李萬軍 雷霄雯 王協(xié)康

高壩泄水霧化機(jī)理探討與防治措施綜述

李萬軍1雷霄雯2王協(xié)康2

（1．四川省水利水電勘測設(shè)計研究院 四川成都 610072；2．四川大學(xué)水利水電學(xué)院 四川成都 610064）

高壩具有落差大、泄洪流量大特點(diǎn)，當(dāng)河谷狹窄時泄水霧化問題尤為突出，可能危及工程安全運(yùn)行，影響大壩消能區(qū)周邊環(huán)境。本文歸納分析了國內(nèi)霧化研究方法與成果，總結(jié)了高壩泄水霧化機(jī)理與防治措施。

泄水 霧化 機(jī)理 防治

1 概述

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，水利水電工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，建于狹窄河谷之中的高壩也愈來愈多。當(dāng)水庫大壩工程水頭高、單寬泄量大、泄洪總功率大時，在挑流、底流、面（戽）流三大類消能方式中，合理選擇消能方式尤為重要。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外高于100m的403座水庫大壩中，采用挑流消能方式的水庫大壩有378座，占93. 8%，且壩高超過200m的高壩中僅有4座采用底流消能方式，其余均采用挑流消能方式，挑流消能方式的泄水霧化問題最為突出。霧化是由過水建筑物泄水而引起的水霧彌漫現(xiàn)象與非自然降雨過程，當(dāng)水庫大壩泄流中產(chǎn)生嚴(yán)重的霧化時，不僅會危及兩岸邊坡穩(wěn)定、影響電站附近電氣設(shè)備正常運(yùn)行、干擾廠區(qū)交通，還會改變下游生態(tài)環(huán)境，如泄水霧化引起壩下游局部區(qū)域能見度降低、空氣濕度增大、降雨強(qiáng)度變化劇烈、溫度突變等現(xiàn)象。泄水霧化成因機(jī)理十分復(fù)雜，它既涉及到過水建筑物泄流水力學(xué)問題，同時與水庫水溫、壩下地形、風(fēng)向等自然條件有關(guān)。許多專家學(xué)者通過模型試驗(yàn)和原型觀測研究泄水霧化，分析推導(dǎo)了一些數(shù)學(xué)估算公式，也有研究人員采用數(shù)學(xué)模型解析霧化問題。大家通過各種方法分析研究霧化形成機(jī)理、霧化范圍及降雨強(qiáng)度，結(jié)合原型觀測資料，提出霧化防治措施。

2 霧化的機(jī)理分析

高壩過水建筑物泄水所產(chǎn)生的霧化是一種復(fù)雜的水～氣混合流現(xiàn)象，其除受過水建筑物的泄水方式、上下游進(jìn)出口水位差、單寬流量、出口流速、水舌入水角度等條件影響外，還與進(jìn)水口取水溫度、出水口風(fēng)向、氣溫等條件以及下游河床及河谷地形地貌等因素有關(guān)。15

通過高壩泄水的原型觀測驗(yàn)證，目前對泄水霧化的形成機(jī)理及霧化分區(qū)已有較統(tǒng)一的認(rèn)識。霧化主要是在過水建筑物挑起水舌和水舌射入下游水面兩個階段形成。過水建筑物挑起水舌形成霧化的機(jī)理是高速水流與建筑物邊界及周圍的空氣摩擦，射流水舌表面產(chǎn)生波紋，引起水流內(nèi)部紊動，出現(xiàn)擴(kuò)散、摻氣、水滴撞擊與飛出，產(chǎn)生霧化現(xiàn)象；而水舌射入下游水面形成霧化的主要機(jī)理是水舌進(jìn)入下游河床水面時，首先與下游的水面發(fā)生碰撞，在下游水體的壓彈效應(yīng)與表面張力作用下，產(chǎn)生水流、水滴的噴濺，濺出的水體受壓力突變、空氣阻力與重力的綜合作用，同時受水舌風(fēng)、下游河谷風(fēng)速的影響，在水舌入水點(diǎn)附近產(chǎn)生升騰、漂浮霧化現(xiàn)象。武漢大學(xué)劉士和、梁在朝等通過大量試驗(yàn)，模擬了水舌入水噴濺的撞擊、濺水和流動3個階段，驗(yàn)證了撞擊力改變了水舌的流速大小和方向，并產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象。噴濺范圍主要取決于噴濺出射角、初始起拋速度、噴濺水滴的大小、下游水面波動與水深、空氣阻力以及水舌風(fēng)的大小。在水舌高速水流帶動下，水舌周邊產(chǎn)生了水舌風(fēng)，進(jìn)一步分散水舌，水滴破碎，飄浮在空中的小粒徑水滴形成水霧，氣流將低層水霧輸送上層形成對流，在消能區(qū)域及附近形成降雨，隨著水霧向四周擴(kuò)展，水霧濃度逐漸變淡，降雨強(qiáng)度也就逐漸減小。

3 泄水霧化分布范圍和降雨強(qiáng)度研究

20世紀(jì)80年代到90年代初期，專家學(xué)者們開始對霧化進(jìn)行比較集中的研究，通過物理模型試驗(yàn)，總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)公式，對霧化有了定量的分析。90年代中期以后，對泄水霧化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了一系列的探討。南京水利科學(xué)研究院的吳時強(qiáng)、吳修鋒、周輝等開展了底流消能方式水電站泄洪霧化模型試驗(yàn)研究；武漢大學(xué)的劉士和、梁在朝深入研究了挑流霧化，重點(diǎn)研究挑流水舌段摻氣散裂射流的特性，霧化流的霧流源量及霧流的側(cè)向擴(kuò)散等關(guān)鍵問題，建立了挑流霧化計算的數(shù)學(xué)模型；天津大學(xué)的張華、練繼建等建立了底流泄水霧化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)灣塘水電站原型觀測數(shù)據(jù)，對底流泄水霧化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了反分析；四川大學(xué)的李渭新、王韋、許唯臨等研究了挑流消能霧化縱橫范圍及降雨強(qiáng)度關(guān)系式；中國水利水電科學(xué)研究院的孫雙科、劉之平通過對部分已建工程的泄水霧化原型觀測資料的收集、歸納、分析，基于量綱分析方法建立了估算泄水霧化降雨縱向邊界的經(jīng)驗(yàn)公式；長江科學(xué)院的陳端、金峰結(jié)合原型觀測和模型試驗(yàn)成果，對泄水霧化雨強(qiáng)的模型進(jìn)行了新的探索，系統(tǒng)研究霧化模型的測試分析技術(shù)，研發(fā)出霧化粒度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

隨著對泄水霧化研究的深入，出現(xiàn)了數(shù)值模擬分析計算新的研究方法，南京水利科學(xué)研究院的陳慧玲、姜樹海、周輝等根據(jù)魯布革水電站工程泄水霧化原型觀測資料，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論推理模式提出了挑流泄水霧化降雨的模糊綜合評判模式和評價方法，可用于分析和預(yù)測霧化降雨強(qiáng)度和影響范圍；中國水利水電科學(xué)研究院的劉之平、戴麗榮，柳海濤等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理非線性的獨(dú)特優(yōu)勢，建立了挑流泄水霧化影響范圍的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型和泄水霧化預(yù)測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的拉西瓦水電站泄水霧化接近實(shí)際情況；天津大學(xué)的練繼建、黃財元采用蒙特卡羅方法，在考慮泄洪消能區(qū)的地形條件和環(huán)境風(fēng)等因素的影響下，建立了挑流泄水霧化數(shù)學(xué)模型，所計算出霧化范圍和降雨強(qiáng)度分布規(guī)律，以及霧化范圍縱向和橫向最遠(yuǎn)點(diǎn)更加接近原型觀測資料；河海大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院的黃國情、吳時強(qiáng)、陳慧玲開展了高壩泄水霧化模型試驗(yàn)研究，依據(jù)二灘、安康、巖灘和小灣等工程的泄水霧化物理模型試驗(yàn)和原型觀測資料與成果，設(shè)計了溪洛渡水電站霧化物理模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，提出了溪洛渡水電站不同運(yùn)行工況下泄水霧化雨強(qiáng)分布規(guī)律。中國水利水電科學(xué)研究院的柳海濤，孫雙科，劉之平改進(jìn)了水舌噴濺的隨機(jī)計算理論，提出的隨機(jī)數(shù)學(xué)模型可反映水舌入水形態(tài)與濺水分布狀態(tài)，具備模擬復(fù)雜地形在風(fēng)場作用下水舌噴濺水的分布能力。長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院的羅福海，李偉，向光紅分析水布埡電站1∶50比尺的泄洪霧化模型成果，類比同類工程原型觀測資料,預(yù)測了霧化的影響范圍,并按P＝1%的泄洪標(biāo)準(zhǔn),確定了霧化的防護(hù)分級、分區(qū)范圍,提出了霧化的安全防護(hù)措施。長江科學(xué)院的韓喜俊，渠立光，程子兵通過對一系列工程霧化防護(hù)措施的調(diào)研，總結(jié)了高壩泄水霧化工程防護(hù)研究成果，提出了不同防護(hù)材料在不同雨強(qiáng)作用下的特性，以及霧化對生態(tài)環(huán)境的影響將是今后研究的重要問題。

多年來主要采用原型觀測、物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬計算3種方法，研究泄水霧化的影響范圍、降雨強(qiáng)度等。大型水利工程過水建筑物大多都進(jìn)行過水力學(xué)模型試驗(yàn)，由于模型的比尺效應(yīng)問題，過水建筑物的水力學(xué)特性在實(shí)際運(yùn)行中是否達(dá)到了設(shè)計要求，尚需通過工程原型觀測驗(yàn)證。泄水霧化的原型觀測內(nèi)容包括泄水霧化影響范圍、霧化降雨強(qiáng)度分布、以及相應(yīng)的水力學(xué)條件（泄洪流量、上下游水位、閘門開啟組合與開度等）與氣象條件（風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、氣壓等）。

通過眾多學(xué)者對泄水霧化機(jī)理、分布范圍和降雨強(qiáng)度的研究，以及一些水庫大壩泄水的原型觀測分析，取得以下共識：

（1）泄水霧化始終伴隨水工建筑物泄洪而產(chǎn)生，隨著泄水落差、流量的增大，泄洪消能越集中，霧區(qū)內(nèi)最大降雨強(qiáng)度也增加。

（2）泄水霧化雨強(qiáng)度、雨區(qū)、雨滴譜特征與泄洪建筑物布置方式、消能方式密切相關(guān)。

（3）霧化雨區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度差異性大，通常以水舌入水處為中心向四周擴(kuò)散，越遠(yuǎn)離水舌中心霧化降雨強(qiáng)度越小，超出泄水孔出口高程以上霧化區(qū)，隨著高程升高降雨強(qiáng)度逐漸減小。

前面案例提及的那位孕媽媽通過醫(yī)生的檢查發(fā)現(xiàn)腫塊形狀規(guī)整，圓形，表面光滑，質(zhì)地韌，可以活動，并做了B超檢查，診斷為乳腺纖維瘤，對孕婦、寶寶均無不良影響，孕期觀察就可以了，產(chǎn)后可以正常哺乳，停止哺乳后可以做手術(shù)切除，全家人終于放心了。

（4）泄水建筑物在相同的泄流條件下，對霧化范圍內(nèi)同一測點(diǎn)，下游自然風(fēng)與水舌風(fēng)同向時霧化降雨強(qiáng)度增大，反之則減?。煌瑫r，若該測點(diǎn)臨近陡坡則霧化降雨強(qiáng)度增大，遠(yuǎn)離陡坡則減小。

（5）泄水霧化降雨強(qiáng)度、范圍也與霧化區(qū)河谷地形密切相關(guān)，當(dāng)壩址下游河谷狹窄、山坡陡峭、沖溝發(fā)育時，水舌入水激濺的霧化范圍覆蓋陡峭山坡或沖溝時，可改變雨區(qū)、霧區(qū)形狀，增加山坡、沖溝降雨量，可能在沖溝形成較大流量的洪水。

4 泄水霧化的危害及防護(hù)

分析高壩泄水霧化的機(jī)理，過水建筑物下游消能區(qū)形成的霧化是一種不可避免的自然現(xiàn)象，對工程與環(huán)境兩方面造成影響。工程影響方面主要表現(xiàn)在泄水霧化直接威脅到廠房、開關(guān)站、廠區(qū)道路等水工建筑物和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，并危及進(jìn)廠交通以及下游兩岸邊坡的穩(wěn)定；而環(huán)境影響方面主要包括霧化水霧彌漫與非自然降雨過程對自然景觀、周邊居民的日常工作與生活等都可能產(chǎn)生一定的影響。因此應(yīng)采取合理的防護(hù)措施，預(yù)防泄水霧化對水工建筑物與電氣設(shè)備正常運(yùn)行以及周邊環(huán)境的危害與影響。

（1)水電站廠房淹沒及防護(hù)措施

下游霧化區(qū)內(nèi)形成暴雨徑流時，當(dāng)電站廠房排水不暢，將使廠房進(jìn)水造成積水。如1980年黃龍灘水電站遭受50年一遇洪水，洪水流量為11500m3/s。為保障水庫大壩安全，要求6個潛孔及深孔參加泄洪，歷時33h。水流經(jīng)差動式鼻坎水舌挑射向空中，入水點(diǎn)正好在廠房附近。泄水產(chǎn)生霧化區(qū)，籠罩了水電站廠區(qū)，形成暴雨強(qiáng)度約3600 mm /h, 電站廠房內(nèi)的發(fā)電機(jī)室積水深達(dá)3.9m，停止發(fā)電49天，少發(fā)電兩億度，損失慘重。

為保證水電站廠房正常運(yùn)行，可采取在進(jìn)廠房門前修建擋水門工程防護(hù)措施，大壩泄水前，關(guān)閉擋水門，防止霧化強(qiáng)降雨水進(jìn)入廠房。其次采用非工程措施，加強(qiáng)水文預(yù)報，優(yōu)化過水建筑物的調(diào)度方式，使挑射水舌入水點(diǎn)盡可能遠(yuǎn)離廠房。

（2)輸配電設(shè)備損壞及防護(hù)措施

受霧化影響,引起正常運(yùn)行輸配電設(shè)備或線路產(chǎn)生放電、閃絡(luò)、跳閘等，造成輸電線路斷電。如新安江水電站在1983年汛期水庫大壩泄洪時，因下泄水流霧化產(chǎn)生的降雨，使距壩下150m左右處220kV變壓器站7跨中有2跨跳閘，機(jī)組被迫停機(jī)。劉家峽水電站春季泄水時，因霧化在輸電線鐵塔上冰凍，形成冰掛而迫使線路停電。

對已建工程的輸配電設(shè)備或線路，可采取在霧化區(qū)外修建備用設(shè)備或改建輸電線路工程措施，當(dāng)泄水時啟用備用輸電線路。優(yōu)化水庫調(diào)度方式，降低庫水位或調(diào)整泄水時段等非工程措施，減小霧化影響。

（3)進(jìn)廠交通中斷及恢復(fù)措施

新安江、鳳灘、劉家峽等電站的進(jìn)廠交通受泄水霧化影響，形成傾盆暴雨，并伴隨著風(fēng)速10 m／s以上的大風(fēng)，造成廠區(qū)交通中斷。

對汛期還承擔(dān)大流量的進(jìn)廠通道，在霧化區(qū)的影響范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)置防霧廊道，保障進(jìn)廠交通的通暢。如劉家峽水電站進(jìn)廠公路穿過左岸溢洪道泄水霧化形成的強(qiáng)降雨區(qū)時，專門修建了200m長的防霧廊道；當(dāng)汛期水電站廠房不發(fā)電或交通流量不大時，可臨時禁止車輛通行，并設(shè)置警示標(biāo)志。

（4) 兩岸邊坡的失穩(wěn)及加固處理措施

霧化形成的降雨浸入巖體后，一方面降低巖（土）體邊坡的抗滑指標(biāo)，另一方面增加了巖（土）體內(nèi)的滲透力，使霧化區(qū)兩岸邊坡抗滑穩(wěn)定性降低，誘發(fā)邊坡滑坡。如龍羊峽水電站距離壩軸線下游300m處的右岸巖體邊坡,在泄水霧化作用下發(fā)生了滑坡，失穩(wěn)方量約81萬m3，其中17萬m3巖土滑入河床。李家峽水電站也因泄水霧化降雨，雨水滲入巖體發(fā)育的節(jié)理裂隙中，造成泄水消能區(qū)左岸邊坡失穩(wěn)，并危及水工建筑物的安全。

對泄水霧化可能引起霧化區(qū)兩岸邊坡的穩(wěn)定問題，首先要加強(qiáng)工程地質(zhì)勘測工作，分析確定不穩(wěn)定邊坡，采取挖除或錨固、抗滑樁等處理措施，保持邊坡穩(wěn)定。同時加強(qiáng)泄水霧化區(qū)的模型試驗(yàn)和原型觀測，明確霧化雨強(qiáng)及范圍，做好邊坡排水與防護(hù)等工程措施。

（5) 影響下游生態(tài)環(huán)境的對策

柘溪水電站泄洪時，在射流入水點(diǎn)的消能區(qū)形成長約200～300m、升騰高度達(dá)150m的霧化，彌漫擴(kuò)散到壩下800m處，使位于左岸山頭的工程局辦公大樓及部分生活區(qū)內(nèi)，狂風(fēng)暴雨穿堂入室，改變了原氣候環(huán)境，影響正常工作和生活，為此辦公室大樓和部門生活區(qū)被迫遷到右岸。

5 結(jié)語

（1）泄水霧化是由過水建筑物泄洪而引起的水霧彌漫現(xiàn)象與非自然降雨過程。在挑流、底流、面（戽）流三大類消能方式中，挑流消能方式的泄水霧化問題最為突出。

（2）泄水霧化通過物理模型試驗(yàn)?zāi)芏棵枋鲮F化范圍和降雨強(qiáng)度的趨勢，直觀性較好，可重復(fù)試驗(yàn)，可預(yù)測工程的泄水霧化問題。但物理模型試驗(yàn)存在模型與原型相似關(guān)系，不同比尺模型測試霧化范圍、降雨強(qiáng)度有所不同的問題，以及物理模型局限于所試驗(yàn)研究的具體工程，其適用性、普遍性較差，還應(yīng)建立與原型的對應(yīng)關(guān)系。

（3）數(shù)學(xué)模型可結(jié)合原型觀測資料，建立各種影響因素與霧化范圍和降雨強(qiáng)度的關(guān)系，能夠模擬泄水霧化各種影響因素，預(yù)測霧化范圍與降雨強(qiáng)度，為工程防護(hù)霧化提供技術(shù)依據(jù)。

（4）泄水霧化原型觀測是研究霧化的主要方法之一，收集大量的已建工程泄水原型觀測數(shù)據(jù)、資料，分析擬合霧化分區(qū)、降雨強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，可指導(dǎo)、修正物理模型和數(shù)學(xué)模型的研究。高壩的消能工選擇挑流方式時，應(yīng)進(jìn)行泄水霧化原型觀測。

（5）鑒于泄水霧化的因素較多，三種主要研究方法各有特長，霧化研究應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，可采取相互利用、融合、提高的綜合方法，進(jìn)一步系統(tǒng)、全面、深入的研究泄水霧化問題。

（6）合理的泄水建筑物布置、消能方式的選擇，是防止泄水霧化危害的根本，而泄水霧化的物理模型、數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)以及原型觀測研究為水工建筑物布置、選型提供了技術(shù)支撐。

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15作者簡介：李萬軍（1969年—），男，教授級高級工程師。