（水利水电工程专业论文）拉西瓦水电站泄流雾化影响范围研究.pdf

摘要 拉西瓦水电站地处高山峡谷，坝高、泄洪落差大、下游河道狭窄，加之左岸 坝肩下游存在一个稳定性较差的高边坡i i4 变形体，而采用的挑流消能泄洪方式 所引起的水流雾化问题又比较突出。预测拉西瓦水电站泄洪雾化对下游环境的影 响范围和程度，为制定下游防护工程措施提供可靠的依据，使泄洪引起的雾化不 危及高边坡稳定，保证电站的安全运行，有着重要意义。 本文在泄流雾化机理研究的基础上，以b p 神经网络为基础，研究建立了拉 西瓦水电站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 水位和宣泄流量下的雾化影响范围，经与用力学分析模型计算预测的雾化影响范 围对比分析得到： ( 1 ) 当泄洪高速水流从挑坎挑出时，水舌在空中掺气和水舌入水时溅水而 形成雾化水流。雾化水流是一种复杂的水气两相流，泄流雾化主要由水舌落水喷 溅引起。 ( 2 ) 水电站的泄流雾化是宣泄流量、水位差、泄流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。人工神经元网络是一种模拟非 线性输入、输出关系的有效工具，因此，通过建立泄流雾化的人工神经网络模型 预测雾化影响范围是可行的； ( 3 ) 用b p 神经网络模型预测的拉西瓦水电站泄流雾化影响范围与力学分 析模型的计算结果基本一致，同力学分析模型相比具有计算量小、方便快捷的特 点。为今后深入研究泄流雾化的影响提供了一条新的方法和途径； ( 4 ) 根据预测结果，提出减轻拉西瓦水电站泄流雾化影响的防护建议和措 施。 关键词：拉西瓦水电站神经网络模型泄流雾化预测 a b s t r a c t l a x i w ah y d r o p o w e rs t a t i o ni sl o c a t e di nt h ep l a c ew i t hh i g hm o u n t a i n sa n d d e e p v a l l e y s 。b e c a u s et h ed a mi sh i g h t h ew a t e rh e a di sl a r g ea n dt h er i v e r b e do f d o w n s t r e a mi sn a l t o w , t h ea t o m i z a t i o n p r o b l e m a r o u s e db yf l o o d d i s c h a r g e i ss e r i o u s 。 p r e d i c t i n gt h ei n f l u e n c eo fl a x i w ah y d r o p o w e rs t a t i o nf l o o dd i s c h a r g ea t o m i z a t i o n f o r t h ee n v i r o n m e n to fd o w n s t r e a m ，c a no f f e rr e l i a b l eb a s i sf o r p r e p a r i n gt h e p r o t e c t i o np r o j e c tm e a s u r e o fd o w n s t r e a m ，m a k et h ea t o m i z a t i o nt h a tf l o o dd i s c h a r g e a r o u s e sn o td a n g e r o u st ot h es t a b i l i z eo fh i g hs i d e s l o p e ，a n dg u a r a n t e et h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rs t a t i o n s o i ti sm u c hv a l u a b l et o p r e d i c tt h e f l o o dd i s c h a r g e a t o m i z a t i o n o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gf l o o dd i s c h a r g ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s m st h i sp a p e r t a k e sb pn e u r a ln e t w o r km e t h o da sf o u n d a t i o n ，e s t a b l i s h e dt h el a x i w ah y d r o p o w e r s t a t i o nt r a j e c t o r yf l o o dd i s c h a r g ea t o m i z a t i o nn e u r a ln e t w o r km o d e l w i t ht h en e u r a l n e t w o r km o d e lt h el a x i w ah y d r o p o w e rs t a t i o na t o m i z a t i o ni n f l u e n c er a n g eh a sb e e n p r e d i c t e du n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rh e a da n df l o wr a t e b yc o n t r a s tw i t ht h ep h y s i c a l a n a l y s i sm o d e la b o u t t h ea t o m i z a t i o ni n f l u e n c e r a n g e ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o nc a nb e d a w n 。 a 。w h e n h i g h - v e l o c i t yf l o wc a u s e db y f l o o d d i s c h a r g i n g d e f l e c t sf r o m d e f l e c t i n g b u c k e t ，a t o m i z e dw a t e rf l o wf o r m si nb o t ht h ew a yo fn a p p ee a r a t i o ni nt h ea i ra n d s p l a s h i n g 。a t o m i z e dw a t e r f l o wi sak i n do f c o m p l i c a t et w o - p h a s e f l o wo fw a t e ra n d a i r d i s c h a r g i n ga t o m i z a t i o ni sm a i n l yp r o d u c e db ys p l a s h i n gw h e nn a p p ef a l l o n w a t e r b 聃ef l o o dd i s c h a r g ea t o m i z a t i o ni n f l u e n c ea r e ao fh y d r o p o w e rs t a t i o ni s a f f e c t e db yt h ei n t e r a c t i o no ff l o wr a t e 、w a t e rh e a d 、t y p e so f s p i l l w a y s 。i th a s o b v i o u s n o n l i n e a ri n p t t ta n de x p o r tr e l a t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sak i n do fe f f e c t i v et o o l o fs i m u l a t e dn o n l i n e a r i n p u t a n d e x p o r t r e l a t i o n t h e r e f o r ei ti sf e a s i b l et h a t e s t a b l i s h i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k m o d e lt of o r e c a s ta t o m i z a t i o ni n f l u e n c ea r e a + c t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fa r t i f l c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e li ss i m i l a rc ot h e p h y s i c a la n a l y s i sm o d e l i np r e d i c t i n gt h ea t o m i z a t i o ni n f l u e n c ea r e a c o n t r a s tw i t ht h e p h y s i c a la n a l y s i sm o d e l ，t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e lh a sl i t t l ec a l c u l a t i o n ， c o n v i n i e n t a d v a n t a g e s s o i to f f e r san e wm e t h o dt o s t u d y 曩饿难d i s c h a r g e a t o m i z a t i o n d a c c o r d i n gt ot h ef o r e c a s tr e s u l t ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dp r o t e c t i o ns u g g e s t i o n a n dm e a s u r et oa l l e v i a t et h e h y d r o e l e c t r i c s t a t i o nf l o o d d i s c h a r g e a t o m i z a t i o n i n f l u e n c ea r e a k e y w a r d s ：l a x i w a h y d r o p o w e r s t a t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l d i s c h a r g i n g a t o m i z a t i o nf o r e c a s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得云洼太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳芳云孑乒 签字日期：加弓年，月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乎爷五芳 签字日期：象m 专年月秽日 导婚虢； 扔 签字日期：彬年月饰 第一章概述 l 。1 瓣逶戆鬟逡 第一章概述 随着我国经济建设的发展，为满足日盏增长的电力需求，已建成将建一批特 高水熬的大型水电站，如融建的二滩、李家峡水电站，在建或待馥的小湾、溪洛 渡、投谣瓦水电站等。挑流满是高水头泄水建筑物的主要消熊方式之一，它 爵跑鞍宠满逶鳃决衰落差、大流量、深映谷魄滚瓣渣洪消戆弱题，稳露嚣带来了 严重豹泄洪雾化现象，对工程构成的威胁习懿突出，雾化对工程的影响主要有以 下几方丽1 1 j ： ( 1 ) 威胁电厂正常运杼。下游雾化形成的降雨区将形成暴雨径流，致使厂房 遗容，褫缀竣遥箨援。如1 9 8 0 年6 胄2 3 曩潮j 黄楚滩承电菇，遘邋5 0 年一逐洪 水，入库洪蜂流量1 1 5 0 0m 3 s ，采矮差动式鼻坟秽流，电站厂房程下游左岸距携 流鼻坎1 0 0n - i 处，厂区被水雾笼罩，形成倾窳大雨，排水泵抽排不及，降水涌入 厂房，发电机层水深达3 9 m 。强大的水雾暴雨馊豁、1 # 机组相继于电网解列。被 追停机4 9 天，损失电量2 亿k w h 。 ( 2 ) 撰蜒凝毫设备。浓雾暴蠢区空气含瘩爨大，荔爱羧交邀线路放龟、阗终 跳闸，造成停机、停电事故，如新安江水电站、自山水电站、黄藏潍水电站均发 生过此类事故。地处寒冷地嚣的水电站泄洪雾化，可使输电线路积冰，如刘家峡 水电站因雾化输电铁塔上锼凇现冰挂，迫使线路停电。另外，水蔷跌入下游河床 拜重，窳滚洚壶力有霹戆穆按跛夔嚣渣老起撼囊露逑，产生飞石瑷象，餐舔隆近静 电气设器。如自山水电站，飞石高度达5 0 m ，凝大飞石块径l o o m ，疆坏开关站瓷 瓶等电气设备十余处。 ( 3 ) 影响岸坡稳定，诱发滑坡。雾化形成的降水浸入岩体后一方面增加岸坡 体豹下瀵力，另一方珏在箨坡蠹形成上浮力，辫低了坡体的抗漕能力。如戈羊峡 承电濑在雾纯律用下，壤下游3 0 0 m 廷毫枣麓俸发生下潺事敖。攀家蛱汞毫菇困 雾化水渗入岩体裂缝中，引起孔隙水压力上升和潜在滑移面力学参数下降，1 9 9 7 年3 月1 日泄流消流区左岸边坡失稳下滑。对某些遇水软化、水解的岩体，降水 大大燃弱了滑动面的抗剪强度，极易造成岸坡塌滤。 第一章摄述 ( 4 ) 影响两岸交通。农瀵洪浓雾区大雨如淀，能见度低，时常伴肖风速l o m s 以上的大风，致使交通困难或中断，如新安江水电站两岸进厂公路交通中断，下 游交通桥雾大行车不便；刘家峡水电站，左岸泄水道泄水时，右岸为强降水区， 送厂鼹受阻，秀j 篼专修一条2 0 0 m 长的防雾滕滋。 ( 5 ) 影响工作入员正常工作和生活。梧溪水电站渣浃辩，形成长约3 0 0 m ， 升腾高度1 5 0 m 的浓雾区，左岸山顶的办公楼殿部分生活区正处于雾化区内，泄 洪时狂风暴雨穿堂入室，光法工作，被迫将办公楼迁往右岸下游。 ( 6 ) 污染环境。当水流申含沙量大时，会在下游形成泥雾，造成环境污染。 舞毒键映水毫蘑帮2 0 殴零枣滚滚承电菇藏承辩均产生嚣雾。 寓践证明，雾化造成的危害是严重的，应采用合适的布置型式及必要的工程 措施避免或减轻雾化危害。因而探讨其形成帆理，分析其影响因素，较准确地预 报雾化范围的研究工作是十矜必要和有意义的。 1 2 前人赡弩 究工作藕残采 从诸多的实际工程现熬中，人们认识到由泄流引起坝下游局部嫩区的雾化是 必然的。泄洪雾化是比较复杂的物理现象，属多学科问题。水雾的强弱与运动范 匿，躐取决于灌漠农力条馋( 淫量、水头、滚遮、密度、动力粘滞系数、表面张 力等) 、边界条件( 孔鞠躐糖坎的形状、尺寸) 、又受遮形条件( 海豁形态) 、气 象条件( 风力、风向) 等因索影响，情况很复杂。不同的消能形式所产生的雾化 影响魑有区别的，但挑流消能情况下，高速水流的雾化现象更为显罄，波及范围 更大。 晕在2 0 整纪弱年代束，我国便对承苦护教进行了疆究，1 9 5 9 年彝可诠 2 等求得水平射出的水流空中扩散角为2 0 4 07 ，或表示为h l h o = 1 + 0 0 5 s h o ，其中 h o 为坝上水深，h 为扩散厩的水股厚度，s 为沿射流轨迹的曲线躐离。1 9 6 4 年张 文周1 2 j 对挑流水舌做了详细盼研究，求得h h o = l + ( 0 3 8 + 0 0 1 4 4 吼1 8 0 ) s l h o ， 式中魄为挑蹙。对草稿东流在重力帮空气毯力季笨溺下豹运羲轨迹终了研究，求辫 了相殿的运动方程，给出了闰线轨迹及水平挑距的理论计算式。结果发现，考虑 空气阻力后，运动轨迹仍为抛物线，但水平挑距缩短。此外，在对空中水舌的断 第一章概述 面流速分布进行了量测后，认为沿程存在自模性，且满足正态分布。 由于空中水舌掺气的必然气，因此在水舌运动分析中，考虑掺气因素是对水 舌进行深入研究的必然趋势和要求。1 9 8 4 年姜信和【3 】采用将掺气c = 9 9 的点定 义为断面的水舌边界的方法，求得 1 h o 的沿程变化，结果表明， 1 h o 不仅是 s h o 的函数，而且还是凡的函数。文献l a l 还_ 对二元挑射水流( 挑角o o = 2 5 。) 的 空中分散掺气做了细致的研究，求出了掺气断面及其沿程变化的一些规律，发现 水舌沿程断面含水浓度的分布存在相似性，但并非对称分布，其最大值偏下。在 此之前，f a 尤季茨基【2 】曾用电阻式掺气仪测量了原型和模型的挑射水股的分 散掺气，测得的含水浓度与文献【4 】相似。c m 斯里斯基1 5 1 1 9 7 9 年根据室内试验资 料，给出了自由跌落水舌和抛射水舌的断面平均掺气计算图表，但没有涉及掺气 的断面分布及断面掺气与b 之间的关系。 1 9 8 6 年梁在潮【6 】对坝下游的雾化问题做了较全面的研究。认为雾化按其形态 可以大致分为水舌溅水区、强暴雨区、雾流降雨区和薄雾大风区。文献【6 j 首先对 水舌掺气作了分析，认为沿程掺气可以表示为c = 1 一h h 。，其中为水舌实际厚 度，h 为同断面未掺气水厚。而后重点研究了水舌的溅水范围，从溅水是掺气水 团的反弹斜抛运动入手，经试验验证后，给出溅水纵向、横向距离、d 分别为： l ：u o c o s # ( u 一“。c o s 卢) s i n 卢+ 万碡面两万】： ( 1 1 ) d 一0 7 7 u 2 c o s 口g ：( 1 - 2 ) 式中u 为水舌风速，u o 为溅水反弹斜抛初速度，a 为水舌入水角，卢为溅水反射 角。遗憾的是工的表达式不能满足量纲和谐的要求，因此对溅水的影响范围还要 进行更深入的研究。文中还对气流分离区的确定进行了初步推求和风洞验证，并 对雾流降雨区做了初步分析。 1 9 9 6 年梁在潮又对雾化水流理论1 4 1 进行了更进一步的研究，系统的阐述了雾 化水流的形成机理、力学特性、运动模型、雨量雾量分布与计算。他对挑流雾化 水流的特征是这样描述的：当水流从坝坎挑出时，水舌在空中掺气和水舌入水溅 水而形成雾化水流。雾化水流的前后各段性质有所不同。认为水舌掺气是雾化水 流的主要雾源之一，将水舌掺气过程看成是水舌在重力、空气阻力、表面张力作 第一章概述 用下，水舌与空气的交界面失去稳定，空气被卷入而掺气的水气两相流；水舌 落入下游河床引起溅水和挟气是种水体反弹、水团分裂和挟气的水一气两相 流；雾流扩散是类似于大气污染的气一水二相流。根据雾化水流各段的流态差异， 将雾化水流分为强暴雨区和雾流扩散区二个区域。强暴雨区由水舌入水点前后的 暴雨区和溅水区组成：雾流扩散区包括雾流降雨区和雾化区。根据试验得出反弹 抛射角口与水舌入水角a 间的拟合关系为：卢可筘。誓口。文中分别分析了强暴 雨区和雾流扩散区的流动机理，还给出了暴雨区雾化水流及溅水水滴纵、横向溅 抛长度的计算公式。 刘宣烈等【1 】开创了对三元特性的水舌掺气扩散的研究，取得了如下主要成 果： ( 1 ) 采用电阻式掺气仪和近影立体摄影两种测量方法，对空中水舌的掺气 扩散特性进行了试验研究，认为空中水舌的掺气特性可以用水舌沿程断面含水浓 度来表征，其关系式为：8 8 = 唧 - k ( 2 y h ) 7 ，式中p 为断面最大含水浓 度，h 为水舌厚度，j ，为含水浓度为口的点距对称轴的距离，k 为系数，其值为， k - - 1 m 锻r ，r 为鼻坎出口傅汝德数。 ( 2 ) 探讨了水舌掺气及水舌纵、横向扩散特性，得到了描述三元水舌和二 元水舌的扩散掺气统一规律，并得出当水舌出口宽深化6 曲o 8 时，水舌由三元 转为二元的水舌维数判定准则。 ( 3 ) 在试验的基础上，利用立体摄影技术研究了空中掺气水舌的运动规律。 对空中水舌进行了两相流分析，得到了水舌入水点位置、水入角度、入水速度以 及轨迹长度的数学表达式。发现考虑掺气和空气阻力计算的水流射距比按自由抛 射计算的射距小。 ( 4 ) 对空中水舌雾化量的分析表明，水舌可雾化量的决定参数i 临界含水 浓度不大于0 1 0 。水舌雾化水量只占水舌总量的很小部分，对入水水舌的宏观特 性没有什么影响；雾化源主要由水舌落水附近的喷溅产生。 f 5 1 在模拟试验的基础上文献1 4 】对喷溅运动进行了理论探讨，提出水舌入水分 为撞击、溅水、流动三个阶段。喷溅的影响范围主要决定于溅水出射角、初始起 抛速度、喷溅水滴的大小及空气阻力系数等，文中分别给出了它们的计算表达式 或应采用数值。还提出了在重力、空气阻力及水舌风作用下的入水喷溅纵向长度 第一章概述 l 和横向喷溅宽度b 的数学表达式分别为： l = 券留气v n 。g s i n ；) + 1 kh m 2 踟删圳喀 b = 如咖后k 1 m 后k s 蛔卢 ( voa 仁s i n 卢) 】 y g ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式中芦为水滴初始抛射角，为水滴运动方向与水流中心线的夹角，为水舌风。 ( 6 ) 通过原形观测资料的统计分析，最后对拟建工程的雾化范围提出了预 报估算式( 式中h 为最大坝高) ： 浓雾区：纵向范围工= ( 2 2 句4 ) h ：薄雾区：纵向范围l = ( 5 0 7 5 ) h ： 横向范围b = ( 1 5 - - 2 o ) ；横向范围曰= ( 2 5 4 o ) 日； 高度范围扛( o 8 1 4 ) h 。高度范围扛( 1 5 2 5 ) h 。 柴恭纯、陈慧玲【1 6 1 从探讨雾流行成机理，分析雾流中的粒子大小及坝后风 速场，建立雾化扩散方程，通过扩散方程的数值求解，讨论影响雾化浓度的各种 因素，从而探讨雾流计算方法。认为水流雾化现象的机理是水体自由表面的失稳 问题，挑舌水设在空中碎裂过程和跌入为水的激溅作用将形成大量水滴，而水滴 与周围空气的相对速度，促使水滴完全破裂而成雾流。由公式估算稳定水滴的 最大直径为0 4 r a m ，雾滴的平均直径反比与挑射水流的流速。对于百米落差的高 坝挑流泄洪，液滴直径在o 1 m m 与o 4 m m 之间。对直径很小的水滴，可视为空 气中的刚性小球，以斯托克斯公式求解；对大水滴则应采用牛顿定律，其阻力正 比与水滴速度的平方。作用与水滴上的压力，将导致水滴破碎。由以上分析得出， 水滴的沉降速度为o 4 m s 至1 6 m s 之间。坝后风速场由于受过坝风和水舌风等 风源影响，兼之过坝气流由底部边界突变而产生分离漩涡，挑射水流的粗糙面又 对界面空气产生拖曳作用，形成气体中的紊流边界层。因而，坝后风速场是一个 十分复杂的流动区域，其影响集中于坝后不太长的区域内。 在泄流雾化的影响因素中，地形因素既重要又复杂【1 4 】。地形对雾化的影响 主要有以下两方面，其一是河床地形对溅水区范围的影响：其二是坝下游两岸地 形对雾流扩散的影响。根据原型观测及气象学原理，得出以下初步分析结论：若 坝下游河流在雾流影响范围内转弯，则会造成雾流受阻，使雾流运动所对山坡的 第一章概述 雾流被强迫抬升，雾流上升时速度逐渐减小，从而产生雾流降雨。若两岸河宽窄 与雾流宽度，则雾流将受到压缩，产生狭管效应，使两岸边坡大面积处于雾流降 雨状态。若雾流区内两岸有两端开口的峡谷，雾流将在山谷风的作用下，向山谷 方向移动和扩散，从而在山谷内形成雾流降雨。 试验方法在雾化研究中较为常用，【1 5 】将试验成果引伸到原型时，存在相似换 算问题，就雾化而言，表面张力有着重要作用，即应满足韦伯相似律口w e = l ( a 表示原型与模型之比值) 。由此当模型与原型采用相同的流体时，其速度比尺与长 度比尺为a ，= a l 们。一般水力学模型均按重力相似律设计，其a ，= a m 两种相 似律之间的流速比尺相差a l 倍，因而，时间比尺也相差口倍。故重力相似的模 型做不到雾化相似，其试验成果不能简单的按重力相似律换算为原型值。南京 水力科学研究院通过系列模型试验研究得出【1 6 】挑流水舌连续性，抛射水舌表面碎 裂的模拟可按重力相似定律设计，但韦伯数以大于6 0 0 为宜。挑流水舌连续性破 坏乃至碎裂，主要原因是来自水流本身的紊动，水舌周围的空气仅起次要作用。 只有当水流分裂为细小水滴时，空气对水滴的作用才开始变得明显。 水电站的泄流雾化问题十分复杂，理论分析、模型试验、原型观测均有其局 限性，应根据具体条件，采用一种或多种方法进行研究与分析。泄流雾化的影响 因素主要有： ( 1 ) 上下游水位差。上下游水位差是影响水流初速度的决定因素； ( 2 ) 泄流量。过坝宣泄流量增大，亦即雾原能量增大。若过坝各溢流孔挑流 水舌兼有相互碰撞效能，则雾化现象将更为严重； ( 3 ) 尾水深度。水流跌入下游尾水时会产生强烈的激溅作用，且水舌入水后 仍有相当高的速度，若尾水深度较浅时，将加剧喷溅； ( 4 ) 挑坎设置高程。上下游水位差相同时，不同高程的挑坎，其挑射初速度 却不同，初速度高者紊动大，在抛射过程中，裂散现象比较充分，掺混空气量也 加大，雾化程度随之增高； ( 5 ) 跌入水舌形态和预掺气的影响。自由跌落水舌与抛射挑流水舌在相同水 位落差时，对雾化现象的影响不同，后者较大。若在挑射水舌上游布置有掺气坎 将加剧雾化程度； ( 6 ) 挑坎型式。挑坎有多种不同型式( 连续式、差动式、扭曲式、收缩式、 第一章概述 ( 6 ) 挑坎型式。挑坎有多种不同型式( 连续式、差动式、扭曲式、收缩式、 扩散式等) ，也有多种碰撞方法，如高低坎大差动、滑雪道对冲、表深空挑流碰 撞等。原形观测表明，纵向扩散好的挑流鼻坎型式，可增加水舌在空中的消能率， 但同时带来较严重的雾化现象； ( 7 ) 坝下游地形地貌。对“v ”形河谷雾流易随气流沿两岸山坡向上爬行， 形成强降水区。若坝下游两岸地形不对称，一侧陡峻，一侧开阔，也会对雾流扩 散产生较大影响。雾流在气流作用下，向平缓开阔方向扩散； ( 8 ) 气象条件。风力、风向会影响雾流的漂移和扩散，而风力大小和风向 又受水力条件、河谷地形、温差等多种因素影响。 综上所述，雾化问题的研究与预测有相当的难度，已有的各种方法尚难以完 满解决或互相取代。国外对此研究较少，因而深入研究泄流雾化问题，防止和避 免因雾化给水电站安全运行造成的危害十分必要。 1 3 本文的工作 拉西瓦水电站地处高山峡谷，坝高、泄洪落差大、下游河道狭窄，加之左岸 坝肩下游存在一个稳定性较差的高边坡i i 变形体，而采用的挑流消能泄洪方式 所引起的水流雾化问题又比较突出。预测拉西瓦水电站泄洪雾化对下游环境的影 响范围和程度，为枢纽布置及制定下游雾化影响范围的防护工程措施提供可靠的 依据。使泄流引起的雾化不危及高边坡稳定，保证电站的安全运行有着重要意义。 本文的主要工作有： ( 1 ) 在前人研究成果的基础上，建立挑流泄流雾化的力学分析模型，经 实际工程验证计算后，预测计算拉西瓦水电站泄流雾化影响范围； ( 2 ) 建立挑流雾化的人工神经网络模型，并用神经网络模型预测拉西瓦水 电站泄流雾化的影响范围； ( 3 ) 对比分析两种模型得到的拉西瓦水电站泄流雾化影响范围预测结果； ( 4 ) 提出减轻或避免拉西瓦工程泄流雾化影响的防护建议和措施。 第二牵拽流泄漉雾诧的力学龄毒f 摸型 第二章挑流泄流雾化的数学模型 2 。1 二褪流承舌运动微分方程 过坝水流产生泄流雾化是水利水电工程特有的物理现象。当衡遮水流从挑 坎挑出时，水舌在空中掺气和水舌入水时溅水而彤成雾化水流。雾化水流是一很 复杂的水一气和气一水两横流。 越经意遂缓承舌，建交懿瑟瑟示夔坐檬系，获孛取一微分髂，翅瑟2 i l ，其 长度为d s 中心水舌淳度为h ，垂直纸面方囱敬单位宽度。分析微元体受力有： 图2 - 1 微元体受力示意图 重力( g ) ，空气怼运凌零蠢熬阻力( 乓) ，空气霹零舌獒浮力( 览) ，表露强力 ( 。，虬) ，以及微元体两侧的水压力。各力的太小分别为： ( 1 ) 重力：与二相流水番的质量，重力加速度成正比，即 g ；石勘出 式中，；舞二褶滚承舌豹平均密度，可以表零为； 石_ 昂w + ；以2 西w ( 1 + 裔) _ _ p w 其中，p ，c 分别为含水浓j 赏和掺气浓度，下标a 、w 分别代表水相、气相。因此 上式胃叛改爻： 6 一母p 。g h d s ( 2 ) 空气阻力：影响空气阻力的因素很多，但一般可以认为它与水舌运动 速度的平方成正比，即 第二章挑流泄流雾化的力学分析模型 c = c f 几v 2 d s 式中，c ，为空气阻力系数，v 为水舌断面的平均流速。 ( 3 ) 空气对水舌的浮力为排开同体积空气的质量，即 f o = p ，g h d s ( 4 ) 表面张力：与表面张力系数( 盯) 呈正比，而与水舌表面的曲率半径 呈反比。即 町去出 式中，r 1 ：为水舌上下表面的曲率半径。 ( 5 ) 压力差：水舌内的压力在水舌中心附近为最大，其表面将等于0 ，微 分体两面的压力差可近似为： a p = p 2 一p 1 一r h e d h 式中，y 为水舌的比重，s 为水舌曲率度压力的影响系数，d h 为水舌厚度在d s 中的增量。 由上可见，影响水舌运动轨迹的因素是很多的，但在所有作用于水舌的力中， 只有重力和空气阻力是主要的、起决定作用的，其他力对于水舌运动的影响可以 忽略。因此，对二元二相流水舌，其水平向和铅直向的动力微分方程分别为： 西出警- - p o c f v 2 出c o s d 砷鲁f f i - p a c f v 2 出s i n 0 - p g h d s 上式简化后为： 冬：一兰v 3 c o s 8 ( 2 1 ) 出 q p 。卢 堕；一鲁v3sineg(2-2)dt q p 。卢 。 式中，q 为单宽流量，0 为水舌运动轨迹线与水平线的夹角。 9 第二章挑流泄流雾化的力学分析模型 解上两式，消去d t 以及代入出= v c o s o d t ，d y i v s i n o d t 后得 百d v x = 一丽p 口c f 丽d o ( 2 - 3 ) 出声p 。g q c o s 4 8 。 出d 8 g 咖留耐。 g ( 2 4 ) ( 2 5 ) 以上三式即为二相流水舌运动基本微分方程，其中，_ i b 为水舌断面平均含水浓度， 沿程变化：c f 的影响因素很多，严格说来也是沿程变化的，作为简化认为其沿程 不变。 2 2 二相流水舌运动微分方程的解析解 由实验资料知，任意断面的含水浓度与该断面未掺气水舌的佛汝德数之间有 如下关系： 卢；a l f r ”( 2 - 6 ) 将其代入表达式( 2 3 ) 中，并注意开一v 15 面的代换得 咖， v 。 p 。o ，d o a ( g q ) “p 。s 8 ) 4 “ 上式两边积分后得： 1 - 古一渤而t g q ) i = - p w 嘉日 v z y u 1”l w 5 口j 令 则上式化简为： ( 3 “5 n 磁赤p = 中徊) 一m 1 = 丽o t l 纂百p 阻】 v ，“1 5 “ ) “。 1 ( 2 - 7 ) 第二章挑流泄流雾化的力学分析模型 式中m i 五i i 孑弩斋+ 中徊。) 为初始条件函数，f r 0 为水舌出口处的 佛汝德数，m ( 日。) 为水舌轨迹线与水平线任一夹角的函数值。 将式( 2 8 ) 代入( 2 4 ) 、( 2 5 ) 两式，并令三。瓦石丽p a 而c i 万，再取积分，有： z ；一籼 “蠢面j 丽d o 丽甄磊百 ) ，一一舻“3 氐g 阻一中徊t g ) 】o 矾d o ，嘶( 2 - 1 0 ) 上两式即为二相水舌运动轨迹方程式，但要求其精确解是相当困难的。为此采用 近似法，化简上式： 当中p ) l ，所以二相流射距比按自由抛射体理论计算的射距小， 其减少的数值与鼻坎出口断面的佛汝德数、水流出射角函数吁( 日。) 、空气阻力系 数以及空气和水的密度有关。当0 。为俯角时，即自由跌落二相流，其水平射距 比单相水流的射距远，不过由于跌落水舌一般存在跌角下压的情况( 即跌落水舌 的实际跌落角比跌坎的坎角大) ，射距增大的现象并不明显。 当x = l ，y - - 一a 确定后，我们可以依据式( 2 - 1 1 ) 或( 2 - 1 2 ) 求出入水时的0 角，即 入水角，把0 值代入式( 2 8 ) ，则可求得水舌入水时的速度。这样，我们就同时求 出了彼此关联的三个参数。 在研究二相流水舌空中扩散的规律时，需知道水舌的曲线长度，以及水平射 距和水舌轨迹长度的关系，由 云d v 俐。一筹 推出 咖2 = 他2 0 0 - 2 t g o o k g x v ，。2 + 2 92 x 2 v ，0 4 ) 出2 第= 章挑流泄流雾化的力学分析模型 其射流轨迹长度为： j 密；菇厮；菇辱i 案弓 另口；o + 培：8 。) 扫：一哗，。缉 v r 0v x o 刚 斑- a + b x + c x 2 d x 掰疆s 一警石+ 赤蜥+ 第2 4 斗c2 廿( jo 其孛，石。、a + b x + c x 2 , b 。墨，_ 。钷c b ： 爿 2 3 二耱流水舌运动微分方程的数值解 对于二元二葙流东舌运动微分方程( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 箨如下鑫毫交换： 令：善i = x 、工2 = y 、x 3l s 、工# 尊匕、x s 嚣v ，、心墨y ，则 d x ， d l t 2 z 。 由- - 一7 i , 4 墨 出， d t 2 旄 嚣e ：p f l 5 ；8 ：3 ，8 0 f , 。一4 7 5 ；鼯：5 3 x ! g q 则 可。a f ，一“；( 3 8 0 f ，o 一4 7 5 ) f ，一i ：( 3 8 0s 霉“7 5 t ( 乌专 = 8 等g q “扩( 静g q 百0 又肖瓦p a 一而1 ；c ，= 2 3 3 v x = v c o s o ,v y = v s i n o , 1 4 - 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 * 1 9 ) 稼* 2 0 ) 露二二鬻携流濑漉雾住静女学势辑攘墼 姗。峨一丽1 了2 3 3 l x 4 + x 5 - ”x 4 黝警i 卫( 3 8 0 篓4 7 5 ) ( j g q ) | 墨= 一 。 。 , l g q 1一生塑! ；? ；鹤x ； 教。7 7 0 q 。 云一 i 蘧二磊 4 9 q q 一2 1 ) 陀* 2 2 ) 而 塞；平。d y 2 所以 磊d d 搿s ) ；象万万万蹿l d x , r 扣蛳哮窘十2 警窘， d x d 2 毒加d 2 y d td t 。d td t 。 孵 联台式薅1 8 - 2 3 ) ，簿裂一个擞分秀糕篷 将秘始条 串：x = o ，y ( o ) = o v x ( o ： - - v 渤s ( s i t a o ) v y ( o ) = v o s i n ( s i t a o ) 改骂淹：藏磐，= 0 ，恐f 秽，m 0 ，鼍，一0 ， 互；f 黟j m k e 矗s fs i t a o ) ，x f l o ) 一r o s i n ( s i t a o ) ，f 移，。玛 其中婚为水舌出射挑坎时的初射速度，s i 为掰& 坎的挑射角。 殿耀i i l a t l a b 可以得到二相流水番运动微分方程的数值解。 拉* 2 3 ) 劳 一 霉 峨虿 第= 章攘流渣藏雾纯瓣力学分耩壤壅 2 4 二相滋拳舌送动微分方器的求解算锲 例：二滩水电站某设计方案( 南科院熨验方案) 泄流中孔断面尺寸5 5 * 6 o m ( 宽高) ，出口高程1 1 2 0 o o m ，出臼宽度1 1 o m ，挑角3 0 度，渣燮1 2 5 0 r a 3 s ， 试求当上游正常窟水位1 2 0 0 0 0 m 灏下游水位1 0 3 2 o o m 对，水舌的入水参数。 分别应用二相流水舌遂动微分方程的数值解法和解析解法，得到二滩水电 懿农舌入水参数，翔表2 - 1 凝录。 表2 - 1二滩水电站水置入水参数 鼻坎至冲堍最深处挑距n )水舌运幼轨迹长度s ( m )入水速度w ( m s )水舌入水角 解祈释1 7 鱼6 02 2 1 。9 l4 6 ，1 55 6 。豁 数值解1 7 5 6 02 2 1 6 84 6 6 05 9 8 2 餐注鬻科院1 ：2 5 模型审l 灏量壤为1 7 6 m 2 。5 拳舌入永喷溅特饿 2 。5 。1 瘩嚣入拳喷溅麴枫理 水舌空中运动时的速度与入水喷溅现缘有关，因为它的速度连同水舌的物理 赞蝗决定了窳舌攮零露匏馁瞧，凌决定了痰舌装入拳位置_ 秘入求角。空孛水舌入 水喷溅现魏可以分为撞击、溅水、流动形成三个阶段： 撞击阶段：当窳舌与下游兹承垫圈接舷孵，蠢子表嚣张力豹豫耀，还米苓及 排开水垫巾的永，因此，产生类似两个物体相撞的现象。这种撞击将引起个短 暂的、近似于水中声波辐射出去的高速激波。由予求激波的作焉，使东舌落入处 鲍水蟊秀薅，发生壅承瑷象，且水舌落水患下游侧水西升赢较小，上游侧水面升 高较大，同时在水舌与水瓶接触她有较大的撞击力，他将改变水舌的速度并产生 唆溅。 溅水阶段：当水舌和下游的水面撞击后，水从水舌入水处溅开，溅水即开始 形成。掺气承舌奁翔达入零点薅蠢充分掺混、破碎。由于下游东垫雾j 竞全柔性， 其本身具有较强的压弹效应，因此掺气水舌入水时大部分水会进入下游水趄，在 下游术垫的压弹效应和水体的表谎张力作用下，其中小部分东会爱弹超来，成为 喷溅拳块向下游及两岸抛射出去；另外大部分水蠢潜入水中后将喷溅出大量的水 第二章挑流泄流雾化的力学分析模型 块。这些水块首先卷入被水流表面带动的空气流中，在水舌风的影响下进一步碎 裂、抛散，形成水滴和云雾。由于水块喷溅不会完全顺直水流，会与流向形成各 种角度的、初始抛射角度和初速度各不相同、随机性的水体，因而不会有恒定的 喷溅轨迹和喷溅距离，而是形成一定的喷溅范围，喷溅轮廓大致为一条轴线近于 水平的抛物线。由此可见，水舌的入水喷溅运动可视为水块的反弹溅射运动，运 动主体类似于质点的斜抛运动：溅水出射角和出水速度随入水速度和入水角度的 改变而改变，而下游水深对溅水出射角和抛射速度影响不大。 流动形成阶段：撞击之后，下游水体被掺气水舌带入运动状态，流动形成阶 段开始。掺气水舌落入下游水垫时，将卷掺周围空气带入水内，由自由抛射转为 淹没射流。由于水流强烈紊动，不断卷掺两侧水体，水舌将继续扩散，断面逐渐 加大，流速不断降低，临底水舌弯曲，两侧形成大旋涡，大部分能量在水垫中消 耗。喷溅范围主要取决于溅水出射角、初始起抛速度、喷溅水滴的大小和空气阻 力系数等。 对工程来讲，喷溅研究主要是确定其影响范围，即水质点可能的最大抛射距 离。由于抛射角和起抛速度各不相同，喷溅会与流向形成各种角度，是一个随机 过程，但会有一个重值范围( 即高频值) 。因此，喷溅范围不是恒定的，而是形 成一定的喷溅范围。 2 5 2 喷溅参数的确定 1 溅水出射角口的表达式 水舌溅水初始抛射角数值变化范围较大，这是因为水舌入水前是一个整体， 而入水后飞溅出的则为无数水体和水滴，这些水滴的飞溅是一个随机的过程，所 以飞溅角范围大。 影响水舌溅水出射角卢的因素有水舌入水速度v 。，入水角a 以及下游水深t 等。当v 。为定值时，卢与a 成反比关系，而当a 为定值时，卢与h 成正比关系。 实验表明，下游水深对溅水出射角卢的影响不明显，当不考虑下游水深的影响时， 可以写成卢：，( v 。，“) 的形式。经过资料整理，得出溅水出射角 第= 章挑流滑流雾化的力学分析模型 芦= 4 4 + 0 3 2 v 一0 0 7 c t( 2 - 2 4 ) 式中，敬米计。 2 。秘娥抛射遮度致的确定 水舌溅水初始抛射速度v 。主要决定于水谮入水遴度和入水角a 。实验表明， 溅水出始抛射速度v 。随入水速度h 的增加而增加，但随入水角a 的增大而减少。 试验给篷溅承裙始擞甜速度豹表_ 逸式： = 2 0 + 0 4 9 5 v 一0 。极- 0 。0 0 0 8 a 2( 2 - 2 5 ) 3 喷溅水滴崴径的拟定 窳滴在空中运行时会发囊相互碰攘，在虢撞中会发生三萃孛| 毒况，一是“并合”； 一是使水滴“破碎”；另一是“弹开”。一般说来，如果两个水滴的表面能发生接 触，尽管接触的时间很短，也会发生并台，这是因为当表面被破坏时，表面德就 会减少，但怒雨滚磁并增大楚随机性质的。求瀵相磁发生弹舞现象楚因为鼹个水 滴表面在碰撞时未能直接接触，其间隔了一层气膜难以排除所致。当两个趋避的 承潼较大畦，容易交形，空气骥瓣撼除戈为灏难。薄泰滚舞戆嚣瑟会曩邦交乎， 阻碍了夹在熊间的空气排除。因此，夹层空气是否易于排除不仅与水滴大小有关， 瑟羹与拳漓憝运薅鹣稿对速波及磋撩惫有关。一般说来，承滚碰撞辩是否弹开， 应与碰撞韦伯数有关。韦伯数越小，水滴越不易变形，碰撞后就愈濮并合。水滴 直径大翔4 5 r a m 时就会破碎，破碎主要与下降水滴的底部发生四入现象有关。当 水滴达到临界厚度时，凹入区由予入流空气的作用会急剧的加深，很快发展成为 一个扩大的i 2 1 朝下的袋形。j 比袋的袋口边缘就成为一个粗环，环中包含大部分水 体，袋壁爨琴凝滚入瓣空气藤逐灏交薄，最终入流空气耀袋凝联破。在表露张力 作用下形成很多的小水滴，1 耐袋口环则在表面张力的作用