试论高坝工程泄洪消能的特点与研究论文
一、高坝泄洪消能的研究
高拱坝坝身泄洪消能
从国内现状看，高拱坝已成为大型水电站的主选坝型之一，在泄水建筑物布置上大多采用坝身开孔泄洪与岸边溢洪道或泄洪洞分流的总体布置构架。
1998年我国建成的二滩水电站采用了“坝身表孔+深孔双层泄水孔口布置、下游设水垫塘与二道坝、通过水舌碰撞促进消能、并辅以岸边泄洪洞泄洪”的泄水建筑物布置格局与消能模式，建成后经数年实际泄洪考验，表明是成功的。
为有效控制水垫塘底板最大冲击压强(一般要求不大于15×9.8kPa)，目前较多采用出射角度不等的大差动布置型式，通过分散挑流水舌的入水能量，达到降低水垫塘底板冲击压强的目的，而采用溢流前缘为舌形的出口鼻坎以及在出口鼻坎上增设分流齿坎也是行之有效的工程措施。除此之外，目前正在积极开展如下非碰撞式坝身泄洪消能布置及深厚覆盖层条件下高拱坝坝身泄洪消能布置两方面的。
高水头大流量底流消能
底流消能是一种传统的消能方式，其具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。但从国内外的运用情况看，底流消能在大型高坝水电工程中所占的比例远远低于挑流消能。主要有经济和技术两方面因素。一方面，底流消能需要要修建造价昂贵的底流消力池，工程投资较大;另一方面，由于高坝工程工作水头高，致使消力池临底流速很高，难于保证消力池自身的泄洪安全。然而，与挑流消能相比，底流消能更能适应地质条件欠佳的坝址，而且底流消能引起的泄洪雾化很小，对周边环境影响较小，尤其在目前人们对高坝泄洪雾化等环境问题日益重视的现状下，底流消能方式具有独特优势。我国近期投入开发的大型水电站如向家坝、官地等都采用了底流消能方式，就是很好的实例。另外，值得指出的是，我国官地水电站还采用了斜边墙底流消力池布置型式。研究表明，这种布置方式能够顺应下游河道的.地形条件，减少直立边墙底流消力池的施工难度与工程投资，同时也增大了消能水体体积。
高水头大流量溢洪道与泄洪洞
土石坝与拱坝是目前我国高坝工程的主要坝型，岸边泄洪洞与溢洪道则是土石坝与高拱坝工程常见的泄水建筑物布置方式。对土石坝工程而言，由于坝身不能过流，岸边溢洪道与泄洪洞是最为关键的泄水建筑物;对高拱坝而言，泄洪洞往往是坝身泄洪设施的重要补充。为了确保高拱坝的运行安全与水垫塘检修，我国高拱坝在水力设计中大都采用了坝身泄洪与岸边泄洪洞并重的设计思路，岸边泄洪洞单独泄洪可以满足宣泄常年洪水的任务。
对于高水头大流量的溢洪道与泄洪洞而言，一般都存在如下两方面的水力学技术难题需要认真解决：一是高流速泄槽段的掺气减蚀问题;二是出口鼻坎的体型优化与下游消能防冲问题。针对这一问题，我国学者进行了大量的探索性研究，在传统掺气坎布置型式的基础上，相继提出了高速泄槽侧壁的掺气减蚀、U型掺气坎、平面凹型掺气坎、V型掺气坎、变底坡掺气坎等新的掺气坎布置型式，部分研究成果已经得到设计与工程采用。
高坝泄洪雾化问题
泄洪雾化是一个非常复杂的水、气两相流物理现象，其影响因素众多，包括泄水建筑物的体型及泄洪方式、上下游水位差、流量、入水流速与角度、下游水垫深度、下游地形、当地气象条件等都是有关联的影响因素，同时在时间上也有其随机性的一面，因此研究难度很大。
近年来，孙双科等基于国内多座已建工程泄洪雾化的原型观测资料，采用统计分析、工程类比、以及人工神经网络预测方法，建立了一套定量预测泄洪雾化影响范围与降雨强度分布的经验公式与基于空间任意坐标点处泄洪雾化降雨强度的人工神经网络预测模型，并在小湾、瀑布沟、双江口、亚碧罗等水电站泄洪雾化预测研究中得到了运用。
二、展望
我国目前正处于水电建设高峰期，而且还将持续一段时间，高坝泄洪消能技术研究具有广泛的技术需求和良好的发展前景，围绕一系列的高坝建设，还有大量的研究工作要做，也必将进一步促进高坝泄洪消能技术的进一步发展。在今后的研究工作中，需重视并关注如下问题：
(1)高坝泄洪消能技术的基础性理论研究。从发展历史与现状看，高坝泄洪消能仍然是一门实践性很强的应用性学科，其研究方法目前仍以试验研究为主要技术手段，在解决实际工程问题时，往往需要与已建工程成败的经验教训与研究者的经验积累。尽管如此，同其它学科一样基础理论方面的研究依然十分重要，理论研究与发展的不足，制约了学科的进一步发展。而目前，大量研究工作由于客观条件限制往往只能立足于解决具体工程的生产实际问题，而缺乏系统而深入的总结归纳与理论分析，致使该学科的基础理论研究相对比较薄弱且进展缓慢。
(2)高坝建设中环境制约因素的研究。当前我国的水电开发已进入生态环境制约的发展阶段，在不断获取效益的同时，人们对高坝建设的环境影响问题日益关注。因此，必须重视高坝建设中的环境影响问题，并积极寻求减免其不利影响的工程措施与非工程措施。仅工程措施而言，与高坝泄洪消能研究相关的包括低雾化泄洪消能技术、泄洪雾化预测、鱼道水力学、分层取水水力学等。
(3)枢纽安全运行和科学管理问题。随着我国一大批巨型水电站的不断建成与投产，高坝安全运行与科学管理问题将会日益受到各方面的高度关注。我国已建的一些高坝工程虽然其规模与技术难度与目前在建中的大型工程相比尚有一定差距，但有的已出现这样或那样的破坏，从抗御风险确保工程安全的角度出发，应高度重视对巨型水电工程泄洪安全与运行调度方式等的深入研究，包括建立泄洪安全的评价指标体系与分析方法，进一步完善泄水建筑物的水力学安全监测技术等。
(4)水力学原型观测研究。水力学原型观测可以有效弥补并修正水工模型试验中缩尺因素的影响，从而正确认识泄水建筑物的水力特性并对其安全运行提出合理建议。因此，对水力学原型观测的实施方法、资料的归纳整理与深入分析也是值得重视的研究方向。
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