中国高坝枢纽泄洪雾化研究进展与前沿

<正>高坝枢纽泄洪安全防护是水利工程领域的重要课题之一。具有高水头、大流量、窄河谷特征的中国高坝枢纽,泄洪伴生的雾化问题非常突出。面向中国水电工程向高海拔低气压地区发展的现实需求,复杂环境下的泄洪雾化机理、以及高精度的遥测预测方法和科学化的危害防治技术急需突破。文章基于国内外相关研究成果和工程实践应用,构建了中国高坝枢纽雾雨场源及防护体系;凝炼了当前高坝枢纽泄洪雾化的发展成果和技术瓶颈;全面阐释了关键科学技术问题的突破方法。研究成果以推进泄洪     

高坝泄洪雾化工程防护措施研究进展

高坝泄洪形成的雾化现象对枢纽下游建筑物运行、两侧岸坡稳定及生态环境可能造成危害,严重时可危及枢纽本身安全。伴随着系列原型观测、数学模型及物理模型试验等形成的雾雨强度预测技术的发展,泄洪雾化工程防护由被动的雾化—破坏—修复逐渐演变为在预测雨强及其范围基础上进行工程防护,并逐步与消能建筑物、高边坡的分区、分段防护相结合。通过对系列工程雾化防护措施调研,对高坝泄洪雾化工程防护相关研究成果进行归纳总结,认为不同防护材料在不同雨强的破坏特性及雾化对生态环境的影响是今后泄洪雾化工程防护措施研究的重要方向。     

高土石坝异型水舌雾化的数值反馈预测

基于挑流雾化随机喷溅数值预测模型的深化认识和实践应用,阐述了高土石坝泄流雾化典型特征,优化了异型水舌和复杂地形的建模方法,并应用于去学水电站的雾化反馈预测。反馈结果显示:最大雨强2.55 mm/h的测点在数值预测的2.00 mm/h雨强包络线内,其余4个实测值小于2.00 mm/h的测点均在数值预测的2.00 mm/h雨强包络线外。预测结果表明:雨强为10.00 mm/h的雾化暴雨防护区,推荐防护范围纵向至计算域x坐标641.64 m,横向范围为计算域y坐标-136.98～295.00 m;风向SSE、风速13.70 m/s的自然风是加剧右岸雾化扩散的最不利风场,推荐自然小雨界值0.42 mm/h为村庄选址区控制雨强,迁址在计算域内x坐标795.60 m下游。研究成果可用于工程泄流雾化危害的科学防控,有助于丰富高土石坝泄流雾化安全防控理论与技术。     

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。     

我国高坝泄洪消能研究的最新进展

近些年来,我国一直处于水电开发与建设的高峰期,大量的实际需求促进了高坝泄洪消能技术的发展与进步。本文分4个方面总结了近年来我国在高坝泄洪消能研究方面的最新进展情况：（1）高拱坝坝身泄洪消能;（2）高水头大流量底流消能;（3）高水头大流量溢洪道与泄洪洞的水力学问题;（4）泄洪雾化问题。在总结已有研究成果的基础上,对高坝泄洪消能技术的进一步发展,以及与之相应的环境问题及安全运行管理等提出了若干建议。     

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。     

白山电站泄洪雾化原型观测与模型试验研究

本项研究是通过4次泄洪原型观测和模型试验,探讨了泄洪溅水雾化原因,重点研究了不同设计思路的水垫塘体型(冲坑)对泄洪溅水与雾化的影响,提出了改善减轻雾化源的工程措施及其防护范围。     

高拱坝的枢纽布置与泄洪消能

根据断面特征将高拱坝分为两类：高重力拱坝和高双曲拱坝，并从拱坝的坝型、泄洪要求、消能工选择等方面，结合工程实例对高拱坝的枢纽布置和泄洪消能问题进行了分析讨论，指出了各自的适用条件和优缺点。     

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。     

泄流结构振动反演与安全控制指标研究进展

结合最新国内外泄流结构振动反演与安全控制指标相关研究成果和相关工程实例,从泄流结构材料参数振动反演、振源识别及泄流结构振动安全控制指标等三方面综述了泄流结构振动反演及安全控制指标的最新研究进展,总结了当前泄流结构振动安全的关键问题;指出今后泄流结构振动反演与安全控制指标研究可围绕泄流结构材料参数反演数学模型和其求解算法创新、泄流结构振源荷载时域识别和等效荷载处理技术创新、泄流结构振动疲劳安全控制标准和人体舒适度综合评价方法创新等几个方面开展。     

基于MIKE模型的南丰景观坝行洪能力影响分析

近年来洪水引发的灾害日益凸显,造成的破坏持续增多,因此进行河道行洪能力影响分析对于加强河流的洪水管理及减少洪水带来的损失具有十分重要的意义。为评价南丰景观坝的防洪安全,基于MIKE水动力软件中的MIKE11、MIKE21模块,构建盱江南丰段的一、二维数值模型,对景观坝建设前后20 a一遇设计洪峰流量进行洪水模拟,然后选取河道水位和流场等指标的变化,分析景观坝的建设对研究河段河道行洪能力影响。研究结果表明,在20 a一遇洪水情况下景观坝上游壅水里程约3 km,且最大壅高约为0.1 m,同时两岸基本无漫堤险情;河道流态无明显变化,但局部流场产生发生一定变化,其中曾巩大桥等四座大桥桥墩处流速有不同程度的减小并产生局部回流,景观坝坝址处流速略有增大。     

高拱坝表孔宽尾墩对泄洪能力影响的试验研究

为了研究高拱坝采用堰顶宽尾墩收缩射流技术对过流能力的影响，本文在溪洛渡1∶100的整体模型上对不同堰前水头和不同宽尾墩收缩比条件下的流态和泄流量进行了试验研究。结果表明，随着堰前水头和不同宽尾墩收缩比的变化，闸室中会出现自由跌流、急流冲击波、水跃壅水和缓流4种不同的流态，而不同的流态，影响泄流量的因素也不同，定量给出了设计洪水及校核洪水时收缩比对过流能力的影响。