两河口水电站泄洪雾化影响分析

2016-02-25柳海涛孙双科郑铁刚李广宁

水力发电 2016年11期

关键词：水舌两河口泄洪洞

柳海涛，孙双科，郑铁刚，李广宁

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

两河口水电站泄洪雾化影响分析

柳海涛，孙双科，郑铁刚，李广宁

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

采用随机溅水数学模型，针对两河口水电站泄洪雾化降雨进行了数值模拟，分析了泄洪条件与河谷地形对雾化降雨分布的影响。研究表明，当洞式溢洪道与深孔泄洪洞联合运行时，泄洪雾化降雨区位于溢洪道出口下游约1 000～1 300 m，横向宽度可达300～400 m，雾雨爬升高度可达125～155 m，水舌下游暴雨区中心雨强约600～1 000 mm/h。洞式溢洪道采用窄缝出口并且正对河槽，雾化雨区主要在纵向扩展，而横向范围较为稳定。深孔泄洪洞采用横向扩散挑坎并与河道呈较大夹角，雾化雨区分布随泄洪流量变化较大，且雾雨区主要位于对岸岸坡。因此，在联合泄洪条件下，应通过增大溢洪道流量比例以控制泄洪洞下游对岸岸坡的雾雨爬升高度。

泄洪雾化；随机溅水模型；降雨强度；两河口水电站

1 研究背景

泄洪雾化是指大型水电站在泄洪过程形成的非自然降雨与水雾弥漫现象。由于其降雨强度远远超出自然降雨记录，对工程下游建筑物安全、岸坡防护、道路交通及周边环境产生一定影响[1]。通过对雾化降雨的定量分析，一方面可用于论证整个枢纽总体布置、泄洪建筑的消能方式、下游岸坡防护等是否合理；另一方面可以预测未来洪水条件下泄洪雾化的分布情况，以便采取必要的工程预防措施，确保工程安全运行。

两河口水电站位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2 km河段，为雅砻江中下游的龙头水库。电站总装机容量为3 000 MW。水库正常蓄水位为2 865 m，对应库容为101.54亿m3。大坝最大坝高295 m，泄水建筑物全部集中于河道左岸，并具有水头高、泄量大、窄河谷、出流集中且全部为挑流的特点，其雾化规模与降雨强度在同类工程中居领先地位，需要对其影响进行定量研究。本文采用泄洪雾化随机溅水模型[2-5]，针对两河口水电站泄洪雾化问题进行数值分析，确定泄洪雾化的影响范围以及降雨强度的分布规律，为电站下游岸坡防护及建筑物布置等设计提供相关依据。

2 随机溅水模型的基本理论

随机溅水模型的基本原理是将水舌入水喷溅视为一种恒定随机喷射过程，通过溅水试验与理论分析可以得到水滴时均喷射参数，在此基础上运用随机函数模拟水滴连续喷射条件，采用水滴运动微分方程描述每个水滴在空中的运动，根据降落地点将水滴的水量累加到地面网格，最后运用统计方法，求得地面降雨强度分布。

2.1 水滴运动微分方程

水滴在运动过程中，受到重力、浮力和空气阻力的共同作用，由此可以建立水滴运动的力学微分方程：

(1)

式中，u、v、w分别为x、y、z方向水滴的运动速度，m/s；uf、vf、wf分别为水滴附近x、y、z方向风速，m/s；Cf为阻力系数；d为水滴粒径，m；ρa为空气密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3。

2.2 水滴时均喷射条件

(1)水滴喷射速度。计算公式为

(2)

(2)喷射流量。水舌入水激溅主要发生于入水前缘，内部水体并不参与溅水，其喷射厚度h为

(3)

(4)

式中，k0为喷溅系数，k0=0.01～0.1；l为水舌前缘宽度，m。由水舌入水喷溅流量，可以换算得到水滴喷射颗粒流量n，即

(5)

2.3 水滴随机出射条件

(1)水滴直径d的概率密度函数分布为

(6)

(2)水滴初始抛射速度u的概率密度函数分布为

(7)

(3)水滴出射角θ的概率密度函数分布为

(8)

(4)水滴出射偏转角φ的概率密度函数分布为

(9)

式中，μ为偏转角众值，一般坝身联合泄洪时取0O，岸边泄洪建筑物则根据平面偏转角度进行取值；σ为偏转角的均方差，σ取值为15°～30°。

2.4 水舌风速的分布规律

水舌入水过程中，在下游形成水舌风，该风场机制复杂，测量与理论计算均较为困难。因此，一般采用理论公式进行计算。水舌风场主要由纵向风场与径向风场两部分组成：纵向风场与水舌运动的水平分量有关，可表示为

(10)

径向风场与水舌入水的垂向分量有关，可表示为

(11)

合成风场可表示为

(13)

式中，Q为泄洪流量；Vc为入水流速。

自然风可视为均匀风场，可根据气象资料加以确定。

3 两河口水电站泄洪雾化计算分析

3.1 研究工况与计算条件

根据设计要求，电站下游岸坡按照百年一遇泄洪标准进行防护，因此需要针对百年洪水泄洪条件下的雾化降雨进行分析，为岸坡防护设计提供参考。两河口水电站泄水建筑物主要包括洞式溢洪道与深孔泄洪洞，均布置于左岸，其中，洞式溢洪道出口采用窄缝挑坎，深孔泄洪洞出口采用扩散挑坎，泄洪过程中两者雾化降雨区将相互叠加，在不同分流比条件下，形成的雾化降雨分布均有不同。为此，本文选取了两组典型泄洪情况进行分析，一种是洞式溢洪道泄洪流量1 563m3/s，深孔泄洪洞泄洪流量2 755m3/s；另一种是洞式溢洪道泄洪流量2 841m3/s，深孔泄洪洞1 477m3/s。两种情况下，其中一个泄洪建筑物达到最大分流比，在其下游形成高强度的局地降雨，此为最不利的泄洪工况。根据两者降雨强度的最大包络线，可规划岸坡分区防护范围与防护标准。上述计算工况的具体泄洪条件见表1，溅水模型的计算参数见表2。

表1 两河口水电站百年洪水泄洪工况

表2 溅水模型计算参数

3.2 泄洪雾化降雨分布计算结果

图1与图2为两组泄洪工况下雾化分布范围与降雨强度等值线图。表3为泄洪雾化降雨强度分布特征值。其中，雾化横向宽度定义为雾化横向边界垂直于河谷的最大宽度，前面数值为溢洪道雾化雨区，后面数值为泄洪洞雾化雨区；雾化纵向长度为溢洪道水舌入水前缘至雾化纵向边界的最大距离；雾化纵向边界桩号为雾化纵向最远边界距洞式溢洪道窄缝出口(0+950 m)的距离；中心雨强为水舌下游雾化暴雨中心的降雨强度；雾化爬升高程与桩号分别对应雾雨在两岸的最大爬升高程与纵向分布范围。

图1 洞式溢洪道与深孔泄洪洞联合泄洪时下游雾化降雨分布

计算表明，两河口水电站在宣泄百年一遇洪水时，泄洪雾化降雨主要位于水舌下游800～1 000 m范围内，暴雨中心降雨强度为600～1 000 mm/h，雾雨边界最远可达溢洪道出口下游1 000～1 300 m。其中，洞式溢洪道在1 563～2 841 m3/s泄洪流量范围内，其雾化雨区的纵向分布长度在500～600 m之间，变幅较大，横向分布宽度约370～380 m，较为稳定。深孔泄洪洞在1 477～2 755 m3/s泄洪流量范围内，雾化雨区纵向分布在450～550 m之间，横向分布宽度在290～410 m之间，雾化分布范围整体受泄洪流量变化影响较大。分析表明，当洞式溢洪道流量占比较大时，雾化降雨区位于河谷中央，两岸雾化分布范围并未显著增加，而泄洪洞由于分配流量较小，对岸雾化分布范围明显减小，因此雾化降雨总体规模较小。反之，当溢洪道流量较小时，雾化降雨横向范围并未明显减小，而泄洪洞由于分配流量较大，下游雾化降雨区明显增大。泄洪过程中，左岸雾化降雨主要受到洞式溢洪道泄洪影响，分布范围变化较小，而右岸雾化降雨范围主要受到深孔泄洪洞影响，分布范围变化较大。另外，两河口水电站在左岸还建有竖井旋流泄洪洞与导流洞，前者在工程完建后与洞式溢洪道联合泄洪，后者主要在施工期间用于宣泄上游洪水。研究表明，在百年洪水条件下，两者的雾化影响范围相对较小，可不作为雾化防控性工况。

表3 雾化降雨分布特征值

图2 洞式溢洪道与深孔泄洪洞联合泄洪时下游雾化降雨强度等值线分布(单位：mm/h)

4 小结

本文采用随机溅水数学模型，针对两河口水电站泄洪雾化降雨分布进行了数值模拟，并给出了降雨强度分布等值线图，为下游岸坡防护设计提供参考。在溢洪道与泄洪洞联合泄洪条件下，泄洪雾化降雨区位于溢洪道出口下游1 000～1 300 m，横向宽度300～4 00 m，暴雨区中心雨强600～1 000 mm/h。洞式溢洪道出口为纵向扩散水舌，其雾化雨区的纵向范围变化明显，而横向范围变化则较小。深孔泄洪洞出口为横向扩散水舌，其雾化雨区分布范围受泄洪流量影响较大，同时由于深孔泄洪洞出口与河道交角较大，所形成的雾雨区主要位于对岸岸坡。因此，在联合泄洪条件下，应优先开启溢洪道，同时其分流比不宜过低，以控制泄洪洞下游对岸雾化降雨范围。

[1]李瓒. 龙羊峡水电站挑流雾化水雾诱发滑坡问题[J]. 大坝与安全， 2001(3)： 17-20．

[2]柳海涛，孙双科，王晓松等. 溅水问题的试验研究与随机模拟[J]. 水动力学研究与进展， 2009， 24(2)： 217-223．

[3]柳海涛，刘之平，孙双科. 水舌入水喷溅的随机数学模型[J]. 水利水电科技进展， 2009， 29(6)： 1-4．

[4]张华，练继建，李会平. 挑流水舌的水滴随机喷溅数学模型[J]. 水利学报， 2003(8)： 21-25．

[5]刘士和，曲波. 泄洪雾化溅水区长度深化研究[J]. 武汉大学学报：工学版， 2003， 10(5)： 5-8．

[6]孙双科，刘之平. 泄洪雾化降雨的纵向边界估算[J]. 水利学报， 2003(12)： 53-58．

(责任编辑王琪)

Analysis of Flood Discharge Atomization in Lianghekou Hydropower Station

LIU Haitao, SUN Shuangke, ZHENG Tiegang, LI Guangning

(State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

A stochastic splash model is applied to simulate the flood discharge atomization in Lianghekou Hydropower Station. The impacts of releasing conditions and valley terrain on rainfall distribution are analyzed. The results show that, when the tunnel spillway and deep discharge tunnel are jointly opened to release flood, the far boundary of atomized rainfall area can reach 1 000-1 300 m downstream of spillway outlet, the maximum transverse width can reach 300-400 m, the climbing height above the water surface is 125-155 m, and the central rainstorm intensity is about 600-1000 mm/h. The tunnel spillway has a narrow slit outlet at the direction of river channel, the rainfall distribution is mainly longitudinal extended and stable in the transverse. The deep discharge tunnel has a lateral diffusion bucket, the atomized range is significantly changed with the flood discharge, and the rainfall is mainly located on the side slope because of a larger angle between water jet and river channel. Therefore, in the condition of joint releasing, the spillway discharge should be increased for reducing the climbing height of atomization caused by deep tunnel．

flood discharge atomization; stochastic splash model; rainfall intensity; Lianghekou Hydropower Station