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2016年第6期东北水利水电

[文章编号]1002-0624(2016)06-0063—02

工程建设与管理

水电站下坡长引水隧洞气团运动危害性分析

宋恒文1,张东2

(1.本溪多益资源开发有限公司，辽宁本溪117200;2.辽宁省水利厅，辽宁沈阳117200)

[摘要]引水式水电站长输下坡引水隧洞运行过程中如有气团存在将会影响隧洞及相关设备的运行安全，甚至可能导致恶性事故的发生。本文结合案例充分分析了气团引发的事故的严重性，并针对隧洞内气团的生成原理、运动机理及其危害性进行了详细的分析、论述。

[关键词]引水遂洞；气团；运动机理；危害分析

[中图分类号]TV554

引水式电站的引水系统主要由进水闸门、进水口、引水隧洞、调压井、调压井事故闸门、压力钢管、机组前端进水球阀等组成，其引水隧洞长度为几百米至十几千米不等，运行过程中引水隧洞如有气团存在，将直接影响其安全运行，严重者可能造成设备损坏，引水隧洞开裂或坍塌，造成巨大的经济损失。因此，能全面了解气体在隧洞中的运动规律、充分认识其危窖性并采取适当的措施，便能预防恶性性事故的发生，保证引水系统的安全运行。

1隧洞内形成气团的气体来源

引水隧洞中可能的气体来源主在有3种方式。

1)隧洞进口在电站运行过程中进气。

2)溶解在水中的气体析出，随水运动形成的气泡或气团。

天然水中溶解的气体最大含量为2%,研究表明在其随水运动时当压力降低至某一值时，气体才能从水中析出，而水在下坡引水隧洞中运动时，压力是不断增大的，因此溶解气体不可能析出。再者实验表明，小直径汽泡在流速大于1m/s的水中运动时，与水的相对滑移速度可忽略不计，即没有相对运动、与水速度相同。因此，不具备形成大的气泡和气团的条件。可见溶解于水中的气体不会对引水隧洞产生不良影响。

3)充水过程中隧洞中的留存气体

引水系统充水过程中未严格执行规程规定，充水水流过大造成个别部位的气团存在；或水未

[文献标识码]A

充满便大开度提进水口闸门，造成隧洞内混入大量气体。充水过程中形成的气团大小、数量取决于隧洞复杂程度、隧洞直径、充水方式、充水流量等诸多因素。

2气团运动机理及危害分析

2.1充水过程中的流态分析

美国水锤专家马丁的研究理论，较平坦管洞充水过程中存在6种典型气水两相流状态，见图1。水电站引水隧洞充水之初多为层状流和波状流，电站引水隧洞直径较大，采用小流量充水时，管洞内空气会在隧洞上层由高压井及进水口缓慢排出，隧洞内水面平稳上升不会形成气团。反之如引水隧洞直径小，或充水流量相对较大时，其流态会由初始的层状流转为波状流、进而转变为段塞流、最终转变为团状流。

层状流

层状流

波状流段塞流

0气团流

-10泡沫流

环状流

图1气水两相流状态图

2.2滞留气团形成的原理分析

下坡引水隧洞中气团所受力包括：F——水的浮力；F——气团与水流间的粘滞阻力；F——气团与管洞壁间的摩擦力。气团受到的浮力使气团

工程建设与管理东北水利水电2016年第6期

与流动的水体之间产生较大的滑移速度，且气团体积越大越明显，甚至可使其逆水而行。气团受到的粘滞阻力与气团和水流间的速度梯度有关，速度梯度越大，粘滞阻力也就越大。气泡及小气团受到的粘滞阻力比浮力要小得多，会被水流以较快速度带走(与水流间的滑移速度较小)。气团越大，其受到的浮力就越大，前进的速度就越小。这样在隧洞足够长的情况下，小的气泡或气团必定会追上大的气团形成更大的气团，这是气团体积变大的原因之一。再者，当气团体积达到一定程度形成气阻后，为维持固定流量，水流流经气团时，流速会增大，而水压会降低，溶解于水中小气泡将在一定程度上被释放。这是气团体积变大的又一原因。但这并不是说气团体积可一直持续增大：当气团形成气阻后，气团下方的水流速度增快，水体与气团间的粘滞阻力会增大，气团体积很难维持不变，气团有可能会被水流冲散并带向下游，并最终由高压井排出。下坡隧洞中，当气团体积适当，维持不变，也就是当补充的气体与水流携走的气体达到平衡时，且各受力的合力达到平衡时，气团便能在隧洞某一部位滞留。

发电过程中，如隧洞进气量小，形成一个滞留气团后被水携带冲向下游的气体体积不足以形成一个稳定的滞留气团时，则此部分气体将最终由调压井排出，这样隧洞内将只有一个滞留气团存在。反之，如隧洞进气量大，则极有可能有多个气团滞留在隧洞内。气团的体积大小、数量及滞留的位置情况与隧洞长度、