兩河口水電站泄洪霧化影響分析

柳海濤，孫雙科，鄭鐵剛，李廣寧

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

兩河口水電站泄洪霧化影響分析

柳海濤，孫雙科，鄭鐵剛，李廣寧

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

采用隨機濺水數學模型，針對兩河口水電站泄洪霧化降雨進行了數值模擬，分析了泄洪條件與河谷地形對霧化降雨分布的影響。研究表明，當洞式溢洪道與深孔泄洪洞聯合運行時，泄洪霧化降雨區位于溢洪道出口下游約1 000～1 300 m，橫向寬度可達300～400 m，霧雨爬升高度可達125～155 m，水舌下游暴雨區中心雨強約600～1 000 mm/h。洞式溢洪道采用窄縫出口并且正對河槽，霧化雨區主要在縱向擴展，而橫向范圍較為穩定。深孔泄洪洞采用橫向擴散挑坎并與河道呈較大夾角，霧化雨區分布隨泄洪流量變化較大，且霧雨區主要位于對岸岸坡。因此，在聯合泄洪條件下，應通過增大溢洪道流量比例以控制泄洪洞下游對岸岸坡的霧雨爬升高度。

泄洪霧化；隨機濺水模型；降雨強度；兩河口水電站

1 研究背景

泄洪霧化是指大型水電站在泄洪過程形成的非自然降雨與水霧彌漫現象。由于其降雨強度遠遠超出自然降雨記錄，對工程下游建筑物安全、岸坡防護、道路交通及周邊環境產生一定影響[1]。通過對霧化降雨的定量分析，一方面可用于論證整個樞紐總體布置、泄洪建筑的消能方式、下游岸坡防護等是否合理；另一方面可以預測未來洪水條件下泄洪霧化的分布情況，以便采取必要的工程預防措施，確保工程安全運行。

兩河口水電站位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，為雅礱江中下游的龍頭水庫。電站總裝機容量為3 000 MW。水庫正常蓄水位為2 865 m，對應庫容為101.54億m3。大壩最大壩高295 m，泄水建筑物全部集中于河道左岸，并具有水頭高、泄量大、窄河谷、出流集中且全部為挑流的特點，其霧化規模與降雨強度在同類工程中居領先地位，需要對其影響進行定量研究。本文采用泄洪霧化隨機濺水模型[2-5]，針對兩河口水電站泄洪霧化問題進行數值分析，確定泄洪霧化的影響范圍以及降雨強度的分布規律，為電站下游岸坡防護及建筑物布置等設計提供相關依據。

2 隨機濺水模型的基本理論

隨機濺水模型的基本原理是將水舌入水噴濺視為一種恒定隨機噴射過程，通過濺水試驗與理論分析可以得到水滴時均噴射參數，在此基礎上運用隨機函數模擬水滴連續噴射條件，采用水滴運動微分方程描述每個水滴在空中的運動，根據降落地點將水滴的水量累加到地面網格，最后運用統計方法，求得地面降雨強度分布。

2.1 水滴運動微分方程

水滴在運動過程中，受到重力、浮力和空氣阻力的共同作用，由此可以建立水滴運動的力學微分方程：

(1)

式中，u、v、w分別為x、y、z方向水滴的運動速度，m/s；uf、vf、wf分別為水滴附近x、y、z方向風速，m/s；Cf為阻力系數；d為水滴粒徑，m；ρa為空氣密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3。

2.2 水滴時均噴射條件

(1)水滴噴射速度。計算公式為

(2)

(2)噴射流量。水舌入水激濺主要發生于入水前緣，內部水體并不參與濺水，其噴射厚度h為

(3)

(4)

式中，k0為噴濺系數，k0=0.01～0.1；l為水舌前緣寬度，m。由水舌入水噴濺流量，可以換算得到水滴噴射顆粒流量n，即

(5)

2.3 水滴隨機出射條件

(1)水滴直徑d的概率密度函數分布為

(6)

(2)水滴初始拋射速度u的概率密度函數分布為

(7)

(3)水滴出射角θ的概率密度函數分布為

(8)

(4)水滴出射偏轉角φ的概率密度函數分布為

(9)

式中，μ為偏轉角眾值，一般壩身聯合泄洪時取0O，岸邊泄洪建筑物則根據平面偏轉角度進行取值；σ為偏轉角的均方差，σ取值為15°～30°。

2.4 水舌風速的分布規律

水舌入水過程中，在下游形成水舌風，該風場機制復雜，測量與理論計算均較為困難。因此，一般采用理論公式進行計算。水舌風場主要由縱向風場與徑向風場兩部分組成：縱向風場與水舌運動的水平分量有關，可表示為

(10)

徑向風場與水舌入水的垂向分量有關，可表示為

(11)

合成風場可表示為

(13)

式中，Q為泄洪流量；Vc為入水流速。

自然風可視為均勻風場，可根據氣象資料加以確定。

3 兩河口水電站泄洪霧化計算分析

3.1 研究工況與計算條件

根據設計要求，電站下游岸坡按照百年一遇泄洪標準進行防護，因此需要針對百年洪水泄洪條件下的霧化降雨進行分析，為岸坡防護設計提供參考。兩河口水電站泄水建筑物主要包括洞式溢洪道與深孔泄洪洞，均布置于左岸，其中，洞式溢洪道出口采用窄縫挑坎，深孔泄洪洞出口采用擴散挑坎，泄洪過程中兩者霧化降雨區將相互疊加，在不同分流比條件下，形成的霧化降雨分布均有不同。為此，本文選取了兩組典型泄洪情況進行分析，一種是洞式溢洪道泄洪流量1 563m3/s，深孔泄洪洞泄洪流量2 755m3/s；另一種是洞式溢洪道泄洪流量2 841m3/s，深孔泄洪洞1 477m3/s。兩種情況下，其中一個泄洪建筑物達到最大分流比，在其下游形成高強度的局地降雨，此為最不利的泄洪工況。根據兩者降雨強度的最大包絡線，可規劃岸坡分區防護范圍與防護標準。上述計算工況的具體泄洪條件見表1，濺水模型的計算參數見表2。

表1 兩河口水電站百年洪水泄洪工況

表2 濺水模型計算參數

3.2 泄洪霧化降雨分布計算結果

圖1與圖2為兩組泄洪工況下霧化分布范圍與降雨強度等值線圖。表3為泄洪霧化降雨強度分布特征值。其中，霧化橫向寬度定義為霧化橫向邊界垂直于河谷的最大寬度，前面數值為溢洪道霧化雨區，后面數值為泄洪洞霧化雨區；霧化縱向長度為溢洪道水舌入水前緣至霧化縱向邊界的最大距離；霧化縱向邊界樁號為霧化縱向最遠邊界距洞式溢洪道窄縫出口(0+950 m)的距離；中心雨強為水舌下游霧化暴雨中心的降雨強度；霧化爬升高程與樁號分別對應霧雨在兩岸的最大爬升高程與縱向分布范圍。

圖1 洞式溢洪道與深孔泄洪洞聯合泄洪時下游霧化降雨分布

計算表明，兩河口水電站在宣泄百年一遇洪水時，泄洪霧化降雨主要位于水舌下游800～1 000 m范圍內，暴雨中心降雨強度為600～1 000 mm/h，霧雨邊界最遠可達溢洪道出口下游1 000～1 300 m。其中，洞式溢洪道在1 563～2 841 m3/s泄洪流量范圍內，其霧化雨區的縱向分布長度在500～600 m之間，變幅較大，橫向分布寬度約370～380 m，較為穩定。深孔泄洪洞在1 477～2 755 m3/s泄洪流量范圍內，霧化雨區縱向分布在450～550 m之間，橫向分布寬度在290～410 m之間，霧化分布范圍整體受泄洪流量變化影響較大。分析表明，當洞式溢洪道流量占比較大時，霧化降雨區位于河谷中央，兩岸霧化分布范圍并未顯著增加，而泄洪洞由于分配流量較小，對岸霧化分布范圍明顯減小，因此霧化降雨總體規模較小。反之，當溢洪道流量較小時，霧化降雨橫向范圍并未明顯減小，而泄洪洞由于分配流量較大，下游霧化降雨區明顯增大。泄洪過程中，左岸霧化降雨主要受到洞式溢洪道泄洪影響，分布范圍變化較小，而右岸霧化降雨范圍主要受到深孔泄洪洞影響，分布范圍變化較大。另外，兩河口水電站在左岸還建有豎井旋流泄洪洞與導流洞，前者在工程完建后與洞式溢洪道聯合泄洪，后者主要在施工期間用于宣泄上游洪水。研究表明，在百年洪水條件下，兩者的霧化影響范圍相對較小，可不作為霧化防控性工況。

表3 霧化降雨分布特征值

圖2 洞式溢洪道與深孔泄洪洞聯合泄洪時下游霧化降雨強度等值線分布(單位：mm/h)

4 小 結

本文采用隨機濺水數學模型，針對兩河口水電站泄洪霧化降雨分布進行了數值模擬，并給出了降雨強度分布等值線圖，為下游岸坡防護設計提供參考。在溢洪道與泄洪洞聯合泄洪條件下，泄洪霧化降雨區位于溢洪道出口下游1 000～1 300 m，橫向寬度300～4 00 m，暴雨區中心雨強600～1 000 mm/h。洞式溢洪道出口為縱向擴散水舌，其霧化雨區的縱向范圍變化明顯，而橫向范圍變化則較小。深孔泄洪洞出口為橫向擴散水舌，其霧化雨區分布范圍受泄洪流量影響較大，同時由于深孔泄洪洞出口與河道交角較大，所形成的霧雨區主要位于對岸岸坡。因此，在聯合泄洪條件下，應優先開啟溢洪道，同時其分流比不宜過低，以控制泄洪洞下游對岸霧化降雨范圍。

[1]李瓚. 龍羊峽水電站挑流霧化水霧誘發滑坡問題[J]. 大壩與安全， 2001(3)： 17-20．

[2]柳海濤， 孫雙科， 王曉松等. 濺水問題的試驗研究與隨機模擬[J]. 水動力學研究與進展， 2009， 24(2)： 217-223．

[3]柳海濤， 劉之平， 孫雙科. 水舌入水噴濺的隨機數學模型[J]. 水利水電科技進展， 2009， 29(6)： 1-4．

[4]張華， 練繼建， 李會平. 挑流水舌的水滴隨機噴濺數學模型[J]. 水利學報， 2003(8)： 21-25．

[5]劉士和， 曲波. 泄洪霧化濺水區長度深化研究[J]. 武漢大學學報： 工學版， 2003， 10(5)： 5-8．

[6]孫雙科， 劉之平. 泄洪霧化降雨的縱向邊界估算[J]. 水利學報， 2003(12)： 53-58．

(責任編輯 王 琪)

Analysis of Flood Discharge Atomization in Lianghekou Hydropower Station

LIU Haitao, SUN Shuangke, ZHENG Tiegang, LI Guangning

(State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

A stochastic splash model is applied to simulate the flood discharge atomization in Lianghekou Hydropower Station. The impacts of releasing conditions and valley terrain on rainfall distribution are analyzed. The results show that, when the tunnel spillway and deep discharge tunnel are jointly opened to release flood, the far boundary of atomized rainfall area can reach 1 000-1 300 m downstream of spillway outlet, the maximum transverse width can reach 300-400 m, the climbing height above the water surface is 125-155 m, and the central rainstorm intensity is about 600-1000 mm/h. The tunnel spillway has a narrow slit outlet at the direction of river channel, the rainfall distribution is mainly longitudinal extended and stable in the transverse. The deep discharge tunnel has a lateral diffusion bucket, the atomized range is significantly changed with the flood discharge, and the rainfall is mainly located on the side slope because of a larger angle between water jet and river channel. Therefore, in the condition of joint releasing, the spillway discharge should be increased for reducing the climbing height of atomization caused by deep tunnel．

flood discharge atomization; stochastic splash model; rainfall intensity; Lianghekou Hydropower Station

2015-11-26

柳海濤(1971—)，男，山西祁縣人，高級工程師，主要從事水工水力學研究．

TV135.2(271)

A

0559-9342(2016)11-0054-04