖井段、起旋室、旋流洞段和水垫塘段。
时均压力和空腔压力观测是通过安装在洞壁上的时均压力传感器，通过电缆将压力信号传至观测间，在观测间通过数据采集系统，将压力信号记录下来，经过后处理便得到各点的时均压力。
脉动压力的观测方法与时均压力方法相似，但在脉动压力传感器的输出端要接变送器，以保证在观测间的数据采集仪能接收到较强信号。
2.2底流速测量
选取竖井预埋的通用底座，设置流速测点，测量泄洪洞竖井段近壁的流速分布。底流速量测是由翼型毕托柱测头和压力传感器联合组成的测量仪器完成。
2.3通气孔风速（通气量）和流体温度
利用毕托管风速仪测量通气孔的风速，以对泄洪洞的挟气能力进行评估。通气风速量测是由标准毕托管和差压传感/变送器联合组成的测量仪器完成，量测采集方式同时均压力测量方式。每个通气孔进口均配套1～2支动态高精度温度计，以消除气温对风速测量与换算值的影响。
2.4掺气浓度、环型掺气坎空腔负压及空腔长度探测
模型试验研究表明，本泄洪洞洞内断面平均流速较高，泄洪洞过流断面局部存在负压，有发生空化和空蚀的可能，因此增设了掺气设施，以达到减蚀的目的。考虑到原型与模型之间的掺气浓度存在较大的缩尺效应，因此，监测泄洪洞沿程掺气浓度分布，既是泄洪洞运行安全的重要评价指标，又可为掺气浓度的缩尺效应研究提供宝贵的资料。
观测时，可利用电阻式掺气浓度传感器和掺气浓度仪对竖井段、旋流洞段和水垫塘底附近的掺气浓度分布进行监测。每个掺气测点均配套1支动态高精度温度计，同步测量各测点水温，以消除水温对掺气测值的影响。
环型掺气坎空腔负压和空腔长度探测，可借助安装于坎下的压力传感/变送器和极片组联合进行观测。空腔负压观测方法与时均压力的观测方法相同。
2.5水流空化噪声和闸顶空气噪声监测
旋流洞进口升坎区是泄洪洞空蚀易发区，宜在该部位通用底座安装空化噪声传感器，以判断泄洪洞运行期间该部位是否发生空化。空化噪声的观测是通过安装在洞壁上的水听器（噪声传感器），监测在观测点附近的空化噪声，结合压力观测的结果，分析并对安全特性做出评价。
旋流泄洪洞运行（开启、关闭和全开泄水）过程中，因水流脉动和非稳态渡越过程的作用，可能引起平板闸门和泄水建筑物的结构等振动；正常泄水运行时，通气孔进流也会受到边界条件的影响，容易引起共鸣或啸叫声。空气噪声监测能定量或定性反映系统运行中，相关设备是否为正常工作状态，有否异常或不利性态的有效检验手段。
2.6振动测量
高速掺气水流的脉动压力荷载可引起建筑物的振动。在泄洪洞运行过程中，应在竖井和下平洞段的通用底座安装相应仪器监测建筑物的振动。
振动传感器选用进口应变式加速度传感器，型号为LC0701-2，每个振动测点安装三支互为垂直的上述传感器，分别测量X、Y、Z三个方向的振动分量。
2.7上、下游水位及流态观测
上、下游水位，拟选择水位测尺和水位计联合进行观测。即在选定测量断面上（上游水库、竖井进口、退水洞中间部位和出口断面），通过在侧边墙布设的水位测尺进行人工测读。为免除可视角度、水雾及水位波动的影响，增加观测数据的连续性、可靠性及互补性，在相应部位同时布设水位计或压力传感器。
水流流态，拟在旋流泄洪洞进、出口两部位，布设两套人工摄像机和照相机；退水洞中后部安装自动摄象机（包括遥控摄像头和辅助照明光源），以便在泄水过程中对退水洞流态、水位进行观测。必要时，在泄水后对起旋器、旋流洞、水垫塘等重要部位的土建改造的主要结构、设施的完好性、安全性进行全面的观察；条件允许时，在通气天窗设置旋杯式风速、风向仪，由人工对泄水过程中通气天窗的进、出气流状态和风速进行观测。
2.8动力响应观测
高速掺气水流的脉动压力荷载可同时引起建筑物的振动及动力响应，鉴于旋流泄洪洞的部分主体建筑，为在施工导流洞基础上改建而成的内衬式结构，其新老混凝土的结合强度、改建施工质量以及过水运行安全性能等，一直是人们普遍关注的重点问题。动力响应观测，拟选择关键结构部位预先埋设的差动电阻式仪器，实施过水期间的动力响应同步测试，这些仪器包括五向应变计、无应力计、测缝计和裂度计等。
2.9冲蚀调查
冲蚀调查观测，拟选择起旋室升坎、旋流室、水垫塘及收缩段等重点代表断面，沿洞壁环周用纯酸调和漆或环氧漆涂抹数个区域调查带或边框，并作好区域编码与标识，以便在放水前后对该区域的表面特征进行表面（或水下机器人）摄像，据此分析、给出该调查区域在即定泄水条件下冲蚀情况的定性评价。
三、永久观测仪器布置
设计在旋流泄洪洞竖井段、起旋室、旋流洞及下平洞水垫塘等各段选取代表性断面分别布设永久性水力学观测通用底座，以便于过流面安装各类水力学观测仪器，进行流速、压力、掺气浓度、温度、空化噪声及振动等水力学观测。整条泄洪洞共布置了通用底座48套。除竖井段12套底座各配有2根五芯水工观测电缆和2根防水导气电缆（4芯屏蔽）外，其余水平洞的36套底座内预留1根四芯防水屏蔽电缆，部分底座还另加一条五芯水工观测电缆。根据现场施工条件和对预埋电缆性能的情况检查（参见电缆检测报告），考虑到底座内现有可用电缆资源的充分利用，对通用底座进行了复合式的观测仪器布设；另外，在环型掺气坎通气竖井和起旋室通气井的进口段的适当部位，分别选取两个以上的代表性断面，临时安装支架、布设风速仪和温度计，用于通气量观测；在环型掺气坎下设置临时压力测点和极片组，用于坎下负压和空腔长度观测；在闸顶适当部位临时设置振动仪器，用于闸顶振动加速度、速度及振动位移等观测；在泄洪洞进口（含上库）、出口、和中间段（桩号导0+725m左右）的天窗处架设三套摄影、照相设备，同时布设水尺、水位计和温度计等，用于水流表面流态、水位、水温观测；同时，利用内观差动电阻式应变计、测缝计等，经二次观测设备组配，对泄水期间的结构动力响应实施同步的动态观测。水力学观测站设在闸顶和泄洪洞出口两处。
永久观测仪器总计有：流速测点6个，压力测点21个，掺气测点31个，温度测点12个，空化噪声测点7个，振动测点9个。以上观测仪器电缆已引至堰闸段顶部，水力学观测前根据观测内容安装各类监测仪器进行观测。主要观测仪器数量及设置部位见表1：
表1 公伯峡右岸旋流泄洪洞永久仪器埋设情况表
说明：以上固定式仪器（借助预埋通用底座安装的仪器）数量和布局，系按埋设电缆最大储量、电缆质量情况调查，以及观测物理量的可兼容性进行设计。其中，平洞段测点的最终实施数量及安装部位，还需根据现场对导通电缆绝缘性能的处理情况进行必要的调整与补充。
四、临时观测仪器布置：
1、通气量（风速）测量部位设在与起旋室相连的通气井和与环型掺气坎下空腔相连的通气孔进口下3～5D以外，测量断面选择在流道比较规则、流速分布比较均匀、周边环境较为干燥等适宜条件的部位。拟选择1～2个通气孔，分别在直径方向布设3个风速测点，其余各通气孔分别在中心点布置一个风速测点和温度测点。另与起旋室相连的通气井，可在测量断面上布置4×4个风速测点和2～3支温度计，共计20～30个风速测点。仪器电缆设电缆保护管防护，并通过适当路径引致闸顶观测间。
2、在环型掺气坎下近横河向的两通气管出口附近，布置2个负压测点，同时布置两条垂直测线，每线安装10对电极片组，间隔1.0m，与空腔负压测点组合后探测距离不小于11m，用以探测环型掺气坎下的空腔长度。仪器底座、电缆及传感器用涨栓固定于流道砼表面，电缆设电缆保护管防护，并通过垂直通气井与钢丝绳绑扎后向上牵引致闸顶观测间。
3、在2010.0平台上布置一个三维振动测点；起闭机房、通气井及吊物孔周边布置4台声级计。以上仪器电缆引致观测间。
4、上、下游水位，拟选择上游水库、竖井进口布设水位计、波高仪；在退水洞中间部位和出口断面，每个断面各在其左右侧边墙布设两道水位测尺，同时布设2支水位计和温度传感器；
5、水流流态：在旋流泄洪洞进、出口两部位，布设两套人工摄像机和照相机；退水洞中后部，利用施工期导流洞顶板的通气天窗（桩导0+725m）安装自动摄象机（包括遥控摄像头和辅助照明光源和防水、雾设施），以便观测退水洞流态、水位和泄水对土建改造的主要结构、设施的完好性、安全性进行全面的观察；条件允许时，在通气天窗设置旋杯式风速、风向仪，由人工对泄水过程中通气天窗的进、出气流状态和风速进行观测。
6、冲蚀调查：拟选择起旋室升坎（2-2断面）前后各一断面，旋流室4-4、6-6断面，水垫塘7-7、8-8断面及水垫塘收缩段前后各一个断面及其它重点敏感部位，沿洞壁环周用纯酸调和漆或环氧漆涂抹数个环状调查带或区域框，带宽0.5～1m，且标明区域编码。以利于本次观测前、后，或者在工程运行一段时间之后，对该区域的冲蚀情况进行调查、分析和定性评价。
主要观测仪器数量及设置部位见表2：
表2 公伯峡右岸旋流泄洪洞临时安装仪器表
五、观测精度及测次
观测精度、测次按《混凝土坝安全监测技术规范》DL/T5178－2003中有关要求。
1、时均压力、脉动压力、空腔负压的观测精度可控制在2%内；空腔长度暂不做精度控制；
2、底流速、风速（通气量）的观测精度可控制在2%范围内；
3、流体温度的精度控制在±0.2℃之内；
4、水流掺气浓度的观测精度可控制在1%范围内；
5、水流空化噪声观测只做相对值比较，暂不做精度控制；
6、流激振动的观测精度可控制在3%范围内；
7、结构动力响应的观测精度可控制在3%范围内；
六、技术要求
1）时均及脉动压力、底流速仪（压力传感变送器）等须采用0.2级标准压力校验仪进行标定；温度传感器采用二等标准恒温水槽结合高精度（±0.02℃）标准温度计进行标定。
2）所用的传感器、导线、接头等都将进行绝缘电阻测定；
3）所用的水下导线接头必须能抗三倍外水压力试验4小时；
4）测量电缆、电线的接头必须焊接、热缩密封；
5）传感器、采集系统、微机等进行输入、输出测定；
6）掺气仪进行0.0%及100%两点测定，掺气传感器安装好后还须进行线长校正。
七、结束语
通过配合中国水利水电科学研究院进行公伯峡水电站右岸泄洪洞原型水力学观测试验仪器的施工与安装，将对整个试验的资料收集、数据处理、结论报告起到重要的作用。从而为解决在高山峡谷地区的大江大河上高坝建设中泄水建筑物的高速水流问题与导流洞改建的技术与经济问题提供工程实例，并对推动水工水力学的研究与发展均具有重要的理论与实践意义。
作者简介：
李映来（1972—）男，工程师，长期从事大型水电工程施工技术与管理工作，中国水利水电第四工程局第一分局。
