4　对趾墩消力池空蚀问题的初步认识

趾墩消力池在稳定水跃跃头、增加消力池对各种泄流条件的适应能力等方面都有优越性。但趾墩消力池空蚀破坏的实例提醒我们必须十分重视这种消力池的抗空蚀特性。根据前述的试验研究成果，初步得出以下几点认识：

（1）趾墩消力池由于趾墩尾端水流形成马蹄形立轴涡束（高速旋转的涡来内部压力降低、紊动加剧），当局部的瞬时压力低于水液汽化压力时便形成水流空穴，空穴发生和溃灭的过程都伴随交替的十分急剧的动能和压力能的突然变换，导致护坦空蚀破坏。护坦上这种涡束型空蚀和一般由于水流界壁不平整或几何曲线不当引起水流分离导致的分离型空蚀有区别：分离型空蚀的破坏形式类似于撕扯、剥脱，而涡束型空蚀的破坏形式则类似于钻凿、掬掘。

陆水蒲圻溢流坝和柘林泄水洞两处消力池的实践情况表明：在库水位及作用水头比较低，消力池水跃淹没程度比较大的情况下，趾墩后的马蹄形立轴涡束尚不致造成护坦的空蚀。由于各工程趾墩消力池的尺寸、布置，水力学条件和运用方式都彼此不同，目前的试验研究资料尚不足以给出预估能否保证趾墩后护坦能否保证不发生空蚀的统一判断标准；但从这两处实例并参考其他领域空蚀问题的研究资料[7]可以初步认为：底板以上水头在20m以内（流速在18m/s以下）的趾墩消力池一般不担心护坦空蚀。

水头超过20.00m以上的工程，例如陆水蒲圻溢流坝1967年度汛时的情况，即使趾墩后护坦上时均压力最低值为正值（蒲圻溢流坝诸测点中测得的最低值为1.8m水柱），由于涡束中心集中强烈脉动，护坦上瞬时真实压力最低值仍能低于汽化压力导致水流空穴护坦空蚀。

（2）陆水蒲圻溢流坝趾墩消力池原先的设计和模型试验是存在弱点的。限于当时的客观条件，消力池底板偏高（尾水对水跃的淹深不足），趾墩位于反弧段上（处于离心力释放、压力梯度急剧变化的强烈紊动部位），这是一方面。而在早期的减压箱模型试验中，限于当时对涡束型空蚀缺乏经验和认识，只注意到发送趾墩轮廓防止分离型空蚀，对于立轴涡束空穴雾并未重视；试验过程中也只检验了对消能起控制作用的设计、校核洪水时的诸孔均匀开启的泄洪情况而没有认真查核抗空蚀最不利的中等洪水和闸孔不均匀启闭（水舌薄、尾水对水跃淹深不足）的情况，这是又一方面。这些都是值得借鉴的经验教训。

尾水增深对护坦抗空蚀条件的影响（对增大时均压力值的影响）的模型试验资料，蒲圻溢流坝底板以上水头小于25.00m（表6，相应的水跃淹没程度约115%）时廊道内未听到空穴噪声、模型试验减压后涡束空穴雾也淡薄不显等情况，以柘林泄水洞消力池1972年泄洪时（表6，扣除洞身水头损失，消力池底板以上的作用水头约33m，水跃淹没程度约140%），护坦无空蚀的事实，都说明尾水对水跃的淹深程度与趾墩消力池护坦的抗空蚀条件关系密切。因而在设计和运用趾墩消力池时，要保持一定的尾水淹深余幅以改善护坦抗空蚀条件。

空蚀坑发展深度和相应坑底时均压力最低值的试验资料以及盐锅峡溢流坝消力池在特定的条件下对空蚀坑几年未作处理的情况，都说明随空蚀坑的加深，进一步空蚀破坏的过程将愈渐衰减。因而，在某些不便检修的场合也可以预先考虑把趾墩附近的护坦底板局部加厚，为万一出现空蚀坑不便处理时从结构安全上预留余地。

（3）趾墩消力池抗空蚀特性的水工模型试验目前处于探索阶段，在模型上通过脉动压力传感器量测建筑物过水界壁上瞬时真实压力，还是比较直接，能较准确说明问题的方法。

对于由过水界壁不平整或几何输廓不平滑引起的水流分离型空穴以往已有过较多的系统研究；对有几类情况（如不平整凸凹、坎台等）也已有比较可信的抗空蚀的鉴别标准。但是，趾墩消力池涡束型空蚀，由于趾墩布置尺寸、运用条件等千差万别，牵涉因素复杂，迄今缺乏公认的鉴别标准；减压箱试验目前既不普遍，即使在有减压箱设备时也还往往受观测手段和实践经验等主客观条件限制，以致不易分辨空穴发展阶段。蒲圻溢流坝趾墩消力池几年来的模型试验和原型调查情况说明，在水工模型上通过量测脉动压力及瞬时真实压力，可以大体判断空蚀危险程度。尽管模型试验测出的负压值不能按比尺直线引申放大作为原型负压值，但在实际应用时仍可偏于安全地权宜地认为：①水流界壁上瞬时真实压力按比尺直线放大折合原型如不低于－7m（例如－6m等）时，界壁不致空蚀；②界壁上瞬时真实压力按比尺直线放大值低于－10m（例如1∶40模型上型模负压值为－0.4m，折合原型－16m，低于－10m界限）时，存在空蚀危险；③界壁上瞬时真实压力直线放大值界乎－7～－10m之间时，有可能空蚀。至于护坦等界壁上测得的时均压力值不能孤立地直接用于判断空蚀可能性。例如蒲圻消力池护坦上虽测得的最低时均压力有+1.8m，但涡束周边流速高达20m/s，涡心压力脉动和压力跌降幅度都很大，实际上水液汽化，形成空穴并导致了护坦空蚀。因此在分析模型资料时不能因护坦最低时均压力为正值而断而方原型不发生空蚀。

表6　趾墩消力池空蚀情况及水跃淹没程度简表

注　1.库水位尾水位均自消力池首底板起算。
2.柘林泄水洞消力池库水位（指出洞以后连流速水头折算水位）及尾水位等系推算值。
3.蒲圻溢流坝趾墩位于反弧段斜弧中部，1.62m系指墩底末端至底板的高差。

（4）针对蒲圻溢流坝消能问题突出的特点，在趾墩消力池空蚀以后将趾墩改建成差动坎的措施是既保持漩涡的消能作用同时又能避免水流界壁空蚀的一种有效的“超空蚀”结构措施。这类措施的特点是：并不从根本上消除水流空穴现象，而是使空穴的发生和溃灭限制于水体内部、不使影响到过水界壁，因而界壁不被穴蚀。蒲圻溢流坝将趾墩改建成差动坎之后，消力池未再空蚀；但高水头小开度时引起消力池首底部大漩滚在两侧导墙附近造成局部集中磨损的事例，说明差动坎“超空蚀”结构措施也有在流态方面的弱点，特别在靠近两侧导墙部位，显得不是思想的措施，今后在其他工程中值得注意进一步研究改善。

（5）对待趾墩消力池的空蚀问题，必须强调以原型实践经验作为研究工作的依据，特别在目前原型实践经验还不够丰富的情况下，要防止单凭模型试验的某一两项指标或某一方面的情况而对趾墩消力池的方案取捨得出带片面性的结论。对于以按模型比尺放大后的瞬时压力－7m及－10m负压值作为抗空蚀或发生空蚀的界限的这种权宜办法，虽然目前在预估空蚀危险性方面偏于安全，要看到它不准确和负压引申问题尚未解决等这些缺陷，有必要在今后的减压箱试验和原型调查的实践中积累资料从理论和实践上最后加以解决。