李萬(wàn)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(wàn)軍1雷霄雯2王協(xié)康2

（1．四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shí)泄水霧化問(wèn)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(guó)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(guó)西部大開(kāi)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(lái)愈多。當(dāng)水庫(kù)大壩工程水頭高、單寬泄量大、泄洪總功率大時(shí)，在挑流、底流、面（戽）流三大類(lèi)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(jì)，國(guó)外高于100m的403座水庫(kù)大壩中，采用挑流消能方式的水庫(kù)大壩有378座，占93. 8%，且壩高超過(guò)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(wèn)題最為突出。霧化是由過(guò)水建筑物泄水而引起的水霧彌漫現(xiàn)象與非自然降雨過(guò)程，當(dāng)水庫(kù)大壩泄流中產(chǎn)生嚴(yán)重的霧化時(shí)，不僅會(huì)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(chǎng)區(qū)交通，還會(huì)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(jiàn)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(guò)水建筑物泄流水力學(xué)問(wèn)題，同時(shí)與水庫(kù)水溫、壩下地形、風(fēng)向等自然條件有關(guān)。許多專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)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(wèn)題。大家通過(guò)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(cè)資料，提出霧化防治措施。

2 霧化的機(jī)理分析

高壩過(guò)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(guò)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(guò)高壩泄水的原型觀測(cè)驗(yàn)證，目前對(duì)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(shí)。霧化主要是在過(guò)水建筑物挑起水舌和水舌射入下游水面兩個(gè)階段形成。過(guò)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?chē)目諝饽Σ?，射流水舌表面產(chǎn)生波紋，引起水流內(nèi)部紊動(dòng)，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(shí)，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(shí)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(guò)大量試驗(yàn)，模擬了水舌入水噴濺的撞擊、濺水和流動(dòng)3個(gè)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(zhuān)家學(xué)者們開(kāi)始對(duì)霧化進(jìn)行比較集中的研究，通過(guò)物理模型試驗(yàn)，總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)霧化有了定量的分析。90年代中期以后，對(duì)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(shí)強(qiáng)、吳修鋒、周輝等開(kāi)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(wèn)題，建立了挑流霧化計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(guó)水利水電科學(xué)研究院的孫雙科、劉之平通過(guò)對(duì)部分已建工程的泄水霧化原型觀測(cè)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(zhǎng)江科學(xué)院的陳端、金峰結(jié)合原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)成果，對(duì)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(cè)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(duì)泄水霧化研究的深入，出現(xiàn)了數(shù)值模擬分析計(jì)算新的研究方法，南京水利科學(xué)研究院的陳慧玲、姜樹(shù)海、周輝等根據(jù)魯布革水電站工程泄水霧化原型觀測(cè)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(píng)判模式和評(píng)價(jià)方法，可用于分析和預(yù)測(cè)霧化降雨強(qiáng)度和影響范圍；中國(guó)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(xiàn)性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(cè)模型和泄水霧化預(yù)測(cè)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(cè)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(cái)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(jì)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(cè)資料；河海大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院的黃國(guó)情、吳時(shí)強(qiáng)、陳慧玲開(kāi)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(cè)資料與成果，設(shè)計(jì)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(guó)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(jì)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(chǎng)作用下水舌噴濺水的分布能力。長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(lèi)比同類(lèi)工程原型觀測(cè)資料,預(yù)測(cè)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(jí)、分區(qū)范圍,提出了霧化的安全防護(hù)措施。長(zhǎng)江科學(xué)院的韓喜俊，渠立光，程子兵通過(guò)對(duì)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(duì)生態(tài)環(huán)境的影響將是今后研究的重要問(wèn)題。

多年來(lái)主要采用原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)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(guò)水建筑物大多都進(jìn)行過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，由于模型的比尺效應(yīng)問(wèn)題，過(guò)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(jì)要求，尚需通過(guò)工程原型觀測(cè)驗(yàn)證。泄水霧化的原型觀測(cè)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(mén)開(kāi)啟組合與開(kāi)度等）與氣象條件（風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、氣壓等）。

通過(guò)眾多學(xué)者對(duì)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(kù)大壩泄水的原型觀測(cè)分析，取得以下共識(shí)：

（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(guò)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(dòng)，并做了B超檢查，診斷為乳腺纖維瘤，對(duì)孕婦、寶寶均無(wú)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(duì)霧化范圍內(nèi)同一測(cè)點(diǎn)，下游自然風(fēng)與水舌風(fēng)同向時(shí)霧化降雨強(qiáng)度增大，反之則減小；同時(shí)，若該測(cè)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(shí)，水舌入水激濺的霧化范圍覆蓋陡峭山坡或沖溝時(shí)，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(guò)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(duì)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(chǎng)房、開(kāi)關(guān)站、廠(chǎng)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(chǎng)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(guò)程對(duì)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(duì)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(chǎng)房淹沒(méi)及防護(hù)措施

下游霧化區(qū)內(nèi)形成暴雨徑流時(shí)，當(dāng)電站廠(chǎng)房排水不暢，將使廠(chǎng)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(kù)大壩安全，要求6個(gè)潛孔及深孔參加泄洪，歷時(shí)33h。水流經(jīng)差動(dòng)式鼻坎水舌挑射向空中，入水點(diǎn)正好在廠(chǎng)房附近。泄水產(chǎn)生霧化區(qū)，籠罩了水電站廠(chǎng)區(qū)，形成暴雨強(qiáng)度約3600 mm /h, 電站廠(chǎng)房?jī)?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(chǎng)房正常運(yùn)行，可采取在進(jìn)廠(chǎng)房門(mén)前修建擋水門(mén)工程防護(hù)措施，大壩泄水前，關(guān)閉擋水門(mén)，防止霧化強(qiáng)降雨水進(jìn)入廠(chǎng)房。其次采用非工程措施，加強(qiáng)水文預(yù)報(bào)，優(yōu)化過(guò)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(chǎng)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(xiàn)路產(chǎn)生放電、閃絡(luò)、跳閘等，造成輸電線(xiàn)路斷電。如新安江水電站在1983年汛期水庫(kù)大壩泄洪時(shí)，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(shí)，因霧化在輸電線(xiàn)鐵塔上冰凍，形成冰掛而迫使線(xiàn)路停電。

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

（3)進(jìn)廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)區(qū)交通中斷。

對(duì)汛期還承擔(dān)大流量的進(jìn)廠(chǎng)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(chǎng)交通的通暢。如劉家峽水電站進(jìn)廠(chǎng)公路穿過(guò)左岸溢洪道泄水霧化形成的強(qiáng)降雨區(qū)時(shí)，專(zhuān)門(mén)修建了200m長(zhǎng)的防霧廊道；當(dāng)汛期水電站廠(chǎng)房不發(fā)電或交通流量不大時(shí)，可臨時(shí)禁止車(chē)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(xiàn)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(wàn)m3，其中17萬(wàn)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(duì)泄水霧化可能引起霧化區(qū)兩岸邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題，首先要加強(qiáng)工程地質(zhì)勘測(cè)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(shí)加強(qiáng)泄水霧化區(qū)的模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)，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(duì)策

柘溪水電站泄洪時(shí)，在射流入水點(diǎn)的消能區(qū)形成長(zhǎng)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(mén)生活區(qū)被迫遷到右岸。

5 結(jié)語(yǔ)

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

（2）泄水霧化通過(guò)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(shì)，直觀性較好，可重復(fù)試驗(yàn)，可預(yù)測(cè)工程的泄水霧化問(wèn)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(cè)試霧化范圍、降雨強(qiáng)度有所不同的問(wèn)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）數(shù)學(xué)模型可結(jié)合原型觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(shí)，應(yīng)進(jìn)行泄水霧化原型觀測(cè)。

（5）鑒于泄水霧化的因素較多，三種主要研究方法各有特長(zhǎng)，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(wèn)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(cè)研究為水工建筑物布置、選型提供了技術(shù)支撐。

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1672-2469（2014）03-0042-04

15作者簡(jiǎn)介：李萬(wàn)軍（1969年—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。