駱建軍

（甘肅江河水利工程建設(shè)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著社會對電能需求的不斷增大，高壩修建也隨之日益增多，高速水流帶來的問題日益嚴(yán)重，尤其是泄洪霧化，若處理不當(dāng)，將嚴(yán)重影響水電站的安全運行[1]。錦屏一級水電站是高壩泄洪的典型，水庫正常蓄水位為1 880 m，死水位為1 800 m，當(dāng)水流由泄洪洞傾瀉而下時，泄洪霧化成為必然，并帶來了各種危害?；诖?，文章對泄洪霧化現(xiàn)象就此展開探討。

1 泄洪霧化的機理

泄洪霧化，是水電站高壩泄洪時伴生的霧和雨的統(tǒng)稱，是一種較為復(fù)雜的水—氣與氣—水兩相，霧化流態(tài)受到泄洪方式挑坎形狀、上下游水位差、入水流速、入水角度等的影響，還受到下游氣象條件、地形地物等的影響。

綜合學(xué)者姚克燁、劉宣烈等的研究成果，可將泄洪霧化的機理概括為：當(dāng)水流由泄洪洞降落，高速運動的水流與空氣相互摩擦，導(dǎo)致水流紊動，水流表面出現(xiàn)波紋，并向外擴散、摻氣，水滴四射，霧化現(xiàn)象因此產(chǎn)生，這是泄洪霧化的一個主要來源。當(dāng)泄洪洞水流進入下游河床時，較大的重力勢能，導(dǎo)致下游河床中的水四處噴濺，噴濺的水滴受到阻力、重力、浮力等影響，生成水汽狀態(tài)，導(dǎo)致附近降雨，此為霧化現(xiàn)象的另一來源[2]。隨著雨水不斷降落，霧氣會逐漸變淡，降雨強度下降，霧區(qū)逐漸轉(zhuǎn)淡。

2 錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化的主要因素

錦屏一級水電站運行時，泄洪洞中的水流向下傾瀉，在這一過程中，氣體摻入其中，形成水汽狀態(tài)，此為泄洪霧化的主要原因之一。在泄洪洞的出口處，以不對稱的燕尾狀作為挑坎挑流，以此消能，下流的水舌形態(tài)類似于窄縫水舌形態(tài)，呈現(xiàn)縱向拉長之勢。此時，泄洪洞的泄流能力已經(jīng)達到3 254/3 311 m3/s，在泄洪水流消能中，水流中會摻入空氣，導(dǎo)致氣水比隨著沿程不斷增大，水流表面有破碎水體成束、成片飛出，并伴隨有水霧。并且，在水舌向下流動時，會與拖拽的空氣形成強烈的泄洪水舌風(fēng)。而不規(guī)則的燕尾挑坎，更是增大了水流摻氣、擴散并霧化的狀態(tài)。實際上，挑射水流之所以在空氣中摻氣擴散，形成雨霧，與泄洪水挑流形成的初始速度關(guān)聯(lián)密切，初始速度越快，水流紊動現(xiàn)象越激烈，錦屏一級水電站身為我國第一壩，泄洪洞高約1 800 m，泄洪流在龍落尾反弧段的末端流速高達50 m/s，泄洪霧化現(xiàn)象尤其明顯。

泄洪水舌入水后，強烈的沖擊力，將激濺的水滴分成若干份，形成了泄洪霧化。據(jù)模型試驗檢測得知，當(dāng)泄洪水位高達1 880 m時，泄洪洞水舌的挑距在84～204 m左右，最大波浪的高度約有3 m，水舌入水位置偏向左側(cè)，水流卻不會像左岸沖頂。泄洪水流高速下落，勢能的影響，使泄洪流與下游的水面激烈撞擊，泄洪流被反彈，泄洪流入水的周圍出現(xiàn)激烈的濺水現(xiàn)象。可以說，激濺出的水流速度快于入水水流速度，在強大氣流的作用下，濺射的成片水形成水霧，在泄洪流入水的周圍形成大面積的降雨區(qū)，導(dǎo)致濃霧彌漫[3]。

3 泄洪洞泄洪霧化區(qū)的主要分布

為掌握泄洪洞的泄洪霧化區(qū)的分布狀況，設(shè)計人員進行了模擬試驗，結(jié)果顯示，錦屏一級水電站的泄洪霧化區(qū)相互獨立。其中，泄洪霧區(qū)主要集中在挑流水舌的入水點周圍，即左岸樁號1+200～1+320 m之間的區(qū)域，入水位置偏向左岸處，水舌入水之后，因激濺導(dǎo)致的降雨強度在100～300 mm/h之間，因泄洪霧化偏向左岸，左岸霧化的范圍與影響明顯高于右岸。

結(jié)合模型試驗成果與工程原檔案分析，錦屏壩下左岸樁號1+200～1+500 m范圍內(nèi)，高程1 710～1 730以下，右岸樁號1+200～1+400 m范圍內(nèi)，高程1 710 m以下，降雨強度q＞50 mm/h；在壩下左岸樁號1+100～1+650 m范圍內(nèi)，右岸樁號1+100～1+550 m范圍內(nèi)，高程在1 710～1 770m之間及1 710 m以下，降雨強度在10～50 mm/h間，泄洪洞周圍及其他范圍的降雨強度＜10 mm/h。

4 泄洪霧化的降雨強度分級

在泄洪洞的霧化區(qū)，常出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，而降雨強度與霧區(qū)濃淡相關(guān)聯(lián)，且每小時的降水強度、降水量有所不同。一般來講，霧化區(qū)的降雨強度多在10～20 mm/h左右，持續(xù)時間約3～5 h。由泄洪洞泄洪形成的霧化降雨多是短時間、小范圍暴雨，強度大于氣象臺對暴雨的定義，因此，文章選擇了某地區(qū)夏季降雨作為我國氣象降雨的標(biāo)準(zhǔn)，將其與泄洪霧化區(qū)的降雨量進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)。

該地區(qū)夏季24 h降水量如下所示：微跡＜0.1 mm，小雨在0.1～10 mm，中雨在10.1～25 mm，大雨在25.1～50 mm，暴雨在50.1～100 mm，大暴雨在100～200 mm，特大暴雨＞200 mm。在1 h內(nèi)的降雨強度為：微跡＜0.1 mm，小雨在0.1～2.0 mm，中雨在2.1～5 mm，大雨在5.1～10 mm，暴雨在10.1～20 mm，大暴雨在20.1～40.1 mm，特大暴雨＞40 mm。

在錦屏一級水電站，泄洪消能的布置與泄洪霧化區(qū)基本地形條件上，對泄洪霧化進行模擬試驗，根據(jù)文章某區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，對泄洪霧化區(qū)的降雨強度進行定義與分級，將泄洪霧化強度進行分級。

泄洪洞水流下落時，水舌裂散與激濺的區(qū)域，形成特大暴雨，降雨強度＞50 mm/h；濃霧暴雨區(qū)，介于大暴雨與暴雨之間，強度在50～10 mm/h之間；薄霧降雨區(qū)，介于大雨和中雨之間，強度在10～2.1 mm/h之間；淡霧水汽飄散區(qū)，小雨之下，降雨強度＜2.0 mm/h。

5 邊坡穩(wěn)定安全的控制標(biāo)準(zhǔn)

面對錦屏一級水電站泄洪霧化的影響，為提高邊坡防護措施，應(yīng)了解邊坡穩(wěn)定的級別劃分，掌握邊坡設(shè)計的安全系數(shù)，為邊坡防護提供可靠依據(jù)，以此降低泄洪霧化帶來的影響。據(jù)悉，對于錦屏一級水電站的泄洪邊坡，可依照《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，將邊坡級別劃分為以下三級：一級邊坡。即影響一級水工建筑物安全的邊坡，在泄洪霧化影響下，一級邊坡易發(fā)生滑坡并產(chǎn)生危害性涌浪，危害一級水工建筑物的安全；二級邊坡。一旦二級邊坡受到威脅，將影響二級與三級的水工建筑物的安全；三級邊坡。一旦泄洪霧化影響到三級邊坡的安全，極易影響邊坡整體穩(wěn)定性，并導(dǎo)致邊坡滑坡，影響四到五級建筑物安全。在選擇極限平衡法中的下限解時，邊坡的安全系數(shù)應(yīng)不低于表1所規(guī)定的數(shù)值。

表1 水利水電工程邊坡設(shè)計的安全系數(shù)

6 錦屏一級水電站泄洪洞泄洪霧化的影響與防護措施

泄洪霧化帶來的影響主要表現(xiàn)在以下幾點：其一，長期影響下，泄洪霧化帶來的強降雨浸入了巖體，泄洪霧化區(qū)域內(nèi)的自然邊坡下滑力增加，同時，邊坡內(nèi)會形成一定上浮力，降雨坡體的抗滑能力下降，邊坡穩(wěn)定性難以保障，增大了滑坡的危險性。其二，在泄洪區(qū)域內(nèi)，大霧伴隨著強降雨，能見度較低，還時常伴隨速度在10 m/s以上的大風(fēng)，兩岸交通受到嚴(yán)重影響。其三，在濃霧區(qū)域，濃霧直接影響了工作人員的正常工作與生活。

對此，針對泄洪霧化做好防護措施，具有重要意義。

泄洪洞出口的樁號1+100～1+600 mm之間，受到泄洪霧化的影響最為嚴(yán)重，左岸邊坡由7～8層大理巖構(gòu)成，右側(cè)邊坡由6層大理巖構(gòu)成，長期受到泄洪霧化的侵入，淺表部的巖體卸荷強烈、結(jié)構(gòu)松弛、穩(wěn)定性低，危害性較大。對此，在樁號1+ 100～1+650m范圍，強降雨＞10 mm/h，兩岸邊坡應(yīng)選擇淺層錨噴保護，對于強降雨＞50 mm/h，兩岸邊坡應(yīng)選擇混凝土護坡。同時，將河道兩岸邊坡支護去的覆蓋層、危石清理干凈，做好排水設(shè)施與攔石設(shè)施。同時，對于邊坡不利結(jié)構(gòu)面，應(yīng)加強錨索支護，降低泄洪霧化帶來的影響。

并且，為降低泄洪霧化的影響，應(yīng)定期對樞紐工程區(qū)的邊坡、水庫邊坡等進行檢測，保障其持久狀況、短暫狀況、偶然狀況能夠打到上述數(shù)值，始終保障邊坡的安全性。

在錦屏一級水電站中，泄洪洞泄洪霧化對邊坡的影響主要為左岸與右岸區(qū)域，對此，左岸自然邊坡的主要防護措施如下：在左岸A區(qū)域，左岸樁號1+200～1+260 m區(qū)域，應(yīng)保障防護高程在1 710～17 70 m之間。在左岸的B區(qū)域，左岸樁號的1+260～1+304.7 m區(qū)域內(nèi)，防護高程應(yīng)達到1 710～1770 m。在左岸C區(qū)域，左岸樁號的1+304.7～1+400 m區(qū)域內(nèi)，防護高程應(yīng)達到1 710～1 775 m。在左岸D區(qū)域，左岸樁號的1+400～1+500 m區(qū)域內(nèi)，防護高程應(yīng)達到1 710～1 775 m。在左岸E區(qū)域，左岸樁號的1+500～1+550 m區(qū)域內(nèi)，防護高程應(yīng)達到1 710～1 775 m。在左岸的F區(qū)域，左岸樁號的1+550～1+600 m區(qū)域內(nèi)，防護高程至少應(yīng)在1 685～1 740 m。在左岸G區(qū)域，左岸樁號的1+600～1+650 m區(qū)域內(nèi)，防護高程至少應(yīng)在1 685～1 710 m。在左岸的I區(qū)域，左岸樁號的1+550～1+650 m區(qū)域內(nèi)，防護高程至少應(yīng)在1 680～1 685 m。左岸樁號的1+100～1+200 m區(qū)域內(nèi)，防護高程1 670 m或者1 680 m以上的應(yīng)清除覆蓋層。在左岸H區(qū)，左岸樁號的1+200～1+550 m區(qū)域內(nèi)，防護高程至少應(yīng)在1 680～1 710 m。

右岸的自然邊坡防護措施如下：在右岸A區(qū)域，道班溝的溝口上游側(cè)為自然邊坡，在山梁開口線外的55 m范圍，防護高程應(yīng)達到1 670～1 750 m；在右岸的B區(qū)域，右岸樁號的1+300～1+400 m區(qū)域內(nèi)，防護高程至少應(yīng)達到1 670～1 740 m；在右岸的C區(qū)域，右岸樁號的1+400～1+550 m范圍之內(nèi)，防護高程應(yīng)達到1 670～1 715 m，如此，方可保障右岸防護邊坡的防護作用，有效降低泄洪霧化的影響。

7 結(jié)語

總而言之，錦屏一級水電站作為世界第一高雙曲拱壩，是我國水力發(fā)電的重要區(qū)域，為我國提供了充足的電能。但是，在泄洪洞下泄過程中，帶來較大效能的同時，也導(dǎo)致泄洪霧化，為周圍環(huán)境帶來一定威脅。面對霧化為水電站帶來的影響，對于霧化嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)積極采用適當(dāng)?shù)姆雷o措施，不影響消能效果的同時，提高邊坡強度，避免滑坡威脅。