大型水利枢纽泄洪雾化原型观测研究

杜 兰,卢金龙,李 利,许学问

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010； 3.湖北省水利水电规划勘测设计院 ，武汉 430064)

大型水利枢纽泄洪雾化原型观测研究

杜 兰1,卢金龙2,李 利1,许学问3

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010；2.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010； 3.湖北省水利水电规划勘测设计院 ，武汉 430064)

大型水利枢纽，尤其采用挑流消能工的高坝工程，在泄洪时产生的雾化降雨强度远超自然降雨，由此对枢纽正常运行、泄洪区交通安全、周围环境等均构成危害。对金沙江下游溪洛渡水电站大坝深孔泄洪时雾化影响范围、降雨强度分布、气象特性等进行了重点观测研究。结果表明：溪洛渡水电站深孔泄洪雾化降雨强度分布呈现局部降雨强度大、降雨强度沿纵向及岸坡方向递减速度快的特点；观测工况下最大降雨强度达4 704 mm/h；观测时段自然风速未超过3.5 m/s条件下，泄洪区最大风速达16.3 m/s；自然气压为0 kPa、空气湿度为85%左右时，最大气压约为96 kPa，空气湿度为100%。观测成果一方面可对溪洛渡水电站岸坡防护设计进行验证，并为以后类似工程的岸坡防护设计提供参考，另一方面可为其他研究手段的完善提供丰富详实数据，具有重要价值。

挑流消能；泄洪雾化；原型观测；降雨强度；气象特性

1 研究背景

随着西部高坝工程建设，挑流消能工成功解决了“大流量、高水头、窄河谷”水利枢纽泄洪消能难题，但其在运行中逐渐显现出一些在设计和科研阶段所未能关注或引起重视的问题，导致工程事故，造成重大损失[1-2]。

泄洪雾化便是挑流消能带来的负面效应之一，其引起的降雨强度远超自然降雨强度，泄洪区水舌风速也超过自然风速，气压、空气湿度等气象特性均发生改变[3-4]。超强降雨及局地气象特性的改变可能会对泄洪区边坡防护、枢纽安全运行及周围环境等构成危害。国外高坝工程相对较少，对泄洪雾化问题研究成果鲜见报道。国内在20世纪70年代开始关注此问题，并相继开展了大量研究工作。随着对雾化现象深入探究，学者们一致认为泄洪雾化源主要来自水舌空中掺气裂散和入水喷溅2大方面[1,5]。梁在潮[6-7]，刘士和等[8]对掺气水舌空中运动及入水喷溅特性进行理论分析，构建了考虑水舌风等各因素下，雾化水流影响范围计算式。随后，戴丽荣等[9]、张华等[10]、姚克烨等[11]也重点研究了用以预测雾化影响范围及降雨强度等参数的数学模型。数值模拟方法的应用促进了人们对泄洪雾化形成机理及发展过程的认识，但因水气两相流的复杂特性，模型参数率定及完善中需用已知数据进行结果验证。物理模型试验也常被用于对具体工程泄洪雾化特性进行初步探讨[12]，或用于详细研究泄洪雾化源及降雨强度分布特性等[13-14]。一些学者在模型试验降雨强度与原型间比尺换算方面也做了较多研究[15-16]，目前还无统一标准。泄洪雾化原型观测可直接获取雾化参数值，但存在测量精度和局限于具体工程问题。因此，对泄洪雾化深入研究仍需将数值模拟、模型试验及原型观测结合起来。

本文以溪洛渡水电站为例，对其大坝深孔泄洪时雾化影响范围、降雨强度分布、气象特性等进行了详细观测。观测成果一方面可为溪洛渡水电站边坡防护设计进行验证，并为同类工程提供参考，另一方面可为其他研究手段完善提供基础数据。

2 工程概况及观测设备

溪洛渡水电站枢纽由拦河坝、泄水建筑物和引水发电建筑物组成，坝顶高程610 m，正常蓄水位600 m，死水位540 m，水库总库容126.7亿m3。泄水建筑物坝身设置7个表孔和8个深孔，采用挑流和空中碰撞消能方式，坝后设水垫塘和二道坝。其中，表孔孔口尺寸为12.5 m×13.5 m，堰顶高程586.5 m，挑坎出口高程567～578 m。深孔孔口尺寸6.0 m×6.7 m，进口高程490.7 m，挑坎出口高程504 m。左右岸各设置2条泄洪隧洞，出口采用扭曲斜切挑坎消能。大坝和泄水建筑物洪水标准按1 000 a一遇洪水设计，10 000 a一遇洪水校核，相应洪峰流量分别为43 700 m3/s和52 300 m3/s。溪洛渡大坝坝身泄洪和泄洪洞泄洪相互独立，两雨区不相联。本文仅对大坝坝身深孔泄洪工况下雾化特性进行分析研究。

对泄洪雾化影响范围的观测通过肉眼目测、照相及摄像进行定性描述；降雨强度测量根据不同部位采用标准虹吸式自记式雨量计、超大量程虹吸式自记雨量计、雨量器及滴谱试纸施测，其中超大量程虹吸式自记雨量计通过缩小标准虹吸自记雨量计盛雨口径的方法达到放大量程的目的，在对不同区域降雨强度进行预测后布设相应量程的雨量计；气象参数的测量则采用风速仪、湿度计及气压表施测。表1汇总了观测项目及相应的观测设备、测点位置等信息。其中，背景气象参数观测点位于坝轴线上游，远离泄洪区。

表1 泄洪雾化原型观测项目和测量仪器

3 观测成果

本文对4组工况下的泄洪雾化特性进行描述分析，观测工况详见表2。

3.1 雾化形态及影响范围

观测发现，各工况下水舌空中未碰撞，深孔单独泄洪雾化源主要来自水舌空中掺气裂散和入水激溅2大方面。水舌在空中时沿纵向扩散、拉伸，由于水流内部紊动剧烈及受周围空气阻力影响，水舌表面产生破碎波纹，大量掺入空气并裂散抛洒。掺入空

表2 观测工况

气后的水舌呈乳白色絮状，喷涌而下，部分水体失稳后脱离主体水流，破碎成水滴，该部分雾源量相对较小。掺气后的高速水流落入下游水垫塘的瞬间与水垫塘内水体发生剧烈碰撞、掺混，水垫塘内部分水体被激起40～50 m高，形成大量白色水团喷砸两岸边坡及跌向下游，该部分雾源量大、危害性大。

表3统计了不同工况下泄洪雾化影响范围。

表3 不同工况下泄洪雾化影响范围

观察可知，泄洪落差相近时，溪洛渡水电站大坝泄洪雾化形态及影响范围，一方面与坝身孔口泄洪流量密切相关，另一方面与气象条件如风力风向、气压、空气湿度、太阳辐射等因素相关。比较而言，水舌入水碰撞激溅的核心降雨区域(如水垫塘两岸412 m平台)主要受泄洪流量影响较大，并保持正相关关系。由于高速射流紊动剧烈，降雨也具有阵发性、间歇性的显著特点。此外，下泄流量越大，下游两岸泄洪水舌风也有所增加，超强降雨区范围加大并向下游迁移；而大坝下游的薄雾、淡雾的运动和扩散规律则受环境及气象条件影响较大，运动无常，具有较强的随机性。晴天和阴雨天大不相同，早晨和中午形态亦差异较大。若是阴雨天，大坝消能区泄洪雾化水雾与局地大气降水云雾连成一片，两者边界不易区分；若是晴朗的中午，泄洪雾化边界较为清晰。

图1 不同工况下降雨强度分布等值线Fig.1 Rainfall intensity contours in different observation cases

3.2 降雨强度分布特性

表4列出了各工况下最大降雨强度及所在位置,图1为4组观测工况下大坝下游水垫塘两侧区域降雨强度等值线。

表4 不同工况下降雨强度参数

由图1可见，各观测工况下雾化降雨强度分布呈现局部降雨强度大、降雨强度沿纵向及岸坡方向递减速度快的特点。水舌落水区两侧岸坡420 m高程以下的区域主要受水舌入水直接喷溅影响，其降雨强度远超过特大暴雨级别，是重点防护区。其他区域则主要受雾流影响。在泄洪落差基本一致前提下，水垫塘两侧区域降雨强度受泄流量影响显著，工况1,工况2明显较工况3,工况4时降雨强度大。

图1(a)为工况1水垫塘两侧区域降雨强度等值线图。该工况下，实测左岸最大降雨强度为4 704 mm/h，位于坝下约300 m的412 m平台处，即水舌落水点略向下游处；右岸最大降雨强度为4 412 mm/h，所处位置基本与左岸相对应。430～450 m高程降雨强度迅速递减，为暴雨-特大暴雨级别。463～559 m高程区间降雨强度基本小于5 mm/h，在559 m高程以上区域由泄洪雾化引起的降雨强度基本为0。

图1(b)为工况2水垫塘两侧区域降雨强度等值线图。该工况下，左岸最大降雨强度为4 407 mm/h，位置相对有所上移，在坝下约260 m的412 m平台处；右岸最大降雨强度为3 908 mm/h，所处位置仍与左岸相对应。总体来看，420 m高程以下，水垫塘两侧区域降雨强度均远超过自然降雨的特大暴雨级别，二道坝后约150 m范围也达到特大暴雨级别。430～450 m高程区间，降雨强度迅速减小，但左右岸略有差别，其中左岸大部分区域降雨强度在10.0～200 mm/h之间，为暴雨-特大暴雨级别。右岸在430 m高程达到特大暴雨级别，但450 m高程降雨强度锐减，降至5.0 mm/h以下，为中雨级别。463 m高程以上区域降雨强度与工况1相当。

图1(c)为工况3水垫塘两侧区域降雨强度等值线图。该工况下，左岸最大降雨强度为1 410 mm/h，位置进一步上移，在坝下约250 m的412 m平台处；右岸最大降雨强度为870 mm/h，所处位置仍与左岸相对应。相对工况2，降雨强度远超过自然降雨的特大暴雨级别的范围有所减小，仅在二道坝前的420 m高程以下区域。430～450 m高程区间，在坝下约150 m范围内降雨强度略大，超过10 mm/h，为暴雨级别。其他区域降雨强度基本在1.0 ～10.0 mm/h之间，为中雨-大雨级别。463 m高程以上区域雾化降雨强度进一步减小。

图1(d)为工况4水垫塘两侧区域降雨强度等值线图。该工况下，实测左岸最大降雨强度为974 mm/h，位置与工况3基本一致；右岸最大降雨强度为356 mm/h。420 m高程以下，水垫塘两侧区域降雨强度均达到自然降雨的特大暴雨级别，二道坝后降雨强度迅速由大雨级别减小至微雨级别。430～450 m高程，降雨强度迅速减小，其中水垫塘两侧区域、430 m高程的降雨强度均超过10 mm/h，为暴雨-特大暴雨级别，而450 m高程平台，左岸为小雨-中雨级别，右岸为大雨级别。463～517 m高程区间，大部分区域降雨强度<5.0 mm/h，为小雨-中雨级别。517 m高程以上区域，由泄洪雾化引起的降雨量为0。

3.3 气象特性

表5列出了4组观测工况下，泄洪区及自然气象参数值。可见，深孔泄洪时，雾化区气象条件较自然气象条件有所改变。泄洪时产生较强的水舌风，左右两岸412 m高程平台、二道坝位置处的水舌风较450 m高程平台、靠近下游区水舌风要大，且随着下泄流量增大，水舌风基本呈增大趋势。泄洪雾化区气压及空气湿度相对自然值均有所增大。其中工况1，观测时段自然风速不超过3.5 m/s时，实测左岸412 m平台风速基本在8～12 m/s范围内，瞬时最大风速达16.3 m/s，左岸450 m平台风速基本在2～8 m/s范围内，瞬时最大风速为14.2 m/s，右岸412 m平台风速基本在6～10 m/s范围内，瞬时最大风速为13.6 m/s。在泄洪时段，坝顶上游区自然气压为82 kPa，空气湿度为85%左右；而下游左岸450 m平台处气压约为95 kPa，空气湿度为100%。

表5 不同工况下泄洪区气象特性

4 结 语

本文采用原型观测方法对溪洛渡水电站深孔单独泄洪时4组工况下的泄洪雾化及气象特性进行观测。得出以下主要结论：

(1) 溪洛渡水电站此次运行4组工况下雾化源主要为水舌空中掺气裂散及水舌入水喷溅。泄洪落差相近下，溪洛渡水电站大坝泄洪雾化影响范围与泄流量呈正相关关系。观测的4组工况下，浓雾区未超过450 m高程，且主要在水垫塘两侧及二道坝后200 m范围内区域，可见度不超过3 m。随着远离水垫塘，雾流渐薄至消散。

(2) 雾化降雨强度分布呈局部降雨强度大、降雨强度沿纵向及岸坡方向递减速度快的特点。水舌落水点两侧岸坡420 m高程以下的区域主要受水舌入水直接喷溅影响，其降雨强度远超过特大暴雨级别，是重点防护区，其他区域则主要受雾流影响。降雨强度也与泄流量呈正相关关系。泄流量越大，强降雨值及其影响范围也相应越大，其中4个深孔泄洪时，测得左岸最大降雨强度为4 704 mm/h，右岸最大降雨强度为4 412 mm/h，水垫塘至二道坝后200 m区域、在420 m高程以下为超强降雨区。

(3) 泄洪区气象特性发生改变。泄洪时产生较大水舌风，空气湿度增加，且气压增大。观测工况下，最大水舌风可达16.3 m/s、空气湿度100%、最大气压96 kPa。

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(编辑：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

国家自然科学基金项目(51279013，51379020)；国家重点研发计划项目(2016YFC0401904)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(CKSF2016046/SL)

杜 兰(1985-)，女，湖北襄阳人，工程师，硕士，主要从事水工水力学研究，(电话)027-82828114(电子信箱)kuailelanlan@163.com。

10.11988/ckyyb.20160455

2017,34(8):59-63

TV131.65

A

1001-5485(2017)08-0059-05