（水利水电工程专业论文）挑流泄洪雾化数学模型改进与影响因素分析研究.pdf

摘要 本文以水利水电工程中出现的挑流泄洪雾化现象为研究对象， 通过对挑流泄 洪雾化机理的研究， 完善了 挑流泄洪雾化数学模型， 并深入分析模型中各种参数 对泄洪雾化范围和降雨强度的影响，其主要内容如下: ( 1 ) 对挑流水舌的出口 特性、 空中运动和扩散特性、 碰撞特性进行了研究: 应用能童方程推导出挑流水舌出口水力参数的表达式;在考虑重力、空气阻力、 空气浮力和环境风的影响下，推导出三元掺气水舌空中运动规律的微分方程组; 应用动里方程推导出上下两股水舌碰撞后的水力参数。 ( 2 ) 研究了 水舌撞击尾水时的 入水形状、 喷溅流量: 建立了 初始抛射速度、 出射角、 偏移角和水滴直径等四个随机变量的分布函数; 研究了水滴在重力、 浮 力、空气阻力及环境风作用下的随机喷溅规律，建立了 水滴随机运动微分方程。 ( 3 )从分析水雾在雾流扩散区的运动机理入手， 对雾滴的随流输送、相对 运动和紊动扩散等三种运动进行了深入的研究， 根据水雾质量平衡条件， 得到了 水雾三维扩散微分方程， 在二维恒定雾流条件下， 提出了 雾流扩散区降雨强度的 求解方法。 ( 4 )在分别单独考虑环境风和地形地貌条件的影响下，研究泄洪雾化范围 和降雨强度分布的变化情况， 计算结果表明挑流泄洪雾化数学模型可以很好地模 拟环境风和地形地貌对雾化范围和降雨强度的影响。 ( 5 ) 应用挑流泄洪雾化数学模型对漫湾、李家峡、乌江渡和二滩水电站进 行了反馈分析和验证计算， 计算结果表明泄洪雾化范围的计算值和原观值基本一 致。 ( 6 ) 应用挑流泄洪雾化数学模型对洪口 水电站和白 鹤滩水电 站泄洪雾化情 况进行了预测，并根据实际情况给出了减小雾化危害的建议。 关键词:雾化理论，挑流消能，水舌碰撞，数学模型，雾化参数 abs tract t h i s p a p e r s t u d i e s t h e s p r a y fr o m t h e j e t d u e t o t h e u s e o f fl i p b u c k e t s i n t h e h y d r a u l i c a n d h y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r in g . b a s e d o n t h e s t u d y o f s p r a y m e c h a n i s m , a m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r i t i s e s t a b l i s h e d , a n d f u r th e r m o r e , f a c t o r s a ff e c t in g t h e r e s u l t s o f t h e m o d e l a r e e v a l u a t e d , t o o . t h e f o l l o w i n g s a r e s tu d i e d i n t h e p a p e r : ( 1 ) a s t u d y o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e j e t i n c l u d i n g in i t i a l p a r a m e t e r s , t r a j e c t o r i e s , a n d i m p i n g i n g i s c o n d u c t e d . u s i n g e n e r g y e q u a t i o n , a n e q u a t i o n f o r i n i t i a l p a r a m e t e r s i s f o u n d e d . c o n s i d e r i n g g r a v i t y , r e s i s t a n c e , b u o y a n c y , a n d w i n d p o w e r , a n e x p r e s s i o n i s u s e d f o r d e v e l o p i n g t r a c k s o f t r a j e c t o r i e s . h y d r a u li c p a r a m e t e r s a ft e r i m p i n g i n g o f t w o j e t s a r e a l s o g iv e n a c c o r d in g t o m o m e n t u m e q u a t i o n . ( 2 ) t h e s h a p e a n d s p r a y fl u x o f t h e j e t a r e s t u d i e d i n t h e r e g i o n w h e re t h e j e t p l u n g e s i n t o t h e t a i l w a t e r . d i s t r ib u t i o n f u n c t i o n s o f s t o c h a s t i c v a r i a b l e s i n c l u d i n g i n i t i a l s p r a y v e l o c i t i e s , s p r a y a n g l e s , d e v i a t i o n a n g l e s a n d d i a m e t e r s o f d r o p l e t s a r e e s t a b li s h e d i n t h e p a p e r . c o n s i d e r i n g g r a v i ty , r e s i s t a n c e , b u o y a n c y , a n d w i n d p o w e r , t h e s p r a y b e h a v i o r s o f d r o p l e ts a r e s t u d i e d , a n d a d i ff e r e n t i a l e q u a t i o n o f r a n d o m m o t i o n i s p u t f o r w a r d . ( 3 ) b a s e d o n a n a l y z i n g m o v e m e n t o f m i s t fl o w i n t h e d i ff u s i o n z o n e , th r e e m o d e o f m o t i o n s 一t r a n s p o r t , re l a t i v e m o t i o n a n d t u r b u l e n t m o t i o n , a r e d e e p s t u d i e d . a c c o r d i n g t o t h e l a w o f m a s s c o n s e r v a t i o n , a d i ff e r e n t i a l e q u a t i o n d e s c r i b i n g 3 d d i ff u s e o f m i s t fl o w i s b r o u g h t 叩. s u p p o s i n g 2 d c o n s t a n t m i s t fl o w , a m e t h o d t o c o m p u t e t h e i n t e n s i ty o f r a i n f a l l i n t h e d i ff u s i o n z o n e i s f o u n d e d . ( 4 ) i n t h e c o m p u t a t i o n f o r t h e r a n g e o f s p r a y a n d i n t e n s i ty o f r a i n f a l l , c o n s i d e r i n g w i n d p o w e r a n d t e r r a i n r e s p e c t i v e ly , t h e r e s u l t s f ro m t h e m a t h e m a t i c m o d e l i n d i c a t e a g o o d a d a p t a t io n ( s ) u s i n g t h e m a t h e m a t i c m o d e l , t h e f e e d b a c k a n d v e r i f y in g a n a l y s i s o f s p r a y f o r ma n w a n , 功i a x i a , wu j i a n g d u a n d e r t a n h y d r o p o w e r s t a t i o n i s c a r r i e d o u t , a n d t h e r e s u l t s m e e t t h e p ro t o t y p e d a t a w e l l . ( 6 ) u s i n g t h e m a t h e m a t i c m o d e l , t h e p r e d i c t i o n o f s p r a y f o r h o n g k o u a n d b a i h e t a n h y d r o p o w e r s t a t i o n i s c a r r i e d o u t , a n d a d v i c e f o r r e d u c i n g h a z a r d o f s p r a y i s p rop o s e d . k e y w o r d s : t h e o r y o f s p r a y ; fl i p b u c k e t e n e r g y d i s s i p a t o r ; i m p i n g i n g o f t w o j e t s ; m a t h e m a t i c m o d e l ; s p r a y p a r a m e t e r s 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之处外，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 2些创鱿色或 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 : .多 听签 字 日 期 : : 召年少月、日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解达建叁 生 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 k色 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、缩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 : 一价 n 签 字 日 期 : c 孚 年 夕 月 2 日 导 师 签 名 : j 介 签 字 日 期 几 解碌 厂 月 脚 7 0 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1前言 自 从新中国诞生到现在的5 0 多年来，我国的水利水电事业蓬勃发展，取得 了 令世界瞩目 的 成绩。 截止到1 9 9 9 年底m ， 我国 共建成各类大坝8 . 5 万多座， 居 世界第一位。全国已 建、在建坝高 1 0 0 m以上的大坝有6 9 座，装机容量 1 0 0 万 k w 以上的大型水电站有2 0 座。 回顾历史， 建国前， 我国超过 l o o m的大坝只有 一座(z 1 ， 即水丰水电 站， 坝高1 0 6 m ， 建成于1 9 4 1 年。 上世纪5 0 年代和6 0 年代 建成的有6 座 ( 不包括台湾的2 座) ，7 0 - 8 0 年代建成的有 1 2 座 ( 不包括台湾 的3 座， 香港的2 座) 。 9 0 年代以 后， 我国的高坝建设有了飞速的发展， 举世瞩 目的三峡工程于1 9 9 3 年开工建设，2 0 0 9 年建成后，其装机 ( 装机2 6台共 1 8 2 0 万k w)将超过目 前世界上最大的伊泰普水电站 ( 装机 1 8 台共 1 2 6 0 万k w)而 成为世界第一大水电 站; 1 9 9 9 年， 坝高2 4 0 m的 二滩水电 站竣工， 标志着我国 大 坝建设已经达到了世界2 0 0 m级高坝的先进水平。世界上第一座2 0 0 m级高坝， 是于1 9 3 6 年建成的 美国胡佛拱坝p i ， 坝高2 2 1 m 。 此后的6 0 多年间， 世界上共 建成了2 8 座坝高超过2 0 0 m的高坝， 其中， 坝高在2 0 0 - 2 5 0 m的有2 2 座， 2 5 0 3 0 0 m的有6 座.这些高坝所在的国家是:前苏联6 座，美国4 座，瑞士4 座， 伊朗2 座，加拿大2 座，哥伦比亚2 座，意大利 1 座，印度 1 座，西班牙1 座， 土耳其 1 座，前南斯拉夫1 座，奥地利 1 座，墨西哥1 座， 洪都拉斯 1 座。 从高 坝建成的年代看: 3 0 年代1 座，5 0 年代1 座， 6 0 年代9 座， 7 0 年代1 0 座， 8 0 年代6 座，9 0 年代 1 座。由 上面的数据不难看出，世界高坝建设的高峰时期在 6 0 8 0 年代，高坝建设中 心在西方和前苏联。 9 0年代以后，随着我国建坝技术的不断提高，世界高坝建设中心迅速转移 到我国。 以二滩为起点， 我国相继设计和开始建设一大批接近3 0 0 m或超过3 0 0 m 的高坝和超高坝，如澜沧江上的小湾，坝高2 9 2 m，泄洪总功率约4 .2 万mw 糯扎渡， 坝高2 6 0 m ， 泄洪总功率约9 .5 万m w: 金沙江上的溪落渡， 坝高2 7 8 m, 泄洪总功率约 1 0 万mw，白鹤滩， 坝高2 7 7 m，泄洪总功率约9 .5 万 mw:雅碧 江上的锦屏， 坝高3 0 5 m， 泄洪总功率约4 .3 万mw; 黄河上的拉西瓦， 坝高2 5 2 m, 泄洪总功率约 1 .2 5 4 万mw。上述工程泄洪消能常具有 “ 高水头、 大流量、河谷 狭窄及泄洪频繁” 等特点， 泄洪最大单宽流量均超过2 0 0 m 3 / m s ， 单宽消能功 率达 3 0 0 m w / m ， 单位水体消能功率达 2 0 -3 0 k w / m 3 ，泄洪消能问 题十分突 出， 已成为工程设计和运行安全的控制因素之一。 这些特点同国外己建成的高坝 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1前言 自 从新中国诞生到现在的5 0 多年来，我国的水利水电事业蓬勃发展，取得 了 令世界瞩目 的 成绩。 截止到1 9 9 9 年底m ， 我国 共建成各类大坝8 . 5 万多座， 居 世界第一位。全国已 建、在建坝高 1 0 0 m以上的大坝有6 9 座，装机容量 1 0 0 万 k w 以上的大型水电站有2 0 座。 回顾历史， 建国前， 我国超过 l o o m的大坝只有 一座(z 1 ， 即水丰水电 站， 坝高1 0 6 m ， 建成于1 9 4 1 年。 上世纪5 0 年代和6 0 年代 建成的有6 座 ( 不包括台湾的2 座) ，7 0 - 8 0 年代建成的有 1 2 座 ( 不包括台湾 的3 座， 香港的2 座) 。 9 0 年代以 后， 我国的高坝建设有了飞速的发展， 举世瞩 目的三峡工程于1 9 9 3 年开工建设，2 0 0 9 年建成后，其装机 ( 装机2 6台共 1 8 2 0 万k w)将超过目 前世界上最大的伊泰普水电站 ( 装机 1 8 台共 1 2 6 0 万k w)而 成为世界第一大水电 站; 1 9 9 9 年， 坝高2 4 0 m的 二滩水电 站竣工， 标志着我国 大 坝建设已经达到了世界2 0 0 m级高坝的先进水平。世界上第一座2 0 0 m级高坝， 是于1 9 3 6 年建成的 美国胡佛拱坝p i ， 坝高2 2 1 m 。 此后的6 0 多年间， 世界上共 建成了2 8 座坝高超过2 0 0 m的高坝， 其中， 坝高在2 0 0 - 2 5 0 m的有2 2 座， 2 5 0 3 0 0 m的有6 座.这些高坝所在的国家是:前苏联6 座，美国4 座，瑞士4 座， 伊朗2 座，加拿大2 座，哥伦比亚2 座，意大利 1 座，印度 1 座，西班牙1 座， 土耳其 1 座，前南斯拉夫1 座，奥地利 1 座，墨西哥1 座， 洪都拉斯 1 座。 从高 坝建成的年代看: 3 0 年代1 座，5 0 年代1 座， 6 0 年代9 座， 7 0 年代1 0 座， 8 0 年代6 座，9 0 年代 1 座。由 上面的数据不难看出，世界高坝建设的高峰时期在 6 0 8 0 年代，高坝建设中 心在西方和前苏联。 9 0年代以后，随着我国建坝技术的不断提高，世界高坝建设中心迅速转移 到我国。 以二滩为起点， 我国相继设计和开始建设一大批接近3 0 0 m或超过3 0 0 m 的高坝和超高坝，如澜沧江上的小湾，坝高2 9 2 m，泄洪总功率约4 .2 万mw 糯扎渡， 坝高2 6 0 m ， 泄洪总功率约9 .5 万m w: 金沙江上的溪落渡， 坝高2 7 8 m, 泄洪总功率约 1 0 万mw，白鹤滩， 坝高2 7 7 m，泄洪总功率约9 .5 万 mw:雅碧 江上的锦屏， 坝高3 0 5 m， 泄洪总功率约4 .3 万mw; 黄河上的拉西瓦， 坝高2 5 2 m, 泄洪总功率约 1 .2 5 4 万mw。上述工程泄洪消能常具有 “ 高水头、 大流量、河谷 狭窄及泄洪频繁” 等特点， 泄洪最大单宽流量均超过2 0 0 m 3 / m s ， 单宽消能功 率达 3 0 0 m w / m ， 单位水体消能功率达 2 0 -3 0 k w / m 3 ，泄洪消能问 题十分突 出， 已成为工程设计和运行安全的控制因素之一。 这些特点同国外己建成的高坝 第一章 绪 论 有很大的不同， 如上面提到的2 8 个高 坝， 泄量大于5 0 0 0 m 3 / s 的 有1 2 座， 大于 1 万m 3 / s 有6 座。 但是， 国 外高坝的实际过流量， 单宽均不超过l o o m 3 / m _ s , 远小于国内的2 0 0 m , / m s ，泄洪消能问 题并不十分突出。 由于泄洪消能存在 “ 高水头、大流量、 河谷狭窄及泄洪频繁” 等特点， 我国 高坝的泄水建筑物大多采用挑流消能工的型式，表 1 - 1 列出了我国4 5 座坝高超 过l o o m的大坝所采用消能工型式的数童对比4 ,5 表1 - 1 4 5 座高坝采用消能工型式的数量对比 总 数 厂 11 )1 a 土石坝 其他 挑流 消能工 底流综合鹰流 4 51 7 1 5 i 34 3 由 上表可以很清楚地看到: 在高坝中， 泄水建筑物采用挑流消能工占 到了绝 大多数， 这与挑流消能的特点密不可分。 挑流消能就是在泄水建筑物的下游端修 建一挑流奥坎， 利用下泄水流的巨大动能， 将水流挑入空中， 然后降落在远离建 筑物的下游消能。 挑入空中的水舌，由 于失去固体边界的约束， 在紊动及空气阻 力的作用下， 发生掺气、 碎裂， 失去一部分动能。 其余大部分动能则在水舌落入 下游后被消除。 因为水舌落入下游时， 与下游水体发生碰撞， 水舌继续扩散， 流 速逐渐减小， 并在入水点附近形成两个巨大的旋滚， 主流与旋滚之间发生强烈的 动量交换和剪切作用， 消散大量的能量。 潜入河底的主流则冲刷河床而形成冲刷 坑。 挑流消能的优点是构造简单， 便于维修， 下游防护结构工程量小; 缺点是雾 化严重。 近年来， 随着坝高和泄量的不断增大， 传统的挑流消能工已经不能满足枢纽 安全运行的要求。因此， 为了减小水舌入水时的单位能量， 现在的挑流消能工多 采用 “ 纵向拉开、 横向 扩散、 空中碰撞、 分层入水” 的设计原则。 根据这条设计 原则， 许多新型的消能工相继问世， 消能效果显著， 下面简要介绍几种常用的消 能工体型: ( 1 )窄缝挑坎:窄缝挑坎的消能 特性是利用泄水建筑物末端过水断面的急 剧收缩，使出 射水舌的流线方向沿高程变化，出射角由一1 0 “左右连续变化到 4 5 . 左右， 下部水股的 挑距较近而 上部水股的挑距较远。 整个水舌在纵向 充分扩 散， 其形状近似鸡尾， 水舌落入 f 游水垫时呈长条形， 特别适合狭窄河谷的地形 条件。其挑坎示意图如图1 - 1 ( a )所示。 ( 2 )分流齿坎:分流齿坎的消能特性是利用在泄水建筑物末端的两侧设置 分流齿，使出射水流在分流齿段内沿齿面急剧升高，以挑流的方式抛射向下游。 第一章 绪 论 齿槽内的水流则沿坝面向 下跌落， 水面较低(6 。 这样在泄水建筑物的出口 段形成 两侧高、 中间低的凹型水面， 使整个水舌沿纵向 拉开。 其挑坎示意图如图1 - 1 ( b ) 所示。 ( 3 ) 扩散挑坎:扩散挑坎的消能特性是利用在泄水建筑物末端增加4 -8 0 的横向扩散角， 使出射水舌在不发生边界分离的情况下， 沿横向充分扩散， 加大 入水宽度。其挑坎示意图如图 1 - 1 ( c )所示。 ( 4 )斜切挑坎:斜切挑坎的消能特性是通过改变泄水建筑物出口端垂直于 出口轴线为斜交于出口轴线。 这样就形成一侧导墙短， 一侧导墙长， 利用长导墙 的导向作用，将水舌导向主河槽并增大横向和纵向扩散。其挑坎示意图如图1 - 1 ( d )所示。 ( 5 )舌型挑坎:舌型挑坎的消能特性是通过在泄水建筑物出口末端加设一 段不带边墙的溢流坝面， 阻碍水舌自由 下落并强迫其沿横向 散落， 增大入水宽度。 其挑坎示意图如图1 - 1( 的 所示。 ( 6 )短边墙挑坎:短边墙挑坎是在斜切挑坎或舌型挑坎的基础上，缩短一 侧或两侧边墙，使水舌沿横向扩散更为充分。其挑坎示意图如图1 - 1 ( f ) 所示。 左 舰1八户 户、毛1 夕 八 i k 沁 图1 - 1新型消能工体型示意图 采用新型挑流消能工， 极大提高了泄水建筑物运行安全性， 成功解决了具有 “ 高水头、 大流量、 河谷狭窄及泄洪频繁” 工程的泄洪消能问题。然而，这些新 型消能工的应用无一例外地增大了 泄洪雾化的 严重性. 伴随 着挑流水舌产生的雾 化现象， 是这种消能方式所固有的特点， 这种现象对枢纽建筑物正常运行、 交通 运输、 周围环境以及两岸边坡稳定性等产生一定危害。 国内的早期工程大多没有 对它的破坏性给予充分地重视， 在规划和设计过程中没有对雾雨可能影响的范围 加以适当地保护，当工程泄洪时， 在坝后一定范围内产生了严重的雾化现象， 妨 碍工程正常运行。 第一章 绪 论 1 . 2挑流泄洪雾化机理和危害 1 .2 . 1 挑流泄洪雾化的机理 过坝水流引起坝下游雾化是水利工程中特有的现象。 水利枢纽泄洪产生的雾 化源来自 三个方面，即水舌空中掺气扩散、水舌空中碰撞和水舌入水喷溅。 由泄水建筑物的鼻坎射出的高速水舌在空气中运动时， 由于水和空气的相互 作用， 分别在水舌和空气边缘形成了两个边界层， 并且在交界面上产生漩涡。 当 水舌边界层与空气边界层交汇后， 这些漩涡体势必发生混掺和交换， 而分裂成更 小的漩涡， 加剧水舌的紊动， 使得水舌在横向和纵向不断扩散， 从而形成掺气水 舌。随着水舌的分裂破碎， 水舌的掺气也越来越充分， 外观如白色棉絮， 分裂出 的水块和水滴在沿程运动中又进一步分裂成更小的水滴或水汽。 那些直径大的水 滴落到水面或岸坡便形成降雨， 直径小的 水滴和水汽将飘逸在空中而形成水雾。 当泄洪水舌在空中碰撞时， 水流上下翻滚， 动能损失明显增加。 另外， 水舌 高度紊动和变形， 把边缘含气浓度较高的水团带到水舌核心中去， 加速水舌的裂 散。 经过碰撞后的水舌， 断面的掺气程度进一步增加， 从水舌飞逸出的水滴和水 汽更多，因此在水舌碰撞点前后范围内形成降雨和水雾。 水舌以 较高的速度射向水垫， 当水舌和下游水垫刚接触时， 由于表面张力的 作用， 水舌还来不及排开水垫中的水， 因此产生类似两固体相撞击的现象， 在接 触面处有较大的撞击力。 撞击后， 水舌将落水处水体排开、 压弹形成喷溅。由于 下游水垫并非完全柔性， 其本身具有较强的压弹效应， 因此混掺碎裂的水块入水 时不会完全进入下游水垫， 而会由于水垫的 压弹效应和水块的表面张力作用， 使 一部分反弹起来， 成为喷溅水流向下游及两岸抛射出去。 这些水体在水舌风作用 下进一步破碎，大直径水滴形成降雨，落入河床及两岸;小直径水滴形成水雾， 笼罩着河床，并在水舌风和自 然风的作用下向 下游延伸变淡直至消散。 原型观测成果7 1 表明， 空中 水舌掺气扩散形成的雾化源不大， 雾化源主要来 自 水舌空中 碰撞和水舌落水附近的喷溅. 水舌在空中 碰撞和入水时， 形成强烈的 激溅作用， 激溅起来的水团或水滴可近似地看作弹性体在重力， 浮力， 空气阻力 作用下以不同的出射角度、 速度做抛射运动， 这些高速溅起的水团或水滴在一定 范围内产生强烈的“ 水舌风” 或“ 溅水风” ， “ 水舌风” 又促进水团或水滴向更远 处扩散， 即向下游和两岸山坡扩散。 根据挑流泄洪雾化各区域的形态特征和形成 降雨的强弱， 将挑流泄洪雾化分为两个区域， 即溅水区和雾流扩散区。 溅水区的 范围为水舌空中碰撞点到入水点后的一定范围，包括水舌碰撞区和入水喷溅区; 雾流扩散区在溅水区之后， 包括雾流降雨区和薄雾区， 分区示意图如图1 - z 所示。 第一章 绪 论 图1 - 2挑流泄洪雾化分区示意图 1 .2 .2挑流泄洪雾化的危害 . 挑流泄洪消能引起坝下游局部地区雾化是不可避免的现象， 如果水电 站的泄 洪雾化影响范围超过河槽水垫而进入岸边和建筑物布置区， 则对水电站的安全运 行及周围环境产生不同 程度的影响。 根据实际工程观测资料总结， 泄洪雾化可能 给工程造成以下几方面的危害。 ( 1 ) 威胁电厂正常运行。如果水电站厂房在雾化暴雨区的范围内，若电 站 厂房排水不畅，由 雾化降雨形成的暴雨径流将在厂房内积存，以致淹没建筑物， 影响电站的正常运行。 如黄龙滩水电站于1 9 8 0 年遭遇5 0 年一遇洪水， 历时3 3 h , 6个潜孔溢洪道及深孔参加泄洪， 泄水流量为 1 1 2 0 0 m 3 / s ，水舌经差动鼻坎射向 空中，形成大量密集水雾，水舌入水点正好在厂房附近，整个厂区被水雾笼罩， 形 成倾盆 大雨， 强 度约3 6 0 0 m / h ， 导致厂房被淹， 厂内 发电 机室水深达3 . 9 m , 停止发电4 9 天，少发电2 亿度 8 l ( 2 ) 影响输 ( 变)电系统运行。 雾化范围内的水雾容易引起水电站输 ( 变) 电 系统跳闸 停电， 给电 站正常运行带来困 难。 如新安江水电站1 9 8 3 年汛期泄洪 时， 因雾化降雨， 使距坝下1 5 0 m左右处2 2 0 k v变压站7 跨中有2 跨跳闸， 机组 被 迫 停 止 运 转 8 1 ( 3 )造成道路交通中断。在浓雾中道路能见度低，加之暴雨如注，狂风大 作， 常使下游进厂交通困难或中断。 如凤滩水电站， 尽管河面较宽，泄洪时雾流 仍会袭击公路， 造成交通中断1 8 1 ( 4 )冲蚀两岸诱发滑坡。雾化形成的降雨，一方面破坏植被，冲蚀地面， 另一方面侵入岩体， 增加岩体的滑动力， 减弱岸坡的抗滑力， 诱发滑坡产生。如 龙羊峡水电站，1 9 8 7年开m放水时因水雾诱发了下游右岸虎山坡百万方量级的 第一章 绪 论 岩 坡变 形， 致 使1 9 8 9 年 数十 万 岩体 突 然塌 滑 (9 ( 5 ) 形成飞石或泥雾。当下游水深不足时，激溅起的水体会挟带河床中的 碎石一起飞出，射向下游和两岸，如白山 水电站 1 9 8 6 年9 月泄洪时，挟带起飞 石的最大直径 1 0 c m， 砸坏右岸地面开关站绝缘瓷瓶 1 1 个， 造成停电， 两台机组 停运11 0 1 ;当 下泄水流含沙量大时，浑浊的含泥水雾会污染环境，如黄河上的青 铜峡水电站放水时就产生泥雾， 使露天设备蒙上一层泥污， 影响设备正常性能的 发 挥 8 ( 6 ) 影响工作人员正常工作和居民 生活。 拓溪水电站泄洪时，形成雾化， 弥漫全河槽，在射流入水点后形成长约2 0 0 - 3 0 0 m，升腾高度 1 5 0 m的浓雾区， 宽度布满厂房左侧河谷， 坝下对岸8 0 0 m的山头处、左岸山头的工程局办公大楼 及部分生活区， 正处于雾化区内，泄洪时狂风暴雨，穿堂入室， 无法工作， 被迫 将办公 大 楼迁 往右岸下 游(a 1 . 3挑流水舌运动规律研究进展 人们对挑流水舌的研究始于对挑流水舌挑距的研究， 因为挑流水舌所挟带的 巨大动能会在下游河床一定范围内形成冲刷坑， 它的大小与形态、 距大坝的远近 会对大坝的安全产生很大的影响. 随着研究的深入， 人们认识到水舌的空中扩散、 掺气、 碎裂、 碰撞等对水舌入水点、 入水时的能量分布以及雾化现象等有很大的 影响，因此有关这方面的研究也越来越多，并得出了许多有价值的成果。 1 .3 . 1挑流水舌运动轨迹的研究 较早的研究一般将空中水舌视为单相流体并且只在重力作用下的理想抛射 体运动，并根据理想抛射体运动规律给出了计算水平挑距的理论公式。 美国陆军工程兵团水道实验站考虑射流初始速度、 鼻坎挑角和鼻坎到下游尾 水位的高 程差等因素给出了 挑流水舌水平射距的理论公式n n ; 李崇智根据大量室 内 试验资料和一些原型观测成果得出影响水舌自由 挑射射程的主要因素除了鼻 坎处的流速水头、 鼻坎挑角、 鼻坎高 度和型式、 上游来水条件、 水舌下面通气状 况以 及水舌扩散掺气状况等因素外， 还和鼻坎半径、 单宽流量等因素有关。 通过 室内 试验资 料和原型观测资料分析， 他给出了 水舌最大射距的 经验公 式( 12 : 谭 新贤在溢流坝挑流射程的计算中引入射程系数的概念，提出射程系数值计算曲 线， 供计算挑流射程时查用， 从而简化了挑流射程计算的过程。 他还认为当反弧 半 径 满 足r = 仿 - 1 咖时， 反 弧 半 径 对 射 程 的 影 响 不 大， 因 此 给出了 简 便 的 射 程 计 算 公 式 f3 1 刘宣烈和张文周在考虑重力和空气阻力的影响下， 得出了挑流水舌 运动轨迹 第一章 绪 论 岩 坡变 形， 致 使1 9 8 9 年 数十 万 岩体 突 然塌 滑 (9 ( 5 ) 形成飞石或泥雾。当下游水深不足时，激溅起的水体会挟带河床中的 碎石一起飞出，射向下游和两岸，如白山 水电站 1 9 8 6 年9 月泄洪时，挟带起飞 石的最大直径 1 0 c m， 砸坏右岸地面开关站绝缘瓷瓶 1 1 个， 造成停电， 两台机组 停运11 0 1 ;当 下泄水流含沙量大时，浑浊的含泥水雾会污染环境，如黄河上的青 铜峡水电站放水时就产生泥雾， 使露天设备蒙上一层泥污， 影响设备正常性能的 发 挥 8 ( 6 ) 影响工作人员正常工作和居民 生活。 拓溪水电站泄洪时，形成雾化， 弥漫全河槽，在射流入水点后形成长约2 0 0 - 3 0 0 m，升腾高度 1 5 0 m的浓雾区， 宽度布满厂房左侧河谷， 坝下对岸8 0 0 m的山头处、左岸山头的工程局办公大楼 及部分生活区， 正处于雾化区内，泄洪时狂风暴雨，穿堂入室， 无法工作， 被迫 将办公 大 楼迁 往右岸下 游(a 1 . 3挑流水舌运动规律研究进展 人们对挑流水舌的研究始于对挑流水舌挑距的研究， 因为挑流水舌所挟带的 巨大动能会在下游河床一定范围内形成冲刷坑， 它的大小与形态、 距大坝的远近 会对大坝的安全产生很大的影响. 随着研究的深入， 人们认识到水舌的空中扩散、 掺气、 碎裂、 碰撞等对水舌入水点、 入水时的能量分布以及雾化现象等有很大的 影响，因此有关这方面的研究也越来越多，并得出了许多有价值的成果。 1 .3 . 1挑流水舌运动轨迹的研究 较早的研究一般将空中水舌视为单相流体并且只在重力作用下的理想抛射 体运动，并根据理想抛射体运动规律给出了计算水平挑距的理论公式。 美国陆军工程兵团水道实验站考虑射流初始速度、 鼻坎挑角和鼻坎到下游尾 水位的高 程差等因素给出了 挑流水舌水平射距的理论公式n n ; 李崇智根据大量室 内 试验资料和一些原型观测成果得出影响水舌自由 挑射射程的主要因素除了鼻 坎处的流速水头、 鼻坎挑角、 鼻坎高 度和型式、 上游来水条件、 水舌下面通气状 况以 及水舌扩散掺气状况等因素外， 还和鼻坎半径、 单宽流量等因素有关。 通过 室内 试验资 料和原型观测资料分析， 他给出了 水舌最大射距的 经验公 式( 12 : 谭 新贤在溢流坝挑流射程的计算中引入射程系数的概念，提出射程系数值计算曲 线， 供计算挑流射程时查用， 从而简化了挑流射程计算的过程。 他还认为当反弧 半 径 满 足r = 仿 - 1 咖时， 反 弧 半 径 对 射 程 的 影 响 不 大， 因 此 给出了 简 便 的 射 程 计 算 公 式 f3 1 刘宣烈和张文周在考虑重力和空气阻力的影响下， 得出了挑流水舌 运动轨迹 第一章 绪 论 方 程 式， 并 给出了 有空 气阻 力 作 用下 的 挑流 水 舌 水 平 挑 距的 计 算公 式1 4 1 ， 文 献 ( 1 4 得到如下结论:( 1 ) 水舌运动轨迹是不对称的， 其降弧比升弧陡;( 2 ) 水舌的水 平分速度沿程减小; ( 3 ) 水舌断面平均流速的 最小值不在运动轨迹的顶点， 而在 降弧上; ( 4 ) 位于运动轨迹同一高程升弧和降弧的两个断面上的平均流速是不同 的， 升弧上的比降弧上的大; ( 5 ) 水平挑距比不计空气阻力时的情况近。 随后刘 宣烈、刘钧等将空中水舌视为水气两相流在重力和空气阻力作用下的抛射运动， 给出了掺气水舌运动轨迹方程、 水平射距公式以及掺气水舌的入水角、 入水速度 和曲 线 长 度 的 表 达 式 1 5 1 冬俊瑞和刘沛清通过分析射流在空中的流动机理， 提出了基于抛射体原理的 挑距计算公式 1 6 1 。他们把水舌的 扩散、空气阻力和水舌出射角等因素引入计算 公式中， 在纵方向的运动中计及阻力项; 在竖方向的运动方程中计及浮力项; 水 舌的扩散作用仅在计算出的挑距值中加上因扩散而增加的挑距。 刘士和和曲波对 平面充分掺气散裂射流的挑距进行了研究， 得到了考虑掺气及空气阻力影响的水 舌 挑 距 公 式 1 17 1 1 . 3 . 2挑流水舌空中 掺气、扩散的研究 有关水舌掺气和扩散方面的 研究历史较长， 可以 追溯到上世纪五十年代。 郭可诊等通过试验研究得出 三方面的 成果 b 1 : ( 1 ) 射流掺气扩散可以 分为 三个区段:第i 区段为不掺气的清水核心区，长度约为起始断面水深的 1 0 2 0 倍;第1 1 区段为掺气区，其终点没有得到可靠的结论，大致为6 0 - 7 0 倍起始水 深:第i ii 区段为碎裂区;( 2 ) 射流的扩散角接近于平均值2 0 4 0 ，即在第1 1 区 终了前射流上下轨迹的扩张率约为1 : 4 0 . ( 3 ) 断面内单位流量的分布基本上符 合正态分布曲线， 不同流童下的无童纲断面单位流量分布曲线有自模性; cm 嘶 利斯基给出了 距挑流鼻坎x 距离处水舌宽度和水舌厚度的 计算公式 1 9 1 . h - t 法 尔维指出自由跌落水股产生碎裂的主要原因是水流内部的紊动强度， 其次才是四 周空气的作用。 这一点在舒斯特将水股抛射入真空的试验中得到验证。 达多在研 究水股周围的 流速分布时， 发现直到水股开始碎裂之前近似呈对数规律分布2 0 1 姜 信和 通过 量纲 分析 得 到空中 挑 射水 股任意 断 面 平 均含 水浓 度万 和 扩散 厚 度b 的表达式2 1 1 ， 通过模型试验， 他得到三方面的 研究成果: ( 1 ) 空中断面含水 浓度分布具有自 模性， 断面的含水浓度分布不对称， 最大含水浓度偏向下缘; ( 2 ) 断 面 最 大 含水 浓 度与 平 均含 水 浓 度 沿 程变 化， 在 上挑 段 ( 5 s l b a 1 5 ) 水 股 掺 气 量 剧 增， 几曲 线陡 降， 在 挑 射轨 迹的 顶 部 段 ( 2 0 5 时 ， h 1 h o 一 1 .l e k ,(s lh- s r 。 吴持恭和杨永森应用紊动扩散方程和自 模性理论对二维及三维空中自由射 流的 断 面 含水 浓 度分 布 进 行了 理 论 探 讨， 并 提出了 计算 公 式 2 6 1 刘士和和梁在潮在研究平面掺气散裂射流特性时将掺气散裂射流分为水核 区、 水挟气泡区及掺混区三个区域。 引入雷诺假设后， 得到简化的射流时均速度 场 的 控 制 方 程 2 7 1 1 . 3 .3水舌空中 碰撞的研究 表、 中孔水舌空中碰撞消能是高拱坝经常采用的消能技术， 水舌在空中碰撞 使水舌紊动更加剧烈， 掺气量增大， 并喷溅出大量的水滴， 对下游造成一定的雾 化危害。有关这方面的研究起步较晚，研究成果也不是十分完善。 刘沛清等利用流体力学的动量积分方程， 推导出表、 中孔水舌在空中完全碰 撞的有关水力计算公式12 8 1 。 他们假设表、中 孔水舌在空中发生完全碰撞后，两 股水舌合成一体并沿某一方向射出， 在不考虑碰撞点处水体的重量和空气阻力以 及在恒定流的条件下，得出控制方程组。 第一章 绪 论 孙建等在三元流的条件下， 利用动量方程和水舌空中扩散宽度沿程变化规律 导出了3 - d碰撞流速和方位角的计算公式2 9 1 .4挑流泄洪雾化的研究进展 对于挑流泄洪雾化的研究可以分为两大方面， 一方面是对雾化源及雾源量的 研究， 另一方面是对雾化范围与强度的研究。 有关这两方面， 前人做了 很多工作。 1 .4 . 1 挑流泄洪雾化的雾源研究 刘钧认为 水舌断面 单宽的 雾源量应按下式 计算 3 0 。 = 2 u 厂 “ 、 ( 1 一 1 ) 式中，q 为水舌上下缘的雾源量，“ 为 水舌断面的平均流速fl, h 为水舌断面的 厚 度，y 表 示临 界 含水 浓 度厂距 水 舌中 心的 距离。 梁在潮在分析雾化源时， 认为水舌扩散掺气量是雾化源量的主要来源， 并给 出水舌外缘的雾化量1 3 1 1 . ， 一 。 s 9 1q j(u.3h j,e 一 ，.)。，一 、 。 ( 1 - 2 ) 其中 ， q 为 水 舌 外 缘 雾 化 量 ， q 为 单 宽 流 量， 万 为 平 均 含 水 浓 度，厂为 临 界 含 水浓度。 刘士 和 等 根 据 工 程类比 给出 两 股互 碰 射 流的 雾化 量么表 示为 3 2 1 . q 3 = c iq , i + c 2 q p 2 ( 1 - 3 ) 式 中 ， q , , , q p 2 分 别 表 示 两 股 相 碰 水 舌 的 流 量 ， c , 和q为 两 个 系 数 ， 由 水 电 站 泄洪雾化原观资料反馈求得。 1 .4 .2挑流泄洪雾化范围与强度研究 梁在潮等在分析坝下游雾化时， 按其形态将雾化范围分成水舌溅水区、 强暴 雨区、 雾流降雨区和薄雾大风区。 他们重点研究了 溅水区的影响范围， 得出在考 虑多种因素下溅水纵向 距离2 3 1 . 第一章 绪 论 孙建等在三元流的条件下， 利用动量方