我国水工水力学研究的发展趋势探析

中国在21世纪前20年还将建设一批大型、巨型水电站,拱坝坝高在300m 左右,混凝土面板坝和碾压混凝土坝坝高超过200m,工程大部分位于西南的高山峡谷地区,如向家坝、溪洛渡、白鹤滩,乌东德、澜沧江上的小湾、糯扎渡,雅砻江上的锦屏一级、二级,乌江上的构皮滩,红水河上的龙滩,黄河上游的拉西瓦等。水头高、泄洪流量大是建设这些高坝的显著的水力学特点。如溪洛渡工程,设计流量约为50000m3/s,坝高278m,泄洪功率超过100000MW,居世界首位,能量集中,消能难度大。虽然我们已取得了二滩、小浪底、三峡等一大批水电工程的泄洪运行经验,但投入运行的、坝高超过200m 的还只有二滩工程一个,正在运行的工程中也暴露出一些前期研究工作中尚未得到充分认识的问题,面对目前正在施工和设计的一大批高坝,还需要开展更加深入细致地研究工作,还要不断地有所创新、有所发展。西方发达国家的建坝高峰已过去了近20年,我国目前大坝建设工程的规模和泄洪消能难度普遍要高于国外工程,因此我国大坝建设中的水工水力学发展水平基本代表了国际领先水平。我国高坝工程建设在21世纪将面临新的机遇与挑战,也将为我国的现代高坝科学技术理论与应用研究登上新的高峰提供了重要的舞台。为此还更应该加强基础性科学的研究,特别是在机理方面,如空化空蚀、掺气减蚀、基岩冲刷破坏机理、泄洪雾化、模型比尺效应、高水头大流量底流消能问题以及泄水建筑物的运行安全等,在测量手段上和复杂流场的数值模拟上还需要大力加强,以满足我国水电工程建设的需要。从水电工程建设与可持续发展角度看,还应该更多地研究与环境生态友好的泄水建筑物的设计与运行方式问题。

国际大坝委员会(ICOLD)自成立以来已召开了21届大会和72届年会,共开展了83个技术专题的研讨,出版了128本技术公报。历届大会与水力学有关的技术主题和出版的技术公报归纳见表5-1和表5-2。

表5-1　国际大坝会议专题内容——水力学及水工水力学技术专题

表5-2　国际大坝委员会——水工水力学技术公报

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从国际大坝委员会70余年关注的水力学问题看有以下两个特点:

(1)有关大坝水力学及水库环境问题研究的专题有11个(占13.2%)、已出版的专业技术公报20本(占15%左右),表明水力学问题在国际大坝的建设和管理中得到充分的关注,这是关系到大坝及下游人群的安全、生态环境的保护以及可持续发展的问题。

(2)从专题和公报内容看,在20世纪70～80年代以前,国际大坝会议在水力学方面的关注点主要是工程水力学问题,即泄洪消能与高速水流等。20世纪80年代以后,其关注点逐渐转向到水库运行管理、生态环境保护;但对一些关于防洪标准、泄水建筑物的泄洪安全问题始终是得到高度的关注。

国际水力学工程研究协会(IAHR)自成立以来,已召开了30届大会(每2年召开一次)。近15年来,IAHR 组织国际上的专家编写的水力学科方面专著和设计手册,在已出版的9部设计手册中,反映水力学的有8部,为:①进水口旋涡(1987);②冲刷(1991);③动水压力(1991);④明渠水流掺气(1991);⑤水质及其控制(1994);⑥水流诱发震动——工程师导则(1993);⑦泄洪水流特性(1994);⑧消能工(1995)。出版的专著主要是有关河流泥沙问题研究成果。

与国际大坝委员会的研究重点有相类似的情况,早年水工水力学研究成果是大会论文的重点,所占比重比较大。随着国际上水电工程建设的高峰期已过,这类的论文数量逐届减少,而有关生态环境、泥沙、洪水管理、计算水力学等领域的论文数量增加很快,学术期刊的研究论文也有同样的趋势。

我国西部是水电能源的基地,同时也是生态脆弱的地区。因此在这些地方建设大型水利水电工程,其水力学研究方向应以保证工程泄洪安全—经济合理—有利于生态环保三大目标的实现,同时推动基础学科的发展。从长远发展的角度看,当大规模的建设高峰期过去以后,面对更多的是工程的运行与管理,关注点逐渐走向水库大坝的泄洪安全、溃坝风险分析以及管理对策、水库运行与环境效益,这也应是我国水利水电工程建设和水库大坝管理必须经历的过程。