杜 蘭,盧金龍,李 利,許學(xué)問

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010； 3.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院 ，武漢 430064)

大型水利樞紐泄洪霧化原型觀測研究

杜 蘭1,盧金龍2,李 利1,許學(xué)問3

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010； 3.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院 ，武漢 430064)

大型水利樞紐，尤其采用挑流消能工的高壩工程，在泄洪時產(chǎn)生的霧化降雨強度遠超自然降雨，由此對樞紐正常運行、泄洪區(qū)交通安全、周圍環(huán)境等均構(gòu)成危害。對金沙江下游溪洛渡水電站大壩深孔泄洪時霧化影響范圍、降雨強度分布、氣象特性等進行了重點觀測研究。結(jié)果表明：溪洛渡水電站深孔泄洪霧化降雨強度分布呈現(xiàn)局部降雨強度大、降雨強度沿縱向及岸坡方向遞減速度快的特點；觀測工況下最大降雨強度達4 704 mm/h；觀測時段自然風(fēng)速未超過3.5 m/s條件下，泄洪區(qū)最大風(fēng)速達16.3 m/s；自然氣壓為0 kPa、空氣濕度為85%左右時，最大氣壓約為96 kPa，空氣濕度為100%。觀測成果一方面可對溪洛渡水電站岸坡防護設(shè)計進行驗證，并為以后類似工程的岸坡防護設(shè)計提供參考，另一方面可為其他研究手段的完善提供豐富詳實數(shù)據(jù)，具有重要價值。

挑流消能；泄洪霧化；原型觀測；降雨強度；氣象特性

1 研究背景

隨著西部高壩工程建設(shè)，挑流消能工成功解決了“大流量、高水頭、窄河谷”水利樞紐泄洪消能難題，但其在運行中逐漸顯現(xiàn)出一些在設(shè)計和科研階段所未能關(guān)注或引起重視的問題，導(dǎo)致工程事故，造成重大損失[1-2]。

泄洪霧化便是挑流消能帶來的負面效應(yīng)之一，其引起的降雨強度遠超自然降雨強度，泄洪區(qū)水舌風(fēng)速也超過自然風(fēng)速，氣壓、空氣濕度等氣象特性均發(fā)生改變[3-4]。超強降雨及局地氣象特性的改變可能會對泄洪區(qū)邊坡防護、樞紐安全運行及周圍環(huán)境等構(gòu)成危害。國外高壩工程相對較少，對泄洪霧化問題研究成果鮮見報道。國內(nèi)在20世紀70年代開始關(guān)注此問題，并相繼開展了大量研究工作。隨著對霧化現(xiàn)象深入探究，學(xué)者們一致認為泄洪霧化源主要來自水舌空中摻氣裂散和入水噴濺2大方面[1,5]。梁在潮[6-7]，劉士和等[8]對摻氣水舌空中運動及入水噴濺特性進行理論分析，構(gòu)建了考慮水舌風(fēng)等各因素下，霧化水流影響范圍計算式。隨后，戴麗榮等[9]、張華等[10]、姚克燁等[11]也重點研究了用以預(yù)測霧化影響范圍及降雨強度等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬方法的應(yīng)用促進了人們對泄洪霧化形成機理及發(fā)展過程的認識，但因水氣兩相流的復(fù)雜特性，模型參數(shù)率定及完善中需用已知數(shù)據(jù)進行結(jié)果驗證。物理模型試驗也常被用于對具體工程泄洪霧化特性進行初步探討[12]，或用于詳細研究泄洪霧化源及降雨強度分布特性等[13-14]。一些學(xué)者在模型試驗降雨強度與原型間比尺換算方面也做了較多研究[15-16]，目前還無統(tǒng)一標準。泄洪霧化原型觀測可直接獲取霧化參數(shù)值，但存在測量精度和局限于具體工程問題。因此，對泄洪霧化深入研究仍需將數(shù)值模擬、模型試驗及原型觀測結(jié)合起來。

本文以溪洛渡水電站為例，對其大壩深孔泄洪時霧化影響范圍、降雨強度分布、氣象特性等進行了詳細觀測。觀測成果一方面可為溪洛渡水電站邊坡防護設(shè)計進行驗證，并為同類工程提供參考，另一方面可為其他研究手段完善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 工程概況及觀測設(shè)備

溪洛渡水電站樞紐由攔河壩、泄水建筑物和引水發(fā)電建筑物組成，壩頂高程610 m，正常蓄水位600 m，死水位540 m，水庫總庫容126.7億m3。泄水建筑物壩身設(shè)置7個表孔和8個深孔，采用挑流和空中碰撞消能方式，壩后設(shè)水墊塘和二道壩。其中，表孔孔口尺寸為12.5 m×13.5 m，堰頂高程586.5 m，挑坎出口高程567～578 m。深孔孔口尺寸6.0 m×6.7 m，進口高程490.7 m，挑坎出口高程504 m。左右岸各設(shè)置2條泄洪隧洞，出口采用扭曲斜切挑坎消能。大壩和泄水建筑物洪水標準按1 000 a一遇洪水設(shè)計，10 000 a一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量分別為43 700 m3/s和52 300 m3/s。溪洛渡大壩壩身泄洪和泄洪洞泄洪相互獨立，兩雨區(qū)不相聯(lián)。本文僅對大壩壩身深孔泄洪工況下霧化特性進行分析研究。

對泄洪霧化影響范圍的觀測通過肉眼目測、照相及攝像進行定性描述；降雨強度測量根據(jù)不同部位采用標準虹吸式自記式雨量計、超大量程虹吸式自記雨量計、雨量器及滴譜試紙施測，其中超大量程虹吸式自記雨量計通過縮小標準虹吸自記雨量計盛雨口徑的方法達到放大量程的目的，在對不同區(qū)域降雨強度進行預(yù)測后布設(shè)相應(yīng)量程的雨量計；氣象參數(shù)的測量則采用風(fēng)速儀、濕度計及氣壓表施測。表1匯總了觀測項目及相應(yīng)的觀測設(shè)備、測點位置等信息。其中，背景氣象參數(shù)觀測點位于壩軸線上游，遠離泄洪區(qū)。

表1 泄洪霧化原型觀測項目和測量儀器

3 觀測成果

本文對4組工況下的泄洪霧化特性進行描述分析，觀測工況詳見表2。

3.1 霧化形態(tài)及影響范圍

觀測發(fā)現(xiàn)，各工況下水舌空中未碰撞，深孔單獨泄洪霧化源主要來自水舌空中摻氣裂散和入水激濺2大方面。水舌在空中時沿縱向擴散、拉伸，由于水流內(nèi)部紊動劇烈及受周圍空氣阻力影響，水舌表面產(chǎn)生破碎波紋，大量摻入空氣并裂散拋灑。摻入空

表2 觀測工況

氣后的水舌呈乳白色絮狀，噴涌而下，部分水體失穩(wěn)后脫離主體水流，破碎成水滴，該部分霧源量相對較小。摻氣后的高速水流落入下游水墊塘的瞬間與水墊塘內(nèi)水體發(fā)生劇烈碰撞、摻混，水墊塘內(nèi)部分水體被激起40～50 m高，形成大量白色水團噴砸兩岸邊坡及跌向下游，該部分霧源量大、危害性大。

表3統(tǒng)計了不同工況下泄洪霧化影響范圍。

表3 不同工況下泄洪霧化影響范圍

觀察可知，泄洪落差相近時，溪洛渡水電站大壩泄洪霧化形態(tài)及影響范圍，一方面與壩身孔口泄洪流量密切相關(guān)，另一方面與氣象條件如風(fēng)力風(fēng)向、氣壓、空氣濕度、太陽輻射等因素相關(guān)。比較而言，水舌入水碰撞激濺的核心降雨區(qū)域(如水墊塘兩岸412 m平臺)主要受泄洪流量影響較大，并保持正相關(guān)關(guān)系。由于高速射流紊動劇烈，降雨也具有陣發(fā)性、間歇性的顯著特點。此外，下泄流量越大，下游兩岸泄洪水舌風(fēng)也有所增加，超強降雨區(qū)范圍加大并向下游遷移；而大壩下游的薄霧、淡霧的運動和擴散規(guī)律則受環(huán)境及氣象條件影響較大，運動無常，具有較強的隨機性。晴天和陰雨天大不相同，早晨和中午形態(tài)亦差異較大。若是陰雨天，大壩消能區(qū)泄洪霧化水霧與局地大氣降水云霧連成一片，兩者邊界不易區(qū)分；若是晴朗的中午，泄洪霧化邊界較為清晰。

圖1 不同工況下降雨強度分布等值線Fig.1 Rainfall intensity contours in different observation cases

3.2 降雨強度分布特性

表4列出了各工況下最大降雨強度及所在位置,圖1為4組觀測工況下大壩下游水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度等值線。

表4 不同工況下降雨強度參數(shù)

由圖1可見，各觀測工況下霧化降雨強度分布呈現(xiàn)局部降雨強度大、降雨強度沿縱向及岸坡方向遞減速度快的特點。水舌落水區(qū)兩側(cè)岸坡420 m高程以下的區(qū)域主要受水舌入水直接噴濺影響，其降雨強度遠超過特大暴雨級別，是重點防護區(qū)。其他區(qū)域則主要受霧流影響。在泄洪落差基本一致前提下，水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度受泄流量影響顯著，工況1,工況2明顯較工況3,工況4時降雨強度大。

圖1(a)為工況1水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度等值線圖。該工況下，實測左岸最大降雨強度為4 704 mm/h，位于壩下約300 m的412 m平臺處，即水舌落水點略向下游處；右岸最大降雨強度為4 412 mm/h，所處位置基本與左岸相對應(yīng)。430～450 m高程降雨強度迅速遞減，為暴雨-特大暴雨級別。463～559 m高程區(qū)間降雨強度基本小于5 mm/h，在559 m高程以上區(qū)域由泄洪霧化引起的降雨強度基本為0。

圖1(b)為工況2水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度等值線圖。該工況下，左岸最大降雨強度為4 407 mm/h，位置相對有所上移，在壩下約260 m的412 m平臺處；右岸最大降雨強度為3 908 mm/h，所處位置仍與左岸相對應(yīng)?？傮w來看，420 m高程以下，水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度均遠超過自然降雨的特大暴雨級別，二道壩后約150 m范圍也達到特大暴雨級別。430～450 m高程區(qū)間，降雨強度迅速減小，但左右岸略有差別，其中左岸大部分區(qū)域降雨強度在10.0～200 mm/h之間，為暴雨-特大暴雨級別。右岸在430 m高程達到特大暴雨級別，但450 m高程降雨強度銳減，降至5.0 mm/h以下，為中雨級別。463 m高程以上區(qū)域降雨強度與工況1相當(dāng)。

圖1(c)為工況3水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度等值線圖。該工況下，左岸最大降雨強度為1 410 mm/h，位置進一步上移，在壩下約250 m的412 m平臺處；右岸最大降雨強度為870 mm/h，所處位置仍與左岸相對應(yīng)。相對工況2，降雨強度遠超過自然降雨的特大暴雨級別的范圍有所減小，僅在二道壩前的420 m高程以下區(qū)域。430～450 m高程區(qū)間，在壩下約150 m范圍內(nèi)降雨強度略大，超過10 mm/h，為暴雨級別。其他區(qū)域降雨強度基本在1.0 ～10.0 mm/h之間，為中雨-大雨級別。463 m高程以上區(qū)域霧化降雨強度進一步減小。

圖1(d)為工況4水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度等值線圖。該工況下，實測左岸最大降雨強度為974 mm/h，位置與工況3基本一致；右岸最大降雨強度為356 mm/h。420 m高程以下，水墊塘兩側(cè)區(qū)域降雨強度均達到自然降雨的特大暴雨級別，二道壩后降雨強度迅速由大雨級別減小至微雨級別。430～450 m高程，降雨強度迅速減小，其中水墊塘兩側(cè)區(qū)域、430 m高程的降雨強度均超過10 mm/h，為暴雨-特大暴雨級別，而450 m高程平臺，左岸為小雨-中雨級別，右岸為大雨級別。463～517 m高程區(qū)間，大部分區(qū)域降雨強度<5.0 mm/h，為小雨-中雨級別。517 m高程以上區(qū)域，由泄洪霧化引起的降雨量為0。

3.3 氣象特性

表5列出了4組觀測工況下，泄洪區(qū)及自然氣象參數(shù)值。可見，深孔泄洪時，霧化區(qū)氣象條件較自然氣象條件有所改變。泄洪時產(chǎn)生較強的水舌風(fēng)，左右兩岸412 m高程平臺、二道壩位置處的水舌風(fēng)較450 m高程平臺、靠近下游區(qū)水舌風(fēng)要大，且隨著下泄流量增大，水舌風(fēng)基本呈增大趨勢。泄洪霧化區(qū)氣壓及空氣濕度相對自然值均有所增大。其中工況1，觀測時段自然風(fēng)速不超過3.5 m/s時，實測左岸412 m平臺風(fēng)速基本在8～12 m/s范圍內(nèi)，瞬時最大風(fēng)速達16.3 m/s，左岸450 m平臺風(fēng)速基本在2～8 m/s范圍內(nèi)，瞬時最大風(fēng)速為14.2 m/s，右岸412 m平臺風(fēng)速基本在6～10 m/s范圍內(nèi)，瞬時最大風(fēng)速為13.6 m/s。在泄洪時段，壩頂上游區(qū)自然氣壓為82 kPa，空氣濕度為85%左右；而下游左岸450 m平臺處氣壓約為95 kPa，空氣濕度為100%。

表5 不同工況下泄洪區(qū)氣象特性

4 結(jié) 語

本文采用原型觀測方法對溪洛渡水電站深孔單獨泄洪時4組工況下的泄洪霧化及氣象特性進行觀測。得出以下主要結(jié)論：

(1) 溪洛渡水電站此次運行4組工況下霧化源主要為水舌空中摻氣裂散及水舌入水噴濺。泄洪落差相近下，溪洛渡水電站大壩泄洪霧化影響范圍與泄流量呈正相關(guān)關(guān)系。觀測的4組工況下，濃霧區(qū)未超過450 m高程，且主要在水墊塘兩側(cè)及二道壩后200 m范圍內(nèi)區(qū)域，可見度不超過3 m。隨著遠離水墊塘，霧流漸薄至消散。

(2) 霧化降雨強度分布呈局部降雨強度大、降雨強度沿縱向及岸坡方向遞減速度快的特點。水舌落水點兩側(cè)岸坡420 m高程以下的區(qū)域主要受水舌入水直接噴濺影響，其降雨強度遠超過特大暴雨級別，是重點防護區(qū)，其他區(qū)域則主要受霧流影響。降雨強度也與泄流量呈正相關(guān)關(guān)系。泄流量越大，強降雨值及其影響范圍也相應(yīng)越大，其中4個深孔泄洪時，測得左岸最大降雨強度為4 704 mm/h，右岸最大降雨強度為4 412 mm/h，水墊塘至二道壩后200 m區(qū)域、在420 m高程以下為超強降雨區(qū)。

(3) 泄洪區(qū)氣象特性發(fā)生改變。泄洪時產(chǎn)生較大水舌風(fēng)，空氣濕度增加，且氣壓增大。觀測工況下，最大水舌風(fēng)可達16.3 m/s、空氣濕度100%、最大氣壓96 kPa。

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(編輯：王 慰)

Prototype Observation on Flood Discharge Atomizationof Large Hydraulic Project

DU Lan1, LU Jin-long2, LI Li1, XU Xue-wen3

(1.Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010; 3.Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Wuhan 430064, China)

The atomization rainfall induced by flood discharge of large hydraulic projects, especially those with ski-jump energy dissipater, is far more intense than natural rainfall, harmful for the project’s normal operation, traffic safety, and surrounding environment. In this article, prototype observation is carried out to research the atomization influence scope, rainfall intensity distribution, and meteorological characteristics during the deep-hole discharge of Xiluodu hydraulic project in the downstream of Jinsha River. Results suggest that distributing in some local positions, the atomization rainfall intensity at Xiluodu hydropower project decreases rapidly along longitudinal and bank slope directions. In observation condition, the maximum intensity reaches 4 704 mm/h; when natural wind speed is smaller than 3.5 m/s, the maximum wind speed in flood discharge area is up to 16.3 m/s; and when natural air pressure and humidity are 0 kPa and 85% respectively, the maximum air pressure and humidity in flood discharge area reaches 96 kPa and 100%,respectively. The observation results could be used to verify the design of bank slope protection for Xiluodu hydropower project, and also provides rich and detailed data for other research approaches.

trajectory energy dissipation; flood discharge atomization; prototype observation; rainfall intensity; meteorological characteristic

2016-05-10；

2016-10-11

國家自然科學(xué)基金項目(51279013，51379020)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0401904)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項項目(CKSF2016046/SL)

杜 蘭(1985-)，女，湖北襄陽人，工程師，碩士，主要從事水工水力學(xué)研究，(電話)027-82828114(電子信箱)kuailelanlan@163.com。

10.11988/ckyyb.20160455

2017,34(8):59-63

TV131.65

A

1001-5485(2017)08-0059-05