試論高壩工程泄洪消能的特點與研究論文

一、高壩泄洪消能的研究

高拱壩壩身泄洪消能

從國內現狀看，高拱壩已成為大型水電站的主選壩型之一，在泄水建築物佈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佈置構架。

1998年我國建成的二灘水電站採用了“壩身表孔+深孔雙層泄水孔口布置、下游設水墊塘與二道壩、通過水舌碰撞促進消能、並輔以岸邊泄洪洞泄洪”的泄水建築物佈置格局與消能模式，建成後經數年實際泄洪考驗，表明是成功的。

為有效控制水墊塘底板最大沖擊壓強(一般要求不大於15×9.8kPa)，目前較多采用出射角度不等的大差動佈置型式，通過分散挑流水舌的入水能量，達到降低水墊塘底板衝擊壓強的目的，而採用溢流前緣為舌形的出口鼻坎以及在出口鼻坎上增設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佈置及深厚覆蓋層條件下高拱壩壩身泄洪消能佈置兩方面的。

高水頭大流量底流消能

底流消能是一種傳統的消能方式，其具有流態穩定、消能效果好、對地質條件和尾水水位變化適應性較強的優勢。但從國內外的運用情況看，底流消能在大型高壩水電工程中所佔的比例遠遠低於挑流消能。主要有經濟和技術兩方面因素。一方面，底流消能需要要修建造價昂貴的底流消力池，工程投資較大;另一方面，由於高壩工程工作水頭高，致使消力池臨底流速很高，難於保證消力池自身的泄洪安全。然而，與挑流消能相比，底流消能更能適應地質條件欠佳的壩址，而且底流消能引起的泄洪霧化很小，對周邊環境影響較小，尤其在目前人們對高壩泄洪霧化等環境問題日益重視的現狀下，底流消能方式具有獨特優勢。我國近期投入開發的大型水電站如向家壩、官地等都採用了底流消能方式，就是很好的實例。另外，值得指出的是，我國官地水電站還採用了斜邊牆底流消力池佈置型式。研究表明，這種佈置方式能夠順應下游河道的地形條件，減少直立邊牆底流消力池的施工難度與工程投資，同時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築物佈置方式。對土石壩工程而言，由於壩身不能過流，岸邊溢洪道與泄洪洞是最為關鍵的泄水建築物;對高拱壩而言，泄洪洞往往是壩身泄洪設施的重要補充。為了確保高拱壩的運行安全與水墊塘檢修，我國高拱壩在水力設計中大都採用了壩身泄洪與岸邊泄洪洞並重的設計思路，岸邊泄洪洞單獨泄洪可以滿足宣泄常年洪水的任務。

對於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技術難題需要認真解決：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化與下游消能防衝問題。針對這一問題，我國學者進行了大量的探索性研究，在傳統摻氣坎佈置型式的基礎上，相繼提出了高速泄槽側壁的摻氣減蝕、U型摻氣坎、平面凹型摻氣坎、V型摻氣坎、變底坡摻氣坎等新的摻氣坎佈置型式，部分研究成果已經得到設計與工程採用。

高壩泄洪霧化問題

泄洪霧化是一個非常複雜的水、氣兩相流物理現象，其影響因素眾多，包括泄水建築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、當地氣象條件等都是有關聯的影響因素，同時在時間上也有其隨機性的一面，因此研究難度很大。

近年來，孫雙科等基於國內多座已建工程泄洪霧化的原型觀測資料，採用統計分析、工程類比、以及人工神經網絡預測方法，建立了一套定量預測泄洪霧化影響範圍與降雨強度分佈的經驗公式與基於空間任意座標點處泄洪霧化降雨強度的人工神經網絡預測模型，並在小灣、瀑布溝、雙江口、亞碧羅等水電站泄洪霧化預測研究中得到了運用。

二、展望

我國目前正處於水電建設高峯期，而且還將持續一段時間，高壩泄洪消能技術研究具有廣泛的技術需求和良好的發展前景，圍繞一系列的高壩建設，還有大量的研究工作要做，也必將進一步促進高壩泄洪消能技術的進一步發展。在今後的研究工作中，需重視並關注如下問題：

(1)高壩泄洪消能技術的基礎性理論研究。從發展歷史與現狀看，高壩泄洪消能仍然是一門實踐性很強的應用性學科，其研究方法目前仍以試驗研究為主要技術手段，在解決實際工程問題時，往往需要與已建工程成敗的經驗教訓與研究者的經驗積累。儘管如此，同其它學科一樣基礎理論方面的研究依然十分重要，理論研究與發展的不足，制約了學科的進一步發展。而目前，大量研究工作由於客觀條件限制往往只能立足於解決具體工程的生產實際問題，而缺乏系統而深入的`總結歸納與理論分析，致使該學科的基礎理論研究相對比較薄弱且進展緩慢。

(2)高壩建設中環境制約因素的研究。當前我國的水電開發已進入生態環境制約的發展階段，在不斷獲取效益的同時，人們對高壩建設的環境影響問題日益關注。因此，必須重視高壩建設中的環境影響問題，並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的包括低霧化泄洪消能技術、泄洪霧化預測、魚道水力學、分層取水水力學等。

(3)樞紐安全運行和科學管理問題。隨着我國一大批巨型水電站的不斷建成與投產，高壩安全運行與科學管理問題將會日益受到各方面的高度關注。我國已建的一些高壩工程雖然其規模與技術難度與目前在建中的大型工程相比尚有一定差距，但有的已出現這樣或那樣的破壞，從抗禦風險確保工程安全的角度出發，應高度重視對巨型水電工程泄洪安全與運行調度方式等的深入研究，包括建立泄洪安全的評價指標體系與分析方法，進一步完善泄水建築物的水力學安全監測技術等。

(4)水力學原型觀測研究。水力學原型觀測可以有效彌補並修正水工模型試驗中縮尺因素的影響，從而正確認識泄水建築物的水力特性並對其安全運行提出合理建議。因此，對水力學原型觀測的實施方法、資料的歸納整理與深入分析也是值得重視的研究方向。