高拱坝枢纽工程泄洪调度方式对雾化的影响分析

结合已建典型高拱坝枢纽工程泄洪雾化原型观测、数值模拟及物理模型试验成果,分析高拱坝枢纽部分孔口开启泄洪的雾化规律,探讨通过泄洪调度方式减轻泄洪雾化所带来危害的途径,保证电站枢纽安全有效运行。结果表明,坝身表、深(中)孔泄洪时雾雨区分布与下游水舌入水流速、水舌入水面积以及入水角度密切相关,其中入水流速对深(中)孔泄洪雾雨区分布的影响更加明显。当库水位和泄洪量一定时,泄洪洞运行雾化雨强及其影响范围最小,且雾化影响区集中在远离坝体的下游河段,而深(中)孔单独运行雾化雨强及其纵向影响范围明显大于表孔和泄洪洞单独运行工况,雾雨区垂向范围受泄洪调度方式影响较小。     

基于泄洪雾化影响的白鹤滩水电站坝身泄洪调度方式研究

针对高坝工程泄洪调度方式的雾化影响问题,提出一种改进的泄洪雾化数学模型。该模型可综合反映水舌入水条件、气象条件及河谷地形的影响,并通过小湾工程实测资料验证,两者吻合良好。在此基础上,针对白鹤滩水电站坝身泄洪方式进行雾化影响对比分析。结果表明,当深孔泄洪时,由于其水舌挑距大,入水角度小,水舌风场与雾化降雨范围明显大于表孔泄洪,在泄洪流量与水位落差相同的条件下,表、深孔不同开启方式,其水舌落点与入水形态各不相同,最终引起水舌风场与雾化降雨分布显著变化,根据不同运行工况下的雾化降雨对比结果,提出了坝身孔口的最优开启方式。上述研究为今后实际工程泄洪调度的雾化影响分析提供了借鉴。     

溪洛渡水电站枢纽泄洪雾化初步研究

溪洛渡水电站具有“窄河谷、大泄量、高水头”的特点，泄洪总功率达1亿kW，坝身采用水舌空中碰撞及水垫塘消能，泄洪雾化严重。本文借助大比尺物理模型预报泄洪水舌与泄洪雾化雨强分布；通过对国内近几十年来泄洪雾化模型试验及理论数值分析估算雾雨的影响范围，结合类似工程的原型观测资料，对溪洛渡的雾化问题给予综合评判，预测泄洪雾化范围及需采取的防护措施。     

环境风和地形因素在挑流泄洪雾化数学模型中的影响

挑流泄洪雾化是一种复杂的水-气二相流，影响其降雨强度和雾化范围的因素众多。其中，环境风和地形因素被认为是在数值计算中难以考虑的因素。本文应用蒙特卡罗方法将环境风和地形因素的影响添加到挑流泄洪雾化数学模型中，在单独考虑环境风和地形因素的影响下，分别计算出4种典型工况条件下的雾化范围和降雨强度分布规律，以及雾化范围纵向和横向最远点的平面坐标。结果表明，在考虑环境风和地形因素的影响条件下，挑流泄洪雾化数学模型的计算结果同原型观测资料变化规律相一致。     

对隔河岩工程泄洪雾化的认识与防护

国内新安江、柘溪等水利枢纽均存在由于泄流雾化而造成对于工程及发电的危害。泄流雾化属于水气二相流动,即自溢流坝或深孔下泄的高速水流,经鼻坎挑流作用而使水舌抛向空中并射入下游水垫。在此过程中,由于水气混掺;水舌入水喷溅,以及水舌在空中碰撞,形成之水滴、水汽,造成了雾化。对此目前尚无成熟的理论计算方法。二滩工程采用模型试验及原型观测手段对雾化进行研究,并在此基础上定出雾化分区标准,给出相应分布范围及确定防护措施。清江隔河岩工程系用表孔及深孔泄洪,预计泄洪时将会产生不同程度的雾化问题。由于泄洪期为每年5～10月,故不致因雾化引起输电线路挂冰现象。因坝址上游为峡谷,下游地形则相对开阔,易产生峡谷风,使雾向开阔处扩散,可能影响电站运行。经试验表明,如能尽量避免表、深孔联合运用,可减轻雾化程度。根据已建工程的雾化资料,隔河岩工程提出采用全封闭式开关站;加固开挖边坡及设排水沟等防护措施。     

构皮滩工程泄洪雾化降雨强度及雾流范围研究

构皮滩工程泄洪流量和泄洪落差巨大,泄洪水舌入水激溅产生的强降雨及雾流对工程的安全以及电站的正常运行将产生一定的影响。通过物理模型试验研究和经验公式计算的方法,对构皮滩工程大坝泄洪雾化现象进行了较为深入的研究,分析了该工程泄洪雾化降雨强度分布特性,对降雨强度及雾流影响范围进行了预测。同时通过与相似工程类比,分析了构皮滩工程雾化降雨局部雨强大,雨强变化快以及两岸雨强分布不对称的特点。物理模型研究成果与经验公式计算和工程类比成果基本一致。     

泄洪雾化降雨的纵向边界估算

近年来随着一大批高坝的陆续兴建，泄洪雾化问题越来越引起人们的关注，迫切需要进行预测研究。由于泄洪雾化的物理过程与影响因素十分复杂，基于大量原型观测资料的统计分析方法是有效的研究手段之一。本研究在对部分已建工程的泄洪雾化原型观测资料进行收集、归纳、总结的基础上，发现泄洪雾化纵向边界与泄流流量、水舌平均入水流速及入水角之间存在良好的相关关系，并基于量纲分析方法建立了估算泄洪雾化降雨纵向边界的经验关系式。该成果可用于实际工程的泄洪雾化预测研究。     

挑流水舌泄洪雾化源形成过程研究

水利工程大功率泄洪引发的强降雨及雾流对工程运行安全和周围生态环境均可能产生较大影响。以往研究工作主要从工程安全出发,关注大坝下游两岸岸坡的泄洪雾化影响范围和雨强分布特性。由于泄洪雾化涉及复杂的水气两相流和高速水流运动问题,现阶段对雾化形成机理的研究尚不透彻。通过概化模型试验,利用高速摄影等测量手段,对不同水力条件下挑流水舌落水产生泄洪雾化的过程进行了观测分析,重点研究了落水点附近表面水体激溅反弹产生雾化源的过程,分析了泄洪雾化主要雾化源的组成和特点。研究表明泄洪雾化主要由水舌空中紊动掺气形成的抛洒雾源和水舌与下游水体碰撞反弹形成的激溅雾源组成,特别指出激溅雾源的形成与水舌入水导致的下游水体表面周期性壅水形成、破裂、消落的过程密切相关。     

丰满水电站重建工程挑流消能方案泄洪雾化研究

针对丰满水电站重建工程中的挑流消能方案,采用随机溅水数学模型,进行了泄洪雾化降雨数值模拟,将水舌入水喷溅源进行空间离散,描述水舌入水形态对下游雾化降雨的影响,同时考虑飞行水滴与空气间的相对速度,分析了各种泄洪运行方式与自然风场对雾化降雨分布的影响。研究表明:丰满水电站重建工程采用的分区挑流泄洪方案可将雾化区域控制在河道水面范围内,雾化降雨对左岸三期电站、右侧坝后电站、以及右岸生产、生活区的影响有限。在10 m/s以上横向风场作用下,左岸三期电站尾水平台出现5 mm/h左右的降雨,对此可通过增设地面排水设施加以解决。对于泄洪运行调度,建议优先开启中区4~#—6~#溢流表孔,然后是右区7~#—9~#溢流表孔,最后是左区1~#—3~#表孔,这可进一步减轻雾化对两岸建筑物及边坡稳定产生的不利影响。     

桃源河水库溢洪道体型优化试验研究

通过对桃源河水库工程进行水工模型试验,验证溢洪道布置方式的合理性和优化的可能性.溢洪道采用挑流消能方式进行泄洪.受坝址选择的影响,溢洪道位于河流弯道上,为了使得挑流水舌落入河道,初步考虑采用右边墙偏转4°的方案,试验结果表明,挑流水舌入水点偏向右岸河道,随着下泄流量不断增大,水舌入水点逐渐向右岸山坡偏移,在河道右侧形成...     

Similarity criterion of flood discharge atomization

By combining the results of prototype observation of flood discharge atomization at the Wujiangdu Hydropower Station, and by adopting the serial model test method, the model scale effect was examined, the influences of the Reynolds and Weber numbers of water flow on the rain intensity of flood discharge atomization were analyzed and a rain intensity conversion relation was established. It is demonstrated that the level of atomization follows the geometric similarity relations and it is possible to ignore the influence of the surface tension of the flow when the Weber number is greater than 500. Despite limitations such as incomplete data sets, it is undoubtedly helpful to study the scale effect of atomization flow, and it is beneficial to identify the rules of the model test results in order to extrapolate to prototype prediction.     

挑流泄洪雾化影响范围的人工神经网络模型预测

在泄洪雾化机理研究的基础上，以BP神经网络为基础，研究建立了挑流泄洪雾化神经网络模型，并用网络模型预测出拉西瓦水电站不同水位和宣泄洪量下的雾化影响范围，泄洪雾化是宣泄洪量、水位差、泄洪孔口形式等多因素相互作用的结果，具有明显的非线性输入、输出关系。     

泄洪雾化降雨模型相似比尺分类研究

物理模型试验是研究泄洪雾化问题的主要方法,但泄洪雾化模型具有明显的缩尺效应。为了提高模型雨强换算精度,减小雾化模型缩尺效应的影响,基于安康、乌江渡、二滩、白山等水电站泄洪雾化雨强原、模型试验资料,按泄洪方式、消能工体型等对泄洪雾化降雨模型相似比尺进行分类研究,分析了不同分类方式下雨强比尺（Sr）转换关系中指数n（Sr=Lrn）与尺度比尺（Lr）和水流韦伯数（We）的关系。结果表明,泄洪雾化模型雨强与原型雨强的关系并非按同一比尺指数规律变化,指数n的取值与消能工体型、泄洪方式、尺度比尺和水流韦伯数等因素有关。无论表孔、中（深）孔还是泄洪洞泄洪,模型比尺和水流韦伯数越大,雾化模型缩尺效应越小,指数n的取值就越小。     

泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法研究

为实现在综合考虑地形和环境背景场条件下,模拟泄洪期间局地区域天气环境的变化情况,以数值天气预报系统为基础,建立了泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法。结合大岗山水电站一次降雨过程和实际观测资料,拟定了泄洪雾化同化数据分类设置的参考值范围。运用泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法,对大岗山水电站泄洪期间的天气环境变量进行了同化计算。由于大岗山水电站仅有2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪数据,选取2015年9月14日16∶00时刻模拟数据分析得到,在考虑风向变化的条件下,风速变化值为8.76 m/s,纵向影响范围约2.1 km;温度降低了3.32℃,纵向影响范围约2 km;相对湿度升高了8.71%,纵向影响范围约2.8 km。模拟结果表明,风速受水舌风影响风向改变、风速升高,温度受泄洪雾化降雨影响降低,相对湿度受雨雾蒸发影响升高。同化模拟的结果均向观测数据趋近,模拟结果符合实际的观测情况。     

基于SPH方法挑流水舌的数值模拟研究

以数值模拟挑流水舌的运动特性为目标,采用光滑粒子动力学方法,根据水气两相流的运动规律,建立掺气水舌的SPH数学模型,根据空气阻力的作用特性和自由表面判据,得到了空气阻力的计算关系式,提出了掺气水舌的SPH数值解法。针对桓仁水电站泄洪雾化,进行了掺气水舌的SPH数学模型实例研究,所得到的光滑粒子运动图像刻画了挑流水舌与空气的相互作用,模拟了挑流水舌的掺气过程,并得到了掺气水舌的厚度和速度随其曲线长度的变化关系。结果表明,桓仁水电站挑流水舌的外缘挑距模拟值为82.2 m,原型观测数据为80.2 m,计算误差为2.49%。掺气水舌的挑距模拟值与其原观值基本一致,证明了掺气水舌SPH数学模型模拟挑流水舌运动的有效性和可靠性。     

泄洪雾化预测的人工神经网络方法探讨

为了预测高坝泄洪雾化引起的降雨强度分布，本文提出了一种基于人工神经网络的雾化预报模型。该模型将泄洪流量、入水流速、入水角度以及三维河谷地形坐标等作为输入变量，对相应河谷地形内的雾化降雨强度分布进行预测。研究中采用了径向基函数（RBF）网络建模，并且通过在其激发函数中引入Sign—d函数，构造一种混合RBF网络，以改善模型的稳定性和泛化能力。通过东江水电站雾化原型观测资料检验，证明该网络模型在求解泄洪雾化降雨的空间分布方面是适宜而有效的。     

峡口塘水电站泄洪雾化数值模拟计算研究

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。