我国泄洪雾化问题的探究与预测

高坝挑流消能和跌流消能都会引起严重的泄洪雾化,有时甚至会造成严重危害,因此泄水工程的泄洪雾化问题日益受到重视,自刘家峡、黄龙滩、龙羊峡、新安江、白山等工程在泄洪初期产生的雾化问题后,国内开展了广泛的研究。目前主要的研究手段是原型观测、数值模拟分析、以及物理模型试验。

原型观测是我国目前研究泄洪雾化问题的一个主要研究手段。20年来,结合工程的运行开展了大量的原型观测工作,如东江、东风、李家峡、二滩、安康等工程。具有代表性工程的是东江和二滩两个高拱坝的泄洪雾化原型观测,通过观测给出了泄洪建筑物不同运行组合条件下的雾化降雨等值线图,从定量的角度给出了泄洪雾化的影响范围,并通过对原型雾化形态的分析,首次提出了水舌落水后产生的激溅水体是主要的雾化源,为了解和认识泄洪雾化运动和扩散机理、深入开展理论分析与数值模拟、合理的制定工程防范措施提供了科学的依据(见图5-12)。拱坝设计规范的修订工作中也吸纳了二滩高拱坝泄洪雾化观测成果,用以指导今后其他工程的设计。原型观测虽然最直观,但只能对已建工程开展研究,如何对正在设计的工程将产生的雾化进行预报,并提出针对性的防护性措施,是设计者更为关注的。

图5-12　东江泄洪雾化影响范围

Ⅰ区、Ⅱ区—暴雨区;ABCD—强降雨区范围;EF、GH、KL、MN—弱降雨区与无降雨区分界线(www.xing528.com)

近十年来,不少专家、学者采用数值模拟及模糊理论的方法研究雾化扩散机理,其目的是对在建和正在设计的工程可能产生的雾化影响进行预报。由于雾化水体是气水混合两相流,随着雾化水体的运动和扩散、并受到环境因素的影响(如水舌风、环境风场、周围地形、泄水建筑物的形式等),气水比是在不断变化的,需要有大量的原型观测数据来修正模型中的参数,在目前阶段仍然是非常困难的,因此也影响了雾化分布范围及雾化强度的预报精度。目前国内在采用了几种方法进行泄洪雾化预报研究。首先在总结国内已开展过的十余个泄洪雾化的原型观测资料,进行了统计分析,采用Rayleigh量纲分析方法建立了估算泄洪雾化强度与纵向边界的经验关系,比起以往的数值模拟结果,提高了预报精度。该项研究还采用了神经网络方法,将泄洪雾化中水力学因素与地形因素作为输入因子,将降雨强度作为输出因子,以达到预报的目的,经过分析比较认为采用RBF网络模型较为合适。研究中根据对二滩水电站泄洪雾化分布规律的研究与学习,对网络的激发函数和网络的结构作了适当的修改,提高了模型的预报精度和泛化性,称之为混合型的RBF 网络模型。应用该模型对在建的小湾工程的泄洪雾化分布规律进行了预报研究。对这类存在的不确定性问题,用神经网络方法进行预测预报是一种非常好的尝试与探索。

也有人采用大比尺的物理模型试验方法来研究泄洪雾化扩散机理并进行预报,比尺通常取1∶30～1∶60,如正在开展的锦屏高拱坝泄洪消能及雾化研究的模型比尺为1∶60,模型最大高度达到了6m 之高;白山重力拱坝的泄洪雾化模型比尺达到了1∶30。由于泄洪雾化的扩散受流速影响很大,尽管物理模型比尺已经取得很大,但比起实际流速可达到40m/s的原型工程,模型中最大流速也只能达到7～8m/s,水分子的分离与扩散与实际工程仍存在很大的差距,原型中水体表面张力难以在模型中得到模拟,因此也影响到模型的预报精度。

国外工程的泄洪雾化问题不是很突出,但也有少数工程遇到此类问题。加拿大麦卡坝左岸溢洪道首次泄洪运行时,挑射水流引起雾化降雨造成下游左岸岸坡局部冲蚀,也影响了原设计的左岸进厂公路的正常通行,因此作为改进措施之一,规定泄洪时进厂由坝顶达到右岸,通过垂直电梯达到位于右岸的地下厂房进口。由于该工程库容达150亿m3 之多,具有多年调节能力,泄洪几率小,正常运行期间泄洪雾化问题不突出。位于韩国汉江上的Soyang坝在1984年遭遇的一场200年一遇洪水条件下的泄洪运行,下泄洪水形成的雾化造成了左岸边坡局部滑坡,阻碍了泄洪通道,抬高了电厂尾水位,造成厂房进水,进而迫使水流偏向右岸,又冲毁了进厂公路。巨大的泄洪引起的水舌风又影响到位于溢洪道右侧(坝下游)的开关站的运行。

工程界最关注的泄洪雾化是对下游两岸岸坡稳定的影响,目前开展的泄洪雾化主要还是侧重研究雾化分布规律的研究。由于激溅水体产生的雾化降雨强度一般均超过强暴雨,长时间的强降雨对两岸山体渗流的影响关系到岸坡的稳定,特别是高拱坝两岸的抗力体稳定问题。这是一个交叉学科的问题,它涉及到水力学及岩土工程问题,但在目前阶段,这个问题还没有引起各方面的足够重视和开展相关的研究。