試論高壩工程泄洪消能的特點(diǎn)與研究論文
一、高壩泄洪消能的研究
高拱壩壩身泄洪消能
從國內(nèi)現(xiàn)狀看，高拱壩已成為大型水電站的主選壩型之一，在泄水建筑物布置上大多采用壩身開孔泄洪與岸邊溢洪道或泄洪洞分流的總體布置構(gòu)架。
1998年我國建成的二灘水電站采用了“壩身表孔+深孔雙層泄水孔口布置、下游設(shè)水墊塘與二道壩、通過水舌碰撞促進(jìn)消能、并輔以岸邊泄洪洞泄洪”的泄水建筑物布置格局與消能模式，建成后經(jīng)數(shù)年實(shí)際泄洪考驗(yàn)，表明是成功的。
為有效控制水墊塘底板最大沖擊壓強(qiáng)(一般要求不大于15×9.8kPa)，目前較多采用出射角度不等的大差動(dòng)布置型式，通過分散挑流水舌的入水能量，達(dá)到降低水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)的目的，而采用溢流前緣為舌形的出口鼻坎以及在出口鼻坎上增設(shè)分流齒坎也是行之有效的工程措施。除此之外，目前正在積極開展如下非碰撞式壩身泄洪消能布置及深厚覆蓋層條件下高拱壩壩身泄洪消能布置兩方面的。
高水頭大流量底流消能
底流消能是一種傳統(tǒng)的消能方式，其具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好、對(duì)地質(zhì)條件和尾水水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但從國內(nèi)外的運(yùn)用情況看，底流消能在大型高壩水電工程中所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于挑流消能。主要有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面因素。一方面，底流消能需要要修建造價(jià)昂貴的底流消力池，工程投資較大;另一方面，由于高壩工程工作水頭高，致使消力池臨底流速很高，難于保證消力池自身的泄洪安全。然而，與挑流消能相比，底流消能更能適應(yīng)地質(zhì)條件欠佳的壩址，而且底流消能引起的泄洪霧化很小，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，尤其在目前人們對(duì)高壩泄洪霧化等環(huán)境問題日益重視的現(xiàn)狀下，底流消能方式具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。我國近期投入開發(fā)的大型水電站如向家壩、官地等都采用了底流消能方式，就是很好的實(shí)例。另外，值得指出的是，我國官地水電站還采用了斜邊墻底流消力池布置型式。研究表明，這種布置方式能夠順應(yīng)下游河道的.地形條件，減少直立邊墻底流消力池的施工難度與工程投資，同時(shí)也增大了消能水體體積。
高水頭大流量溢洪道與泄洪洞
土石壩與拱壩是目前我國高壩工程的主要壩型，岸邊泄洪洞與溢洪道則是土石壩與高拱壩工程常見的泄水建筑物布置方式。對(duì)土石壩工程而言，由于壩身不能過流，岸邊溢洪道與泄洪洞是最為關(guān)鍵的泄水建筑物;對(duì)高拱壩而言，泄洪洞往往是壩身泄洪設(shè)施的重要補(bǔ)充。為了確保高拱壩的運(yùn)行安全與水墊塘檢修，我國高拱壩在水力設(shè)計(jì)中大都采用了壩身泄洪與岸邊泄洪洞并重的設(shè)計(jì)思路，岸邊泄洪洞單獨(dú)泄洪可以滿足宣泄常年洪水的任務(wù)。
對(duì)于高水頭大流量的溢洪道與泄洪洞而言，一般都存在如下兩方面的水力學(xué)技術(shù)難題需要認(rèn)真解決：一是高流速泄槽段的摻氣減蝕問題;二是出口鼻坎的體型優(yōu)化與下游消能防沖問題。針對(duì)這一問題，我國學(xué)者進(jìn)行了大量的探索性研究，在傳統(tǒng)摻氣坎布置型式的基礎(chǔ)上，相繼提出了高速泄槽側(cè)壁的摻氣減蝕、U型摻氣坎、平面凹型摻氣坎、V型摻氣坎、變底坡?lián)綒饪驳刃碌膿綒饪膊贾眯褪�，部分研究成果已�?jīng)得到設(shè)計(jì)與工程采用。
高壩泄洪霧化問題
泄洪霧化是一個(gè)非常復(fù)雜的水、氣兩相流物理現(xiàn)象，其影響因素眾多，包括泄水建筑物的體型及泄洪方式、上下游水位差、流量、入水流速與角度、下游水墊深度、下游地形、當(dāng)?shù)貧庀髼l件等都是有關(guān)聯(lián)的影響因素，同時(shí)在時(shí)間上也有其隨機(jī)性的一面，因此研究難度很大。
近年來，孫雙科等基于國內(nèi)多座已建工程泄洪霧化的原型觀測(cè)資料，采用統(tǒng)計(jì)分析、工程類比、以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法，建立了一套定量預(yù)測(cè)泄洪霧化影響范圍與降雨強(qiáng)度分布的經(jīng)驗(yàn)公式與基于空間任意坐標(biāo)點(diǎn)處泄洪霧化降雨強(qiáng)度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，并在小灣、瀑布溝、雙江口、亞碧羅等水電站泄洪霧化預(yù)測(cè)研究中得到了運(yùn)用。
二、展望
我國目前正處于水電建設(shè)高峰期，而且還將持續(xù)一段時(shí)間，高壩泄洪消能技術(shù)研究具有廣泛的技術(shù)需求和良好的發(fā)展前景，圍繞一系列的高壩建設(shè)，還有大量的研究工作要做，也必將進(jìn)一步促進(jìn)高壩泄洪消能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在今后的研究工作中，需重視并關(guān)注如下問題：
(1)高壩泄洪消能技術(shù)的基礎(chǔ)性理論研究。從發(fā)展歷史與現(xiàn)狀看，高壩泄洪消能仍然是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用性學(xué)科，其研究方法目前仍以試驗(yàn)研究為主要技術(shù)手段，在解決實(shí)際工程問題時(shí)，往往需要與已建工程成敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與研究者的經(jīng)驗(yàn)積累。盡管如此，同其它學(xué)科一樣基礎(chǔ)理論方面的研究依然十分重要，理論研究與發(fā)展的不足，制約了學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。而目前，大量研究工作由于客觀條件限制往往只能立足于解決具體工程的生產(chǎn)實(shí)際問題，而缺乏系統(tǒng)而深入的總結(jié)歸納與理論分析，致使該學(xué)科的基礎(chǔ)理論研究相對(duì)比較薄弱且進(jìn)展緩慢。
(2)高壩建設(shè)中環(huán)境制約因素的研究。當(dāng)前我國的水電開發(fā)已進(jìn)入生態(tài)環(huán)境制約的發(fā)展階段，在不斷獲取效益的同時(shí)，人們對(duì)高壩建設(shè)的環(huán)境影響問題日益關(guān)注。因此，必須重視高壩建設(shè)中的環(huán)境影響問題，并積極尋求減免其不利影響的工程措施與非工程措施。僅工程措施而言，與高壩泄洪消能研究相關(guān)的包括低霧化泄洪消能技術(shù)、泄洪霧化預(yù)測(cè)、魚道水力學(xué)、分層取水水力學(xué)等。
(3)樞紐安全運(yùn)行和科學(xué)管理問題。隨著我國一大批巨型水電站的不斷建成與投產(chǎn)，高壩安全運(yùn)行與科學(xué)管理問題將會(huì)日益受到各方面的高度關(guān)注。我國已建的一些高壩工程雖然其規(guī)模與技術(shù)難度與目前在建中的大型工程相比尚有一定差距，但有的已出現(xiàn)這樣或那樣的破壞，從抗御風(fēng)險(xiǎn)確保工程安全的角度出發(fā)，應(yīng)高度重視對(duì)巨型水電工程泄洪安全與運(yùn)行調(diào)度方式等的深入研究，包括建立泄洪安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分析方法，進(jìn)一步完善泄水建筑物的水力學(xué)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)等。
(4)水力學(xué)原型觀測(cè)研究。水力學(xué)原型觀測(cè)可以有效彌補(bǔ)并修正水工模型試驗(yàn)中縮尺因素的影響，從而正確認(rèn)識(shí)泄水建筑物的水力特性并對(duì)其安全運(yùn)行提出合理建議。因此，對(duì)水力學(xué)原型觀測(cè)的實(shí)施方法、資料的歸納整理與深入分析也是值得重視的研究方向。
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