高拱壩樞紐工程泄洪調(diào)度方式對(duì)霧化的影響分析

余凱文,韓昌海

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

高壩泄洪霧化是一種復(fù)雜的水氣兩相流問(wèn)題，涉及水舌的空中破碎、摻氣、擴(kuò)散、碰撞、入水激濺等多個(gè)物理過(guò)程，既受泄洪流量、上下游水位差和泄洪方式等水力因素的影響，又受地形、氣象等外界條件的制約。近年來(lái)，結(jié)合具體工程圍繞單個(gè)或多個(gè)因素作用下霧雨強(qiáng)度及分布開(kāi)展了較多研究。陳慧玲等[1]以二灘水電站為例，通過(guò)1∶35的三孔水工模型試驗(yàn)，初步研究了泄流運(yùn)行方式及加設(shè)齒坎的表孔體型對(duì)霧化影響；劉宜烈等[2]在假定噴濺水滴為圓形體且做反彈斜拋運(yùn)動(dòng)下，研究了在空氣阻力、水舌風(fēng)、重力作用下的噴濺運(yùn)動(dòng)，提出了考慮空氣阻力作用的霧雨縱橫向分布規(guī)律；劉昉[3]利用挑流泄洪霧化數(shù)學(xué)模型，研究了環(huán)境風(fēng)和地形地貌單獨(dú)作用下泄洪霧化降雨強(qiáng)度分布及其影響范圍的變化；黃財(cái)元[4]基于二灘水電站原型觀測(cè)成果，通過(guò)隨機(jī)噴濺數(shù)學(xué)模型，分析了霧雨區(qū)在水舌風(fēng)作用下的分布特性；劉昉等[5]通過(guò)物理模型專(zhuān)項(xiàng)濺水試驗(yàn)并結(jié)合原型觀測(cè)資料，研究了流量、水舌入水速度、入水角度對(duì)霧化影響的規(guī)律。上述研究為分析多因素作用下的泄洪霧化特性提供了很大幫助，但高水頭大流量的泄洪需求、高海拔低氣壓的復(fù)雜氣候環(huán)境，以及高邊坡窄河谷的復(fù)雜地形環(huán)境，使得高拱壩泄洪消能與霧化間的矛盾日益突出，成為高壩泄洪急待解決的難題之一。

目前高拱壩樞紐工程大多采用“壩身表孔+深孔雙層泄水孔口布置、下游設(shè)水墊塘與二道壩、并輔以岸邊泄洪洞”的“二灘模式”泄洪消能[6]。工程實(shí)踐表明，樞紐運(yùn)行調(diào)度方式對(duì)霧化的影響十分顯著，也是在工程的泄洪消能方式確定后緩解霧化影響的最有效措施。尤其是具備多孔口、多層次出流泄洪消能方式的高壩工程，其泄洪消能調(diào)度就顯得十分重要。工程中常遇泄洪工況為部分孔口開(kāi)啟泄洪，為此，以錦屏一級(jí)、二灘、白鶴灘等樞紐工程的原型觀測(cè)、數(shù)值模擬以及水工模型試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，研究部分孔口開(kāi)啟泄洪時(shí)霧化規(guī)律，并提出合理的水電站運(yùn)行調(diào)度方式，探討通過(guò)泄洪調(diào)度方式減輕泄洪霧化帶來(lái)危害的途徑。

1 高拱壩泄洪霧化影響因素分析

高拱壩多建于峽谷地區(qū)，其突出特點(diǎn)是高水頭、大泄量、窄河谷，多通過(guò)優(yōu)化孔口體型、孔口相對(duì)位置及多層孔口分散出流，使下泄水流縱向拉開(kāi)、橫向擴(kuò)散、分層入水，達(dá)到較好的消能效果，減小水舌對(duì)水墊塘的沖擊壓力，但伴隨著嚴(yán)重的霧化現(xiàn)象，我國(guó)典型工程泄洪水力特性見(jiàn)表1。

表1 典型高拱壩工程泄洪方式和規(guī)模Tab.1 Flood discharge mode and scale of typical high arch dams in China

高拱壩樞紐泄洪霧化降雨強(qiáng)度及分布的共性特征體現(xiàn)在以下幾方面[3, 7- 12]：① 水力條件相關(guān)性，上下游水位差與泄洪流量越大，入水角度(水舌與水平面夾角)越小，下游水墊越淺，泄洪霧化越嚴(yán)重。② 邊界條件相關(guān)性，邊界條件包括消能工體型、下游地形條件等?？v、橫向擴(kuò)散好的挑流鼻坎，可增加水舌在空中的分散度，提高消能率，但隨之也會(huì)加重泄洪霧化程度；河道開(kāi)闊地區(qū)霧雨爬高較河谷狹窄地區(qū)低；緩坡一側(cè)大暴雨區(qū)范圍及降雨梯度比陡坡一側(cè)??；河道轉(zhuǎn)彎及岸坡山體變化時(shí)，凹岸霧化比凸岸嚴(yán)重。③ 氣象條件相關(guān)性，晴天比陰雨天、中午比早晚天霧雨范圍?。划?dāng)風(fēng)向與泄流方向一致或相反時(shí)，環(huán)境風(fēng)對(duì)霧化范圍縱向影響較大，橫向影響不大；濕度、氣壓也不同程度影響霧化形成與發(fā)展。④ 消能方式相關(guān)性，底流消能的霧化源是通過(guò)水躍產(chǎn)生，霧雨影響范圍小、強(qiáng)度??；挑流消能的霧化源來(lái)自水舌空中裂散摻氣和水舌入水噴濺，霧雨影響范圍大，且強(qiáng)度大。

2 壩身表孔泄洪霧化特征

表孔超泄能力強(qiáng)，布置簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈活、可靠，應(yīng)用于工程實(shí)踐。高拱壩工程的表孔主要采用橫向擴(kuò)散來(lái)增加水舌分散度，同時(shí)輔助增加縱向擴(kuò)散，以解決表孔泄洪消能問(wèn)題，但在增加水舌縱、橫向擴(kuò)散的同時(shí)加大了空中摻氣量，從而增大了空中水舌的霧化源量。

錦屏一級(jí)、二灘、白鶴灘水電站表孔出口分別采用底部透空的收縮式窄縫坎、相鄰大差動(dòng)跌坎+分流齒坎、差動(dòng)式跌坎，以調(diào)整表孔水舌縱、橫向擴(kuò)散。各電站表孔單獨(dú)泄洪工況下霧化降雨強(qiáng)度分布見(jiàn)圖1。錦屏一級(jí)水電站4表孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 880.00 m、下泄流量3 636 m3/s)，最大霧化雨強(qiáng)為766.4 mm/h，霧雨最大縱向影響范圍為370 m，左、右岸最大爬高達(dá)175 m；二灘水電站7表孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 199.70 m、下泄流量6 024 m3/s)，最大霧化降雨強(qiáng)度為833 mm/h，縱向、橫向影響范圍分別為669 和590 m，左、右岸最大爬高達(dá)220 m；小灣水電站4表孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 241.87 m、下泄流量 6 512 m3/s)，100，50和10 mm/h降雨強(qiáng)度橫向影響范圍分別為524，594和699 m；白鶴灘水電站6表孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位825.00 m、下泄流量9 446 m3/s)，降雨強(qiáng)度超過(guò)500 mm/h，霧雨區(qū)橫向影響范圍約450 m，兩岸爬升高度達(dá)190 m，縱向最遠(yuǎn)至壩下游900 m處。

圖1 各水電站表孔單獨(dú)泄洪工況下霧化降雨強(qiáng)度分布(單位: mm/h)

表孔水流流程短，水舌出口作用水頭小，水舌出坎流速低，入水集中，入水位置離壩趾較近，霧雨區(qū)主要集中在壩址區(qū)附近。基于二灘原型觀測(cè)及錦屏一級(jí)、白鶴灘等水電站物理模型試驗(yàn)測(cè)得的表孔泄洪霧雨區(qū)縱向范圍即0 mm/h等降雨強(qiáng)度線縱向長(zhǎng)度，采用量綱分析法得到表孔泄洪霧雨區(qū)縱向范圍(L)與下泄流量(Q)、入水角度(θ)余弦函數(shù)、水舌入水速度(Vc)、重力加速度(g)之間滿(mǎn)足：

(1)

由式(1)計(jì)算各表孔霧雨區(qū)縱向范圍如表2所示，各個(gè)電站霧雨區(qū)縱向影響范圍實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值相對(duì)誤差不超過(guò)15%。從霧雨區(qū)縱向長(zhǎng)度L的構(gòu)造式(1)可以看出表孔泄洪產(chǎn)生的霧雨區(qū)分布與水舌入水面積、入水流速及入水角度密切相關(guān)，表孔單獨(dú)開(kāi)啟泄流工況下，流速對(duì)霧雨區(qū)分布的影響最為顯著，入水面積次之，而入水角度對(duì)霧雨區(qū)分布的影響相對(duì)較小。

表2 各電站表孔單獨(dú)運(yùn)行工況下霧雨區(qū)縱向長(zhǎng)度Tab.2 Longitudinal length of atomization area under separate operation conditions of crest outlets of hydropower stations

3 壩身深(中)孔泄洪霧化特征

深(中)孔下泄水流為有壓流，水舌出壩流速大，入水位置離壩趾遠(yuǎn)，水舌在水壓力作用下被壓得較小，分散激烈，水翅噴射嚴(yán)重，使得泄洪霧化現(xiàn)象更加嚴(yán)重。各電站深(中)孔單獨(dú)泄洪工況下，霧化降雨強(qiáng)度分布見(jiàn)圖2。錦屏一級(jí)水電站5深孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 880.00 m、下泄流量5 390 m3/s)，試驗(yàn)觀測(cè)到濺水區(qū)內(nèi)的最大降雨強(qiáng)度為930.6 mm/h，霧雨最大縱向影響范圍480 m，左、右岸最大爬高達(dá)170 m；二灘水電站6中孔全開(kāi)單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 199.70 m、下泄流量6 856 m3/s)，最大霧化降雨強(qiáng)度為850 mm/h，縱向、橫向影響范圍分別為728 和622 m，左、右岸最大爬高達(dá)240 m；溪洛渡水電站8深孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位600.00 m、下泄流量12 360 m3/s)，縱向最大霧化降雨長(zhǎng)度870 m，左、右岸最大爬高可達(dá)225 m，實(shí)測(cè)最大霧化降雨強(qiáng)度為5 239.4 mm/h；白鶴灘水電站7深孔單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位825.00 m、下泄流量11 657 m3/s)，霧化雨強(qiáng)超過(guò)800 mm/h，霧雨區(qū)最大橫向影響范圍約500 m，最大縱向影響范圍可至壩下1 000 m附近，左、右岸最大爬高達(dá)220 m[13]。

圖2 各水電站深(中)孔單獨(dú)泄洪工況下霧化降雨強(qiáng)度分布(單位: mm/h)

深(中)孔水流流程長(zhǎng)，水舌出口作用水頭大，水舌出坎流速高，霧雨區(qū)范圍明顯大于表孔單獨(dú)泄洪工況?；诙┰陀^測(cè)及錦屏一級(jí)、溪洛渡等水電站物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的深(中)孔泄洪霧雨區(qū)縱向范圍即0 mm/h等降雨強(qiáng)度線縱向長(zhǎng)度，采用量綱分析法得到深(中)孔泄洪霧雨區(qū)縱向范圍(L)與下泄流量(Q)、入水角度(θ)余弦函數(shù)、水舌入水速度(Vc)、重力加速度(g)之間滿(mǎn)足：

(2)

由式(2)計(jì)算各深(中)孔霧雨區(qū)縱向范圍如表3所示，各個(gè)電站深孔泄洪工況下霧雨區(qū)縱向影響范圍實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值接近，相對(duì)誤差不超過(guò)15%。深(中)孔單獨(dú)開(kāi)啟泄洪工況下，霧雨區(qū)縱向長(zhǎng)度與流速水頭、水舌入水面積、入水角度相關(guān)，其中流速水頭對(duì)霧雨區(qū)范圍的影響最為顯著。

表3 各電站深(中)孔單獨(dú)運(yùn)行工況下霧雨區(qū)縱向長(zhǎng)度Tab.3 Longitudinal length of atomization area under separate operation conditions of bottom (mid- level) outlets of hydropower stations

4 泄洪洞泄洪霧化特征

泄洪洞是水利水電樞紐工程中十分重要的岸邊泄水建筑物，其出口高程較低，挑流水舌空中流程短，水舌裂散區(qū)小，激濺也不嚴(yán)重，泄洪霧化影響范圍有限。各電站泄洪洞單獨(dú)泄洪工況下，霧化降雨強(qiáng)度分布見(jiàn)圖3。

圖3 各水電站泄洪洞單獨(dú)泄洪工況下霧化降雨強(qiáng)度分布(單位: mm/h)

錦屏一級(jí)水電站 1 條泄洪洞單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 880.00 m，下泄流量3 636 m3/s)，水舌入水縱向范圍在壩1+200.0 m～壩1+320.0 m，位置偏左岸，水舌入水噴濺影響區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度達(dá)100～300 mm/h(高程1 710.0 m以下)，在高程1 690.0 m，右岸壩1+260 m處，模型試驗(yàn)觀測(cè)到最大霧化雨強(qiáng)為273.9 mm/h；白鶴灘水電站 3 條泄洪洞單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位825.00 m，下泄流量11 368 m3/s)，出口下游100 m 范圍內(nèi)分別形成 3 個(gè)暴雨中心，降雨強(qiáng)度可達(dá)600 mm/h，霧雨區(qū)縱、橫向影響范圍分別約750和800 m，兩岸爬升高度約140 m；大崗山水電站 1 條泄洪洞單獨(dú)泄洪時(shí)(上游水位1 122.68 m，下泄流量1 344 m3/s)，泄洪洞出口上游側(cè)區(qū)域無(wú)降雨，最大霧化降雨強(qiáng)度達(dá)377 mm/h，兩岸可爬升至1 145 m高程處。

泄洪洞單獨(dú)泄洪時(shí)，泄洪霧化對(duì)泄洪洞出口上游側(cè)影響很小，霧雨區(qū)分布明顯受到對(duì)岸地形的影響，暴雨中心及霧雨影響區(qū)均位于遠(yuǎn)離壩體下游河段，對(duì)電站樞紐影響相對(duì)較小，可保證樞紐安全而有效運(yùn)行。

5 泄洪調(diào)度對(duì)霧化影響的分析

5.1 調(diào)度方式對(duì)霧化雨強(qiáng)的影響

庫(kù)水位和泄量(±15%)一定時(shí)，錦屏一級(jí)、溪洛渡水電站不同泄洪調(diào)度方式下各觀測(cè)斷面霧化雨強(qiáng)沿高程及縱向變化分別如圖4和5所示。霧化降雨強(qiáng)度及其變化梯度隨高程的增加逐漸減小，在一定高程范圍內(nèi)，泄洪調(diào)度運(yùn)行方式對(duì)霧化雨強(qiáng)分布有顯著影響，在同一觀測(cè)斷面上，深孔單獨(dú)泄洪時(shí)霧化雨強(qiáng)及其變化梯度明顯大于表孔單獨(dú)泄洪工況；在超過(guò)一定高程范圍后，霧化雨強(qiáng)明顯減小，霧雨強(qiáng)度分布受泄洪調(diào)度方式影響較小。霧化降雨強(qiáng)度沿縱向分布與水舌入水點(diǎn)有關(guān)，在水舌入水點(diǎn)附近出現(xiàn)最大值。深孔單獨(dú)泄洪時(shí)水舌入水點(diǎn)比表孔遠(yuǎn)，但深孔單獨(dú)泄洪時(shí)縱向霧雨強(qiáng)度明顯大于表孔泄洪工況。

圖4 各水電站霧化降雨強(qiáng)度沿高程變化

圖5 各水電站霧化降雨強(qiáng)度沿縱向變化

5.2 調(diào)度方式對(duì)霧雨區(qū)縱向范圍的影響

庫(kù)水位和泄量(±15%)一定時(shí)，表、深(中)孔單獨(dú)泄洪工況下，各電站水舌入水參數(shù)分別如表2和3所示。表孔單獨(dú)泄洪時(shí)水舌入水角度明顯大于深(中)孔單獨(dú)泄洪工況，而入水流速略小于深孔水舌入水流速。根據(jù)表、深(中)孔單獨(dú)泄洪時(shí)霧雨區(qū)縱向長(zhǎng)度計(jì)算式(1)和(2)，霧雨區(qū)縱向長(zhǎng)度與流速水頭、水舌入水面積成正比，而與入水角度成反比，即泄流量與入水流速越大，入水角度(水舌與水平面的夾角)越小，泄洪霧雨區(qū)影響范圍越大。深孔單獨(dú)開(kāi)啟泄洪時(shí)，水舌入水面積、入水角度對(duì)霧雨區(qū)分布的影響較表孔小，但流速水頭作用更明顯，一方面大流速會(huì)加劇水舌紊動(dòng)、擴(kuò)散，促進(jìn)水氣交界面上渦體的混摻和交換，使水舌破碎和摻氣更充分；另一方面又會(huì)使伴隨產(chǎn)生的水舌風(fēng)及水舌入水激濺作用更強(qiáng)烈。深(中)孔挑流水舌的初始流速大、入水角小，因此霧化縱向范圍比同一條件下表孔、泄洪洞單獨(dú)泄洪工況嚴(yán)重。

5.3 調(diào)度方式對(duì)霧雨區(qū)垂向范圍的影響

圖6 不同泄洪調(diào)度方式下各電站霧化降雨爬升高度(H為最大壩高)Fig.6 Climbing height of atomized rainfall under different flood discharge operations of hydropower stations (H - maximum dam height)

以各水電站壩底高程為基點(diǎn)，不同泄洪運(yùn)行工況下，各水電站霧化雨強(qiáng)沿兩岸邊坡的爬高如圖6所示。庫(kù)水位和泄量(±15%)一定時(shí)，同一電站在不同泄洪方式下沿兩岸爬升高度相近，差值為(0.1～0.2)H(H為最大壩高)，所以泄洪調(diào)度方式對(duì)霧雨區(qū)垂向分布影響較小。錦屏一級(jí)、溪洛渡、二灘等樞紐均布置在高窄河谷地區(qū)，這一地區(qū)為高山峽谷地貌，河谷狹窄，兩岸岸坡陡峻，河谷寬高比較小；霧雨隨水舌風(fēng)擴(kuò)散，當(dāng)遇到阻擋時(shí)，將形成降雨落到地面。因此，泄洪霧化降雨的垂向分布受近壩區(qū)兩岸河道形態(tài)、坡度、山坡峰壑等地形因素的制約。

從泄洪霧化角度考慮：表孔單獨(dú)泄洪時(shí)霧化降雨強(qiáng)度及其縱向范圍明顯小于深(中)孔單獨(dú)泄洪工況；泄洪洞單獨(dú)泄洪時(shí)霧化降雨強(qiáng)度及其影響范圍有限，且暴雨中心及霧雨影響區(qū)均位于遠(yuǎn)離壩體的下游河段，霧化降雨對(duì)泄洪洞出口上游側(cè)影響很小。在電站運(yùn)行中可利用這一特性通過(guò)合理運(yùn)行調(diào)度減少泄洪霧化影響，保證電站樞紐安全正常運(yùn)行。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1) 水電樞紐泄洪霧化是多種因素共同作用的結(jié)果，霧雨區(qū)范圍與流速水頭、水舌入水面積、入水角度密切相關(guān)，深孔單獨(dú)開(kāi)啟泄洪時(shí)，水舌入水面積、入水角度對(duì)霧雨區(qū)分布的影響較表孔小，但流速水頭作用更明顯。

(2) 對(duì)具備多孔口、多層次出流泄洪消能方式的高壩工程，泄洪調(diào)度方式對(duì)霧化的影響十分明顯，采取合理的泄洪調(diào)度方式，可有效減小霧化降雨強(qiáng)度及其縱向影響范圍。庫(kù)水位和泄量(±15%)一定時(shí)，泄洪洞運(yùn)行工況下霧化降雨強(qiáng)度及其縱向影響范圍最小，且霧化影響區(qū)集中在遠(yuǎn)離壩體的下游河段，壩體等樞紐建筑物基本不受霧化降雨影響；深(中)孔單獨(dú)運(yùn)行工況下霧化降雨強(qiáng)度及其縱向影響范圍最大，表孔單獨(dú)運(yùn)行工況下霧化降雨強(qiáng)度及其縱向影響范圍介于兩者之間。

(3) 庫(kù)水位和泄量(±15%)一定時(shí)，霧雨區(qū)垂向范圍受泄洪調(diào)度方式影響較小，同一電站在不同泄洪方式下沿兩岸爬升高度相近，差值為(0.1～0.2)H(H為最大壩高)。樞紐泄洪時(shí)可優(yōu)先選擇泄洪洞單獨(dú)泄洪的樞紐運(yùn)行調(diào)度方式，以減小泄洪霧化降雨影響，保證樞紐運(yùn)行安全。