高壩泄洪安全關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘 要】我國(guó)水電水利工程在排洪方面的主要特點(diǎn)是高水位、大流量、泄流功率大等。 所以泄流安防方面的出現(xiàn)問題十分明顯。文中探討了在大壩泄流震蕩控制、泄流釋能安保、泄流霧化安保、泄流安全預(yù)警混氣減腐等方面理論研究的進(jìn)展， 指出了關(guān)于泄流安全性的技術(shù)途徑， 可供有關(guān)工程技術(shù)人員作為研究參考。

【關(guān)鍵詞】大壩泄流；釋能；安全預(yù)警

近二十年來(lái)一批三百米左右的大壩或超大壩在水能資源儲(chǔ)備較多的西部地區(qū)相繼開始建設(shè)。這些工程在泄流釋能方面面臨的問題主要是流量猛、水位高、河谷狹長(zhǎng)、泄流功率大、地質(zhì)條件特別紛亂等， 這自然增加了泄流釋能方面問題解決的難度。已成為當(dāng)前水電水利工程的策劃與運(yùn)行安全的控制因素。跟國(guó)外目前已有大壩的泄流功耗和泄流流量相比， 中國(guó)的策劃跟在建中的大壩都已超過目前世界最領(lǐng)先水平、居領(lǐng)先地位。

1.釋能安保

大壩泄流中最常見的形式為下游釋能水塘安保布局被破壞。提高大壩泄流釋能維護(hù)安全性的策劃措施主要是：（1）優(yōu)化泄流布置，分散洪流能量，提高釋能率，減少負(fù)載；（2）優(yōu)化布局策劃， 提高構(gòu)造抗力。

1.1優(yōu)化泄流布置

目前，我國(guó)高拱壩在泄流釋能方面多結(jié)合下游水塘的泄流釋能形式選擇深層跌流等方面聯(lián)合泄流方式，為了減輕下大壩泄洪流會(huì)對(duì)水基板造成的洪流沖擊壓力，就需要須盡量減小入射洪流沖擊在水塘上的集中強(qiáng)度。多選擇壩身深洞挑流、泄流表洞大差，使下泄洪流被橫向散射，縱向分層拉開，使洪流在空中相互撞擊，用來(lái)減少泄流對(duì)水塘的沖擊力。也能夠采用深洞窄縫挑坎寬尾墩的形式，使下泄流流形成窄長(zhǎng)的深洞洪流動(dòng)態(tài)，深洞和表洞洪流在空中互相穿插下泄，該過程中不斷發(fā)生碰撞，有利于降低泄流時(shí)霧化的強(qiáng)度，能夠促使水塘基板沖擊動(dòng)壓減小。

1.2優(yōu)化釋力塘安保布局

大壩下游的釋力塘安保布局形式主要包括：反拱基板、平基板、護(hù)坡不護(hù)底等。大壩的釋力塘的基板被破壞的實(shí)例較多，練繼建等人研究了各種大壩安保布局的破壞模式。還包括基板塊斷裂破壞的新破壞模式結(jié)合拉西瓦、向家壩等工程的釋力塘模型試驗(yàn)，得出的沖擊壓強(qiáng)、點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)、上舉力的統(tǒng)計(jì)量化關(guān)系可供策劃參考。

基于粘結(jié)滑移理論，non-linear接觸理論，練繼建等人研究出一種non-linear耦合靜動(dòng)力分析方法，模擬大壩錨固鋼筋產(chǎn)生的粘結(jié)滑移，釋力塘和基板之間的接縫以及拱座、基板、基巖和邊坡間的接觸面， 能夠反饋釋力塘反拱基板與失穩(wěn)機(jī)制的受力特點(diǎn)。該模型對(duì)反拱釋力塘布局在動(dòng)力負(fù)載或靜力負(fù)載下的non-linear耦合響應(yīng)進(jìn)行分析。[1]

2.泄流顛簸控制

2.1泄流顛簸模擬試驗(yàn)與原型勘查驗(yàn)證

大壩排水布局全水彈性試驗(yàn)?zāi)M指的是能夠全方位模擬布局體系動(dòng)力特性、水動(dòng)力特性及洪流布局耦合動(dòng)力效應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)M， 即洪流動(dòng)力負(fù)載、水體、布局、基礎(chǔ)四位一體的耦合動(dòng)力系統(tǒng)的模擬。

進(jìn)行大壩排水布局全水彈性試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是洪流動(dòng)力負(fù)載洪流脈動(dòng)壓力近似律， 其中洪流脈動(dòng)頻率壓力近似律是近似理論研究中理論難題。通過模型原型對(duì)比與系列比尺模型試驗(yàn)分析說(shuō)明脈動(dòng)壓力頻譜與重力近似律相符合。

研究各類重大排水布局可采用采用全水彈性模型試驗(yàn)（水工閘門、高薄拱壩、導(dǎo)墻、溢流廠房等） 的顛簸響應(yīng)特性和流固耦合模態(tài)特性。運(yùn)用全水彈性模型能夠模擬附屬布局、水體等對(duì)排水布局模態(tài)特性的影響， 基于水彈性模型對(duì)排水布局的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試識(shí)別， 能夠揭示出排水布局的耦合動(dòng)力系統(tǒng)模態(tài)特性。

2.2泄流顛簸響應(yīng)分析與排水布局優(yōu)化策劃

在對(duì)大壩排水布局耦合力響應(yīng)的研究中，關(guān)鍵是正確認(rèn)識(shí)洪流脈動(dòng)負(fù)載時(shí)空相關(guān)特性，來(lái)提高大壩排水布局的流激顛簸響應(yīng)方面的預(yù)測(cè)精確度；練繼建等把遺傳算法與耦合顛簸理論相結(jié)合，提出了排水布局顛簸的響應(yīng)以及振源的反饋分析法，能夠反饋分析各激振源負(fù)載的外延和修正、整體特征試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)利用有限的動(dòng)力響應(yīng)的實(shí)測(cè)值來(lái)反映出布局的整體動(dòng)力響應(yīng)場(chǎng)與最大值。

2.3基于泄流共振響應(yīng)的排水構(gòu)造損傷的動(dòng)態(tài)檢測(cè)診斷

隨著我國(guó)大量大型的水利水電工程的建成運(yùn)行，對(duì)重大排水布局動(dòng)態(tài)檢測(cè)診斷技術(shù)的需求也顯得日益迫切。以大壩排水布局的工作環(huán)境紛亂的特點(diǎn)出發(fā)，近年來(lái)我國(guó)提出了基于排水激勵(lì)奇異熵定階降噪的排水布局顛簸模態(tài)ERA的損傷評(píng)估方法與識(shí)別方法，建立了排水布局安全動(dòng)態(tài)診斷檢測(cè)系統(tǒng)，以及排水布局的模態(tài)參數(shù)。

3.泄流霧化安保

水電站泄流時(shí)，會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生特大濃霧或降雨，對(duì)樞紐電站設(shè)備和建筑物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、周圍環(huán)境、交通安全、以及邊坡穩(wěn)定等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以泄流霧化安保是水利水電工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。泄流霧化是一種非常紛亂的水汽二相流，其運(yùn)動(dòng)方式既受泄流流量、水頭和泄流方法的影響， 又受當(dāng)?shù)氐匦巍庀髿夂虻葪l件的制約，涉及到空氣動(dòng)力學(xué)水力學(xué)、和降水物理學(xué)等諸多學(xué)科問題。不管是原型勘查，還是數(shù)值模擬或者物理模型試驗(yàn)都是有很大難度的。[2]

4.摻氣減蝕

泄水建筑往往在高速洪流作用下容易發(fā)生空蝕破壞現(xiàn)象，在工程中一般會(huì)采用強(qiáng)迫摻氣減蝕的方法，近年來(lái)，在對(duì)摻氣減蝕設(shè)備防回水、防止側(cè)墻摻氣減蝕等設(shè)備的研究取得了一定的進(jìn)展 。以往在維護(hù)過流面基板時(shí)往往會(huì)忽視其側(cè)墻。為了減輕低壓區(qū)域和高流速區(qū)域的側(cè)墻產(chǎn)生空化空蝕，開發(fā)新的側(cè)墻摻氣減蝕技術(shù)。實(shí)踐證明，如果反弧段摻氣坎的空氣如果受到反弧段離心力的影響，里面的氣泡就會(huì)加速上浮，達(dá)到反弧末端的時(shí)候摻氣濃度已經(jīng)降得很低，而此時(shí)反弧段下面自摻氣向全深水尚不充分散射，導(dǎo)致反弧段后面就很容易出現(xiàn)清水三角區(qū)。反弧末端如果采用側(cè)墻貼角就能夠形成側(cè)空腔來(lái)進(jìn)行側(cè)摻氣， 即使有較小的側(cè)空腔，也能夠顯著改善反弧段下方的近壁摻氣效果， 有削減原邊墻清水區(qū)。

5.安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警

提高泄水建筑物安全性的包括是通過變更泄水建筑物的策劃理念， 做好其安全儲(chǔ)備工作；實(shí)施有效的科學(xué)診斷、安全監(jiān)控、及時(shí)預(yù)警， 盡量避免災(zāi)難性的安全事故發(fā)生。以往主是以優(yōu)化泄水建筑物的策劃來(lái)提高建筑安全性，現(xiàn)在是依靠對(duì)水工模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并利用數(shù)學(xué)模擬的成果來(lái)提高安全性。水工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似率有時(shí)候與工程實(shí)際存在有一定偏差。目前仍急需通過原型、模型的綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)反饋、對(duì)比析來(lái)深入探索、鉆研、討論近似率的問題對(duì)泄流安全與各水力要素之間的影響。水電站在策劃初的工作一般是選擇特定的水位流量下的水力學(xué)問題進(jìn)行研討工作，但其結(jié)果難以具體反映出工程在實(shí)際的運(yùn)行中可能會(huì)發(fā)生的不利狀況。[3]

6.結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)依然有大批的世界級(jí)的大壩水利水電工程正在準(zhǔn)備建設(shè)中，水力學(xué)理論技術(shù)的發(fā)展水平與我國(guó)大壩工程對(duì)經(jīng)濟(jì)性與安全性的要求仍有許多差距。還迫切需加強(qiáng)三個(gè)方面的研究：一是在目前大壩工程針對(duì)特殊洪流的機(jī)理與計(jì)算方法的研究。二是關(guān)于繼續(xù)進(jìn)行大壩泄流新技術(shù)的開發(fā)。三是針對(duì)大壩排水的布局，使用過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、診斷、控制和預(yù)警提出新的理論與技術(shù)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李乃穩(wěn)，許唯臨，周茂林，田忠.高拱壩壩身表孔和深孔水流無(wú)碰撞泄洪消能試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2008（08）.

[2]楊弘，練繼建，馮永祥，王鋒輝.高壩水墊塘泄洪安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008（03）.

[3]練繼建，李松輝.基于支持向量機(jī)和模態(tài)參數(shù)識(shí)別的導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)損傷診斷研究[J].水利學(xué)報(bào)，2008（06）.