峡口塘水电站泄洪雾化数值模拟计算研究

徐曙光，周 赤，陈 辉

(长江科学院 水力学研究所， 湖北 武汉 430010)

峡口塘水电站泄洪雾化数值模拟计算研究

徐曙光，周 赤，陈 辉

(长江科学院 水力学研究所， 湖北 武汉 430010)

为了预测峡口塘水电站泄洪雾化的影响范围，建立了相应的数值计算模型，利用江垭水电站泄洪雾化的原型观测资料对数值模型进行验证，计算结果与原观资料基本一致，表明该数值模型是合理的。利用验证的计算模型对峡口塘水电站5种不同工况下泄洪雾化进行预测，计算结果表明无风以及纵向风速15 m/s条件下，各级工况右岸电厂以及下游交通桥均位于毛毛雨区(10 mm/h～0.5 mm/h)外，未受到雾化降雨的影响，而坝下200 m范围内左右两岸边坡均处于暴雨区，受雾化降雨影响较大。

泄洪雾化；数值计算；预测；雾化降雨；降雨强度

泄洪雾化，是指泄水建筑物泄水时所引起的一种非自然的降雨过程与水雾弥漫现象[1-4]。

泄洪雾化过程是复杂的水-气和气-水二相流过程，该过程既受泄洪水头、泄洪流量和泄洪方式的影响，又受地形、气象等条件的制约[5-7]。雾化降雨的主要来源是水舌入水激溅所产生的水团、水滴与水雾在空气中的运动与沉降[8]。泄洪雾化引起的降雨强度远远超过自然降雨中特大暴雨的雨强值，对水利枢纽的正常运行、交通安全、周围环境甚至下游岸坡的稳定均可能造成较大危害[9-14]。

峡口塘水电站位于湖北省利川市文斗乡，是郁江干流(湖北段)规划的第二级开发工程，枢纽工程开发任务以发电为主。水库校核洪水位为467.35 m，校核洪水流量为5 560 m3/s,设计洪水位为 464.00 m，设计洪水流量为3 770 m3/s。工程总体布置方案由混凝土双曲拱坝及坝身泄水建筑物、右岸引水系统、右岸地面厂房及开关站等组成。泄水建筑物设有3个泄流表孔，表孔堰顶高程为450.0 m，进口净宽12.0 m，导墙逐渐收缩，出口处两个边表孔净宽3.0 m，出口处中表孔净宽2.4 m。

峡口塘水电站工程泄洪建筑物下泄水流流量大、水头高、泄洪功率大，而枢纽又处于高山峡谷区，河床狭窄，泄洪建筑物与右岸发电引水系统、厂房及开关站等建筑物相距较近，泄洪消能采用挑流方式，挑流消能也是工程泄水消能方式中常见的衔接消能方式[15]，这些工程具有高水头、大流量、深峡谷的特点且消能问题十分突出[16-17]。因此，泄洪产生的水雾可能对大坝及电站等建筑物的运行安全和下游峡谷高边坡的稳定可能造成较大影响。为了合理地把握泄洪雾化的影响以及可能产生的危害，研究相应的工程防治措施，保障整个枢纽工程安全和稳定运行，开展了泄洪雾化数值模拟预测计算研究。

1 研究方法及内容

泄洪雾化的研究方法主要有3种：原型观测、物理模型试验和数值计算[6,18-20]。原型观测环境恶劣，泄洪水舌落入水体产生激溅，然后扩散形成降雨雾化的过程观测难以实现；而物理模型试验的比尺效应以及观测手段的难度也抑制了相关研究的进展；当前对泄洪雾化形成过程的研究仍以数值计算分析为主[9,12]。

本次研究采用泄洪水流雾化的数学分析模型并结合工程类比，研究不同泄洪工况下峡口塘水电站泄洪雾雨的分布规律、强度分布范围、以及对消能区两岸边坡防护设计及公路和电站厂房等建筑物的影响。研究包括以下内容：

(1) 根据峡口塘水电站工程具体情况，建立合理准确的挑流泄洪雾化的数学模型，以已建代表性工程的泄洪雾化进行验证计算。

(2) 预测计算峡口塘水电站各典型泄洪工况下的泄洪雾化的影响范围与降雨强度分布。

2 挑流泄洪雾化数学模型及验证计算

挑流泄洪雾化数学模型分为挑流溅水区雾化降雨数学模型和雾流扩散区雾化降雨数学模型。数学模型的控制方程及初始条件和边界条件详见参考文献[5]。

为验证挑流泄洪雾化数学模型的适用性及准确性，利用江垭水电站大坝泄洪雾化的原型观测数据对本挑流泄流雾化的数学模型进行了验证计算。

江垭水电站泄洪建筑物设有4个泄洪表孔和3个泄洪中孔，表孔堰顶高程为224 m，孔口净宽14 m，中孔布置在表孔的三个中隔墩下部，进口底板高程为180.0 m，孔口尺寸为5 m×7 m(宽×高)，进口为喇叭口型，孔身中部约30 m长为水平段，后接抛物线。江垭水电站中孔泄流为挑流泄洪，挑流水舌无碰撞，符合已建立的挑流泄洪雾化数学模型的应用条件。选取的江垭水电站泄洪雾化原型观测工况如表1所示。

表1 江垭水电站泄洪雾化原型观测工况

表2为各工况水舌特征值原观值与计算值的对比表，表3为各工况坝下雾化降雨区分布原观值与计算值的对比表。

江垭泄洪雾化计算结果表明：坝下挑流水舌、溅抛范围以及雾化降雨分布的计算值与原型观测值接近，挑流泄洪雾化的数学模型合理，计算方法可信，数值计算结果规律与原型观测一致。

表2 各工况水舌特征值及溅水区范围原观值与计算值

表3 各工况坝下雾化降雨区分布原观值与计算值

3 峡口塘水电站泄洪雾化数值计算

3.1 计算工况及初始边界条件

在此次计算中，建立以坝轴线为X轴，泄洪中心线为Y轴的坐标系，计算范围为泄洪中心线向左向右各延伸100 m、坝轴线向下游延伸400 m组成的200 m×400 m的区域。计算区域的网格划分采用正交化网格，X轴、Y轴分别布置了100、200个节点，网格大小横向为1 m，纵向为2 m。

峡口塘水电站泄洪雾化计算工况如表4所示，地形边界条件见图1。

表4 峡口塘水电站泄洪雾化计算工况

图1 峡口塘水电站泄洪雾化地形边界

3.2 计算结果

本次计算考虑了无风和沿河谷水流方向纵向风速15 m/s两种条件，对两种条件下各泄洪工况泄洪雾化降雨范围进行了模拟计算。

(1)无风条件。数值模拟计算得到了在无风条件下各工况坝下雾流降雨范围及降雨强度分布见图2。

计算结果表明：

① 各级工况下，雾化降雨范围随泄洪流量及泄洪水头的增加而增大，雾化降雨范围受下游地形、水舌风以及水流溅射方向影响，在泄洪水舌区下游雾化降雨强度的变化梯度较小，而左右两岸处雾化降雨强度的变化梯度较大，由于左右两岸地形的起伏变化，并且右岸地形地势比左岸更为平缓，因此导致左右两岸雾化降雨分布呈现左右不对称，右岸分布范围略大于左岸。

② 工况1条件下雾化降雨分布范围最大，大暴雨区沿Y轴向下游延伸至128 m，向右岸延伸至478 m高程处，向左岸延伸至485 m高程处；暴雨区沿Y轴向下游延伸至210 m，向右岸延伸至485 m高程处，向左岸延伸至500 m高程处；毛毛雨区沿Y轴向下游延伸至290 m，向右岸延伸至495 m高程处，向左岸延伸至510 m高程处。

③ 各级工况下，右岸电厂以及下游交通桥均位于毛毛雨区(10 mm/h～0.5 mm/h)外，未受到泄洪雾化降雨的影响，而坝下200 m范围内左右两岸边坡均处于暴雨区，受雾化降雨影响较大。

(2) 纵向风风速15 m/s条件。考虑纵向风影响各级工况下坝下雾流降雨范围及降雨强度分布见图3。

图2 无风条件下各泄洪工况地面雨强等值线图(雨强单位：mm/h)

计算结果表明：

① 沿河谷水流方向纵向风速15 m/s条件下，整个泄洪雾化降雨范围同无风条件下相比较略有变化，各级工况的泄洪雾化降雨区域向下游偏移，纵向范围有所增加，左、右横向边界略有缩窄。与无风条件下相同工况相比较，下游边界纵向最大增加距离分别为10 m，左、右横向边界最大缩窄距离为1 m。

② 工况1条件下雾化降雨分布范围最大，大暴雨区沿Y轴向下游延伸至130 m，向右岸延伸至478 m高程处，向左岸延伸至485 m高程处；暴雨区沿Y轴向下游延伸至215 m，向右岸延伸至485 m高程处，向左岸延伸至500 m高程处；毛毛雨区沿Y轴向下游延伸至300 m，向右岸延伸至493 m高程处，向左岸延伸至510 m高程处。

③ 纵向风速15 m/s各级工况下，右岸电厂以及下游交通桥均位于毛毛雨区(10 mm/h～0.5 mm/h)外，未受到泄洪雾化降雨的影响，而坝下200 m范围内左右两岸边坡均处于暴雨区，受雾化降雨影响较大。

4 结 语

本文对峡口塘水电站泄洪雾化进行了数值计算研究，建立了雾化降雨的数学模型，利用江垭水电站泄洪雾化的原型观测资料对该数学模型进行了验证，验证结果表明该数学模型是合理的，并且具有一定的推广应用价值，通过验证的数学模型对峡口塘水电站泄洪雾化降雨进行了预测，结果表明在无风和纵向风风速15 m/s两种条件下，5种泄洪工况下右岸电厂及下游交通桥均位于毛毛雨区外，未受到泄洪雾化降雨的影响，而坝下200 m范围内左右两岸边坡均处于暴雨区，受雾化降雨影响较大。鉴于泄洪雾化过程的复杂性，计算模型还有待进一步的工程运行验证和完善。

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图3 风速15 m/s条件下各泄洪工况地面雨强等值线图(雨强单位：mm/h)

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Numerical Simulation of Flood Discharge Atomization for Xiakoutang Hydropower Station

XU Shuguang, ZHOU Chi, CHEN Hui

(InstituteofHydraulics,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan,Hubei430010,China)

In order to predict the influence range of flood discharge atomization of Xiakoutang Hydropower Station, the corresponding numerical model is developed. The numerical model is verified by the prototype observation data of the flood discharge atomization of Jiangya Hydropower Station, the calculated results are consistent with the observation data, which indicates that the numerical model is reasonable. The flood discharge atomization of 5 different operating conditions of Xiakoutang Hydropower Station is predicted based on the verification model. The results show that the right bank power plant and the downstream traffic bridge are located outside the drizzle area(10 mm/h～0.5 mm/h)and not affected by the atomized rain in the absence of wind and longitudinal wind speed 15 m/s conditions and all operating conditions, while the left and right sides of the slope in the dam within 200 m are in heavy rain area and affected by the greater impact of atomized rain.

flood discharge atomization; numeric calculation; predict; atomized rain; rainfall intensity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.025

2017-02-21

2017-04-09

徐曙光(1993—)，男，江西瑞昌人，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:449145562@qq.com

周 赤(1963—)，男，湖南岳阳人，教授级高级工程师，主要从事水工水力学高速水流方面的工作。E-mail:zhouchi@mail.crsri.cn

TV135.2

A

1672—1144(2017)04—0129—05