生态环境友好的消能技术——内消能的研究及应用.pdf

水 利 学 报 2008年10月 SHUILIXUEBAO 第39卷第10期 文章编号：0559-9350(2008)10·1176—07 生态环境友好的消能技术——内消能的研究与应用 高季章，董兴林，刘继广 (中国水利水电科学研究院，北京100038) 摘要：本文从生态环境友好的角度阐述了内消能技术的优点。总结了国内外在这方面的研究与应用的进展，介绍 了内消能的主要关键技术。通过小浪底和公伯峡两个工程的水力学与结构原型观测资料与模型试验资料的分析， 指出正确设计和施工质量良好的内消能泄水建筑物能够安全运行，对今后相关技术的研究方向与应用提出了建 议。 关键词：生态环境友好；内消能；空蚀；掺气坎 中图分类号：Tvl35．2 文献标识码：A 1从生态环境友好的角度重新认识内消能技术 泄洪消能设施是水利枢纽的重要组成部分之一。传统的消能方式为挑流、底流、面流，以及在此基 础上发展出的戽流、混合流及各类新型消能工。20世纪30年代开始就有利用导流洞修建斜井(龙抬 头)式及竖井式泄洪洞，并且在洞的出口采用挑流消能的泄洪消能型式，但运行结果引起河床冲刷、岸边 塌方和雾化现象，同时在洞内与导流洞连接的反弧段下游常发生空蚀破坏。例如美国在30年代末修建 的胡佛坝斜井式泄洪洞，第一次放水就发生了大破坏，1967年的黄尾坝和1983年格林峡坝的斜井式泄 洪洞都相继破坏…，我国黄河的刘家峡泄洪洞在建成试水时，由于挑流雾化携带泥沙，不仅污染了环境， 同时使高压变电站短路，中断了电力输送，接着在1972年放水时发生了严重的空蚀破坏。二滩水电站 在1999年9．12月进行的泄洪雾化原型观测㈦1，试验结果1’、2’泄洪洞单独放水时，雾化在对岸形成 的最大降雨量达1000mm／h，对山体和植被产生极大的破坏力。当拱坝7个表孔全开时最大降雨量 305mrn／h，而将6个表孔和3个中孔联合泄洪时，最大降雨量竟然达到I136mrrdh，引起了岸边山体局部 滑坡。这就警示，虽然水舌碰撞可使消能率大为增加，但是却会由于雾化形成的特大暴雨量，带来灾害。 紧接着在2001年，设置两道通气槽的二滩1’泄洪洞，积累运行了180d后，在反弧段末端也发生了严重 空蚀破坏。 由于传统泄洪洞的洞内消能率只有20％，流速大，出VI雾化严重，不仅给环境造成很大的危害，同 时自身的安全也难保。泄水建筑物的空蚀和雾化是一对“孪生肿瘤”，只有改变消能方式才能铲除，也就 是说，要从生态环境友好的概念来研究现代泄水建筑物的消能工。水利水电工程对生态环境的影响成 为工程可行性的制约条件之一，泄洪消能设施对生态环境的影响及减免空蚀成为重要的研究方向。在 评价消能设施的优劣时，引人生态环境友好的概念后，人们的认识就会发生很大的变化。 在挑流、底流、面流三大消能方式中，挑流是最适合高坝的，它的工程量最小、施工也比较简单，在国 内外广泛采用。但是到了20世纪后期，一些发达国家却采用了工程量大，成本高的底流消能工。探讨 其原因是，外国专家主要考虑要减轻雾化对岸坡植被的影响。我国金沙江向家坝的泄洪消能方案，从技 收稿日期：2008．08．14 作者简介：高季章(1944一)，男，重庆酉阳人，教授级高级工程师．主要从事水利水电工程泄洪消能与可再生能源研究。 E—mail：gaojz@iwhr．com 一1176— 万方数据 术、经济、安全等方面看，显然采用挑流消能足适合的，但是由于消能区下游附近有工厂和居民生活区， 对挑流雾化的影响非常敏感，因此不得不采用了工程量大、施工困难的底流消能方案。 通观上述，为了克复结构物空蚀破坏及防止雾化给环境带来的严重危害，同时为了减小工程投资， 水利专家从20世纪80年代开始就把研究重点放在内部消能问题上。从生态环境友好的角度重新认识 各类消能技术，就会发现内消能技术具有下述优点：(1)改建泄洪洞的工程量小，能充分地利用导流洞。 新型泄洪洞通常在导流洞上开挖竖井，在竖井或导流洞内采用旋流分散消能，工程量小，施工易。而传 统泄洪洞的斜井纵轴线必须同导流洞的轴线一致，这就减小了导流洞的利用率，加大了新开挖洞工程 量。同时斜洞施工难。若在洞的出口开挖消力池工程量很大；(2)洞内消能工的消能率高，可消除雾化 改善生态环境。