慕洪友，婁威立，鄭雪玉

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院，貴州省貴陽市 550081）

0 引言

霧化是高壩泄洪特有的現(xiàn)象，霧化引起的暴雨對邊坡穩(wěn)定極為不利，對建筑物和電器設(shè)備產(chǎn)生較大威脅，影響壩區(qū)交通，二灘水電站兩條泄洪洞全開時，雨強達到1000mm/h，霧化降雨致交通中斷，兩岸山體風(fēng)化巖土滑落[1]，龍羊峽水電站300m遠處的右岸巖體在霧雨作用下發(fā)生了滑坡，81萬m3山體失穩(wěn)，其中17萬m3巖土滑入河床；李家峽水電站也因霧化降雨嚴重，造成泄洪左岸山體滑坡，進廠交通中斷[2]，黃龍灘水電站1980年遭受50年一遇洪水，泄洪水舌入水點在廠房附近，產(chǎn)生暴雨強度3600mm/h，發(fā)電機室積水3.9m，停機49天[3]。泄洪霧化問題嚴重影響水電站安全，已成為高壩工程建設(shè)的重要課題。

國內(nèi)外學(xué)者主要從理論分析、數(shù)值模擬、模型實驗、原型觀測4個方面研究泄洪霧化。梁在潮[4]、劉士和[5]等對摻氣水舌空中運動及入水噴濺特性進行理論分析，構(gòu)建了考慮水舌風(fēng)等各因素下霧化水流影響范圍計算式。劉宣烈[6]采用近景立體攝影和電阻式摻氣儀對三元空中水舌擴散特性進行研究，獲得了三元水舌縱橫向擴散規(guī)律。吳福生[7]用立體攝影和放射性同位素測量霧化流動擴散的范圍和濃度，對漫灣水電站電廠、公路進行了防護。杜蘭[8]等采用原型觀測方法對溪洛渡水電站的泄洪霧化及氣象特性進行觀測，得出霧流的分布范圍。張華[9]應(yīng)用隨機過程和理論，提出了挑流水舌撞擊尾水時水滴隨機噴濺的數(shù)學(xué)模型，對漫灣和李家峽水電站進行了反饋分析，數(shù)學(xué)模型正確合理。何貴成[10]根據(jù)SPH水滴碰并模型，對二灘的泄洪霧化進行了數(shù)值模擬，表明使用SPH模型建立的數(shù)學(xué)模型是可行的。陳惠玲[11]通過大比尺整體模型，進行小灣霧化研究，較可靠地提出了量化的雨強，雨區(qū)分布等資料，對霧化防治提出了可行建議。劉進軍[12]等通過白山水電站原型觀測和模型試驗探討了泄洪濺水霧化原因，提出了工程防護措施。陳端[13]對江埡大壩泄洪霧化進行了觀測和測量，通過1/80比尺模型進行反演，得出了濺水降雨區(qū)模型律。黃國情[14]等用物理模型來研究高壩泄洪霧化的規(guī)律，并據(jù)此設(shè)計溪洛渡水電站泄洪霧化模型，計算出了霧化雨強并為工程提供防護依據(jù)。練繼建[15]應(yīng)用蒙特卡洛方法將環(huán)境風(fēng)和地形因素考慮到了數(shù)學(xué)模型中。秦蕊[16]等結(jié)合火谷邊坡的霧化范圍，對火谷邊坡穩(wěn)定性進行了分析，并提出了防護措施，提出了生態(tài)防護思路。林國財[17]等針對霧雨入滲對大壩的影響，設(shè)計了人工降雨物模實驗，分析了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定的影響。李韜[18]等利用離散元軟件UDEC對白鶴灘開挖下的邊坡進行穩(wěn)定性分析，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固后能夠有效提高邊坡穩(wěn)定性。WANG Jinlong[19]等對烏東德水電站采用有限元法模擬泄洪霧化雨的入滲過程，發(fā)現(xiàn)采取坡面弱透水材料防護可有效減少霧雨入滲。本文根據(jù)數(shù)值模擬得出的泄洪霧化分區(qū)分級結(jié)果，對霧雨區(qū)的邊坡進行了支護和排水布置，防護措施可大大減少霧化對周邊環(huán)境的危害。

1 泄洪布置及霧化數(shù)值模擬方法

1.1 泄洪布置

RM水電站具有“高海拔、窄河谷、大泄量、特高水頭”的特點。泄洪建筑物主要由右岸洞室溢洪道、右岸短有壓泄洪洞、右岸短有壓放空洞組成。溢洪道由引渠段、控制段、無壓洞身段、鳳落尾段、反弧段、消能工段組成。泄洪洞由引渠段、進水塔、漸變段、無壓洞身段、鳳落尾段、反弧段和出口消能工段組成，洞室溢洪道與泄洪洞共用一個水墊塘。洞室溢洪道和泄洪洞身內(nèi)設(shè)摻氣坎，以減少空化空蝕。校核工況下泄水建筑物最大下泄流量13214m3/s，泄洪最大水頭250m，溢洪道單體泄量3470m3/s，泄洪洞單體泄量2805m3/s，洞室溢洪道和泄洪洞的出口流速分別為49.07m/s和40.59m/s，消能工出口距下游水面115m高差。水舌自連續(xù)坎挑出后在空中擴散并摻氣，水舌間相互碰撞，入水水舌的噴濺和水滴的撞擊，這些運動使水舌在碰撞摻氣前后范圍內(nèi)形成降雨和霧。泄洪消能區(qū)河谷狹窄，岸坡高陡，碎裂巖體廣布，巖體卸荷裂隙發(fā)育，泄洪霧化對消能區(qū)邊坡穩(wěn)定影響較大，工程邊坡防治問題突出。

圖1 泄洪建筑物布置圖Figure 1 Plane layout of RM ' s flood discharge buildings

1.2 數(shù)值模擬方法

本文中的數(shù)學(xué)模型是天津大學(xué)前沿技術(shù)研究院[20]在吳持恭[21]、LIAN J[22]、Lian Jijian[23]、劉昉[24]等研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的研究成果進行創(chuàng)新歸納的，采用Matlab軟件編程數(shù)學(xué)公式進行數(shù)值模擬，根據(jù)漫灣、李家峽水電站的原觀數(shù)據(jù)進行反饋計算以修正系數(shù)，選取東江、二灘、拉西瓦水電站的霧化數(shù)據(jù)進行驗證，計算值與原觀值吻合度較好，結(jié)果表明挑流泄洪霧化的數(shù)學(xué)模型合理，數(shù)值計算基本正確，最后以此模型對RM工程的霧化進行數(shù)值模擬。歸納天津大學(xué)之前泄洪霧化工程資料，錦屏一級泄洪霧化網(wǎng)格精度為20m×20m×20m，納子峽泄洪霧化網(wǎng)格精度為10m×10m×10m，白鶴灘泄洪霧化網(wǎng)格精度為4m×4m×4m，均能較好地對泄洪霧化進行原觀對比及反饋預(yù)測，故本霧化計算選取網(wǎng)格精度4m×4m×4m。選取水墊塘上游511m、下游345m、總長1360m、寬1280m、高400m的范圍作為泄洪霧化的預(yù)測計算區(qū)域，并將該區(qū)域分成4m×4m×4m的1072.4萬個計算單元。本文主要考慮校核流量與設(shè)計流量下洞室溢洪道和泄洪洞閘門全開時，風(fēng)向為NE，風(fēng)速為9m/s和無風(fēng)情況下的計算工況。

2 RM水電站泄洪霧化特性

根據(jù)天津大學(xué)的研究，以原觀雨強對建筑物的破壞程度為依據(jù)，將泄洪引起的霧化降雨劃分為如下3個區(qū)域：大暴雨區(qū)，雨強≥50mm/h，霧化降雨達到此標準時，可能引起山體滑坡和建筑物的毀壞，帶來巨大災(zāi)害，因此要對此范圍內(nèi)兩岸山體進行防護，并避免將建筑物建在該范圍內(nèi)；暴雨區(qū)，雨強（10～50）mm/h，此等級霧雨會對電站樞紐造成危害，對建筑物應(yīng)加以防護，如果公路在此范圍內(nèi)，應(yīng)禁止車輛通行；毛毛雨區(qū)，雨強（0.5～10）mm/h，此等級霧雨對工程危害較小，一般不會造成災(zāi)害，該范圍外霧化對工程影響較小。

2.1 無風(fēng)情況下 的霧化特性

無風(fēng)情況下校核工況與設(shè)計工況的雨強分級分區(qū)見圖2，霧雨在水平方向的投影范圍值見表1，由表中數(shù)據(jù)可知，校核工況下的雨強范圍更大，校核與設(shè)計工況的投影面積最大差值為6.6%，兩者霧化范圍相差較小，為安全起見，取校核工況作為分析對象。

圖2 無風(fēng)情況雨強等值線圖Figure 2 The contours of atomization in non-wind-condition

表1 無風(fēng)情況霧雨范圍數(shù)據(jù)表Table 1 The table of atomization range in non-wind-condition

校核工況中溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪，閘門全開情況下，溢洪道泄量10409m3/s，泄洪洞泄量2805m3/s，總泄量13214m3/s。泄洪霧化計算結(jié)果如圖2所示。100mm/h降雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游238m至上游168.4m范圍，橫向右岸擴散至2728m高程，左岸擴散至2748m高程；大暴雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游251.4m至上游183.1m范圍，橫向右岸擴散至2743m高程處，左岸擴散至2756m高程處。暴雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游303.4m至上游208.2m范圍，橫向右岸擴散至2759m高程處，左岸擴散至2788m高程處。毛毛雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游398.8m至上游227.7m范圍，橫向右岸擴散至2783m高程處，左岸擴散至2822m高程處。

2.2 有風(fēng)情況下的霧化特性

有風(fēng)情況下校核工況與設(shè)計工況的雨強分級分區(qū)見圖3，霧雨在水平方向的投影范圍值見表2，由表中數(shù)據(jù)可知，校核工況下的雨強范圍更大，校核與設(shè)計工況的投影面積最大差值為2.0%，差值較小，為安全起見，同樣取校核工況作為分析對象。有風(fēng)時，其風(fēng)吹向下游和右岸，比較表1與表2，發(fā)現(xiàn)有風(fēng)比無風(fēng)情況的霧化范圍沿河向的長度有所增加，垂直于河向的寬度有所減小。有風(fēng)對大于10mm/h的霧雨影響不大，主要影響毛毛雨的分布范圍。

表2 有風(fēng)情況霧雨范圍數(shù)據(jù)表Table 2 The table of atomization range in wind-condition

有風(fēng)情況下，泄洪霧化計算結(jié)果如圖3所示。100mm/h降雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游240.3m至上游130.8m范圍，橫向右至2740m高程處，左至2730m高程處。大暴雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游278.7m至上游146.4m范圍，橫向右擴散至2748m高程處，左擴散至2747m高程處。暴雨區(qū)縱向分布在2號溢洪道軸線下游321.8m至上游181.7m范圍，橫向右擴散至2763m高程處，左擴散至2788m高程處。毛毛雨區(qū)縱向分部在2號溢洪道軸線下游384.6m至上游243.2m范圍，橫向右擴散至2784m高程處，左擴散至2812m高程處。

風(fēng)的影響使霧雨吹向右岸和下游，有風(fēng)情況下，校核工況中雨強大于0.5mm/h的投影面積為225037m2，比無風(fēng)情況多了6075m2，降雨總面積增大。結(jié)合有風(fēng)和無風(fēng)工況，考慮不可預(yù)見因素，選取不同工況疊加的最大的霧化范圍作為防護區(qū)域，見圖7（a）。100mm/h雨強取2號溢洪道軸線下游240.3m至上游168.4m范圍，右岸至2740m高程處，左岸至2748m高程；50mm/h雨強取距2號溢洪道軸線下游278.7m至上游183.1m范圍，右岸至2748m高程處，左岸至2756m高程；10mm/h雨強范圍取距2號溢洪道軸線取下游321.8m至上游183.1m范圍，右岸至2763m高程處，左岸至2788m高程；毛毛雨區(qū)取縱向2號溢洪道軸線下游398.8m至上游243.2m；橫向右岸至2784m高程處，左岸至2822m高程處范圍。

圖3 有風(fēng)情況雨強等值線圖Figure 3 The contours of atomization in wind-condition

3 霧化對邊坡穩(wěn)定影響分析

消能區(qū)邊坡包括泄洪系統(tǒng)出口邊坡和水墊塘左岸邊坡，水墊塘底板高程為2590m，右岸泄洪系統(tǒng)出口邊坡最大高度360m（2590～2950m），高程2660m以下巖體為弱卸荷～弱風(fēng)化下帶，如圖4所示，該高程以下均為垂直開挖，每15m留一級3m寬馬道；高程2660m以上至溢洪道出口以下開挖坡比1:0.3，每15m留一級3m寬馬道；溢洪道隧洞段出口以上開挖坡比為1:0.5，每15m留一級3m寬馬道，每60m留一級6m寬馬道；為保證邊坡在泄洪消能工況的穩(wěn)定性，碎裂巖體及近地表開挖坡比適當(dāng)放緩。水墊塘左岸邊坡位于泄洪系統(tǒng)出口對岸，邊坡最大高度210m（2590～2800m），高程2660m以下巖體為弱卸荷～弱風(fēng)化下帶，該高程以下均為垂直開挖，每15m留一級3m寬馬道；高程2660m以上開挖坡比1:0.3，每15m留一級3m寬馬道；為保證邊坡在泄洪消能工況的穩(wěn)定性，清除消力池上游左岸堆積體，開挖坡比1:0.75～0.5。針對邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面分析并結(jié)合開挖情況，分析泄洪出口邊坡存在可能滑動塊體組合，主要滑動的模式為：①緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面或卸荷裂隙為底滑面，陡傾角斷層為后緣切割面；②強卸荷底界面為底滑面，陡傾角斷層為后緣切割面。

邊坡局部主要的變形破壞特征為：傾倒變形、隨機塊體滑移變形（平面滑移、塊體滑移）。整體變形破壞特征主要是：陡傾斷層與中緩傾結(jié)構(gòu)面組合的滑移—拉裂、淺表層松動巖體崩塌。

考慮在開挖情況下遭受10mm/h暴雨時邊坡的變形破壞特征，在X、Y、Z方向上分別取981.8m、818m和950m，建立計算區(qū)域，采用FLAC 3D軟件對泄洪霧化情況下的邊坡進巖體行數(shù)值模擬，模型四周和地面采用固定邊界，邊坡臨空面采用自由邊界。計算采用莫爾—庫倫屈服條件的彈塑性模型，選用適合巖土體應(yīng)力—應(yīng)變分析的快速拉格朗日差分法，將計算模型劃分為691395個單元，X方向垂直河流內(nèi)測，Y方向與河流向一致，Z方向豎直向上，F(xiàn)LAC3D計算模型見圖5。

模型考慮建模和分析的實用性、可靠性和可行性，模型共設(shè)計3級開挖，第一級開挖高程為2810～2950m，第二級開挖高程為2730～2810m，第三級開挖高程為2590～2730m。邊坡開挖后，開挖至2590m時，天然情況下邊坡最大位移為58cm，暴雨工況邊坡合位移增加至85cm，出現(xiàn)在泄洪系統(tǒng)出口靠上游的邊坡開口線2900m及其上部范圍，如圖5所示，邊坡在暴雨工況下開挖至第三級后邊坡整體變形較大，開口線附近第Ⅳ級巖體極易產(chǎn)生破壞，且主要破壞集中于該處以及開挖形成的臨空面上，這一方面是因為開挖卸荷影響，另一方面暴雨加劇了巖體的滑移和變形， 容易誘導(dǎo)弱卸荷～弱風(fēng)化帶以上巖體的滑移。

由于上述暴雨引起的位移增大區(qū)域在開口線2900m及以上范圍，不在霧化范圍以內(nèi)，但考慮人工開挖邊坡最高為2950m，自然邊坡依然很高，遭遇暴雨時危險性較大，對這部分巖體需進行支護措施，即對高程2822m以上邊坡考慮加固支護措施。泄洪霧化區(qū)內(nèi)暴雨對邊坡的破壞主要為深層入滲， 霧雨從坡表滲入，沖蝕土體，增加了坡體的下滑力，降低巖體的強度；霧化降雨滲入到發(fā)育的節(jié)理裂隙中，抬高地下水位，增加巖土的滲透力，降低了坡體穩(wěn)定性，所以對高程2590～2822m的邊坡重點考慮排水措施。

4 霧化區(qū)邊坡綜合防治

根據(jù)霧化數(shù)值模擬結(jié)果，RM水電站的壩體、電站、開關(guān)站、電站尾水出口、進場公路均不在霧化暴雨區(qū)范圍內(nèi)，故泄洪霧化對上述建筑物無不利影響，主要影響消能區(qū)邊坡穩(wěn)定。根據(jù)消能區(qū)泄洪出口部位邊坡地形地質(zhì)條件及邊坡變形破壞形式，主要針對霧雨影響下的邊坡進行綜合治理，治理方案如下：

（1）淺表層支護：坡面均采用掛網(wǎng)鋼筋A(yù)8@20×20cm，噴混凝土C20、厚10cm，錨桿分別為C25、L=6m與C28、L=9.0m，間隔布置，外露0.1m，間排距3m，梅花形布設(shè)。同時在開口線以外3～5m布置兩排 32，L=15m鎖口錨桿。

（2）深層支護：泄水出口深層支護采用預(yù)應(yīng)力錨索，邊坡2720～2860m之間布置框格梁錨索錨索為2000kN、L=50/60m、間排距6m，長短交錯布置布置，框格梁為C25混凝土，斷面尺寸為0.5m×0.5m，錨索布置于框格梁節(jié)點處，2830～2860m之間布置3000kN、L=50/60m錨索，每級邊坡布置3排，間距6m；高程2860～2920m之間布置框格梁錨索，錨索為3000kN、L=70/80m，每級邊坡布置3排，間距6m，框格梁橫縱間距為6m×6m，錨索布置于框格梁節(jié)點處。

圖6 暴雨工況下邊坡位移對比圖（a）天然工況下開挖；（b）暴雨工況下開挖Figure 6 The contrast diagram under different cases

（3）邊坡淺層排水：邊坡頂部開口線以外5m布置截水溝，截水溝斷面為倒梯形，尺寸為0.5m×1.2m×0.7m（下底×上底×高），內(nèi)側(cè)邊坡系數(shù)1:0.5。開挖邊坡每級馬道均布置φ80mm排水孔，與錨桿間隔布設(shè)，仰角5°。

（4）對于在雨強大于50mm范圍內(nèi)邊坡采用混凝土護坡，坡面采用弱透水性材料防護，設(shè)排水溝與馬道；雨強在10～50mm/h的范圍，邊坡采用混凝土護坡或噴混凝土護坡，設(shè)馬道，排水溝。

（5）邊坡深層排水：為加強泄洪消能工況邊坡內(nèi)部排水，降低邊坡內(nèi)部水壓力，在霧雨區(qū)內(nèi)布置排水洞，左岸影響范圍到2788.00m高程，右岸影響范圍到2763.00m高程，同時限于排水洞排水深度和范圍，左右岸各布置多層排水洞，洞徑2.5m×3m（寬×高），底坡1%。排水洞平面布置圖見圖7（a），排水洞在3—3剖面中布置方式如圖7（b）所示，泄洪系統(tǒng)出口右岸邊坡布置4層，其中1號排水洞長約370.00m，高程從2863.70m延伸到2860.00m，2號排水洞長約545.00m，高程從2805.45m延伸到2800.00m，3號排水洞長約405.00m，高程從2754.05m延伸到2750.00m，4號排水洞長約740.00m，高程從2687.40m延伸到2680.00m。泄洪系統(tǒng)出口左岸邊坡布置2層，5～6號排水洞，5號排水洞長約801.00m，高程從2658.00m延伸到2650.00m，6號排水洞長約805.00m，高程從2718.05m延伸到2710.00m?？紤]排走表層邊坡滲水，每層排水洞布置在弱卸荷表層線附近，遇開挖邊坡保持一定的安全距離。洞內(nèi)兩側(cè)設(shè)排水溝，在頂部迎水面布置3條輻射狀φ110mm排水孔，孔深50m，間距2m，與錨桿間隔布設(shè)，排水洞出口接排水溝，水流通過排水溝進入河道。如排水孔遇開挖面、地面、斷層時，排水孔深度適當(dāng)調(diào)整。

圖7 霧雨區(qū)排水設(shè)施布置圖（一）（a）排水施設(shè)平面布置圖Figure 7 The diagrams of atomization and rain area drainage facilities

5 結(jié)論及展望

本文針對RM水電站的具體情況，類比相似水電站霧化數(shù)據(jù)對RM水電站的泄洪霧化進行數(shù)值模擬，獲得了霧化雨強的級別和范圍，分析了霧化對邊坡的影響，提出了“治理+疏導(dǎo)+預(yù)防”的系統(tǒng)工程措施：以深錨、淺掛網(wǎng)的方式集中治理工程關(guān)鍵部位、地質(zhì)薄弱部位；以高強度、弱透水性混凝土護坡對大暴雨范圍內(nèi)的建筑物進行主動防護；以截水溝、排水孔、排水洞的組合排水系統(tǒng)全方位疏導(dǎo)坡外、坡面、坡內(nèi)的水力破壞；以被動防護網(wǎng)結(jié)合邊坡清理加固對坡外危險源進行了防治，防治措施可供同類工程參考。

本文對RM水電站泄洪霧化做了模擬預(yù)測，其結(jié)果在以后實際過程中有待驗證，在以后的研究中，可以采用模型實驗、數(shù)值模擬、原型觀測三者結(jié)合的方法，將數(shù)學(xué)理論和計算機科學(xué)技術(shù)更好地結(jié)合，更好地對高海拔、低氣壓環(huán)境下的泄洪霧化作更深一步的研究。