官地水電站泄洪霧化區(qū)邊坡防護(hù)

周青 劉俠 袁瓊

摘 要：底流消能是一種傳統(tǒng)的消能方式，是通過水躍產(chǎn)生的表面漩滾和強(qiáng)烈的紊動以達(dá)到消能目的，具有消能效率高、尾水波動小、泄洪霧化影響小的特點(diǎn)。官地水電站采用"改進(jìn)底流消能方案"即溢流表孔寬尾墩布置+連續(xù)跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式，大大緩解了泄洪消能時(shí)對消力池下游邊坡的影響，經(jīng)過一個(gè)汛期的運(yùn)行，官地水電站霧化區(qū)范圍內(nèi)經(jīng)過支護(hù)的邊坡整體是穩(wěn)定的。

關(guān)鍵詞：官地水電站；底流消能；泄洪；霧化區(qū)

前言

泄洪霧化，是指泄水建筑物泄流時(shí)引起的一種非自然降雨過程與水霧彌漫現(xiàn)象，是一種具有嚴(yán)重危害性的霧化水流，產(chǎn)生大范圍、高強(qiáng)度的霧化陣雨，直接影響泄洪霧化區(qū)邊坡的穩(wěn)定，對水電站的安全運(yùn)行構(gòu)成一定威脅，而且在霧化遠(yuǎn)區(qū)增加了空氣濕度，對附近環(huán)境造成污染，影響居民的正常生活與安全生產(chǎn)。

據(jù)很多工程的原型觀測結(jié)果，在霧化嚴(yán)重區(qū)域，地面降雨強(qiáng)度最大可達(dá)1000mm/h以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出氣象暴雨的強(qiáng)度。如二灘水電站，1999年進(jìn)行泄洪霧化原型觀測期間，由于霧化降雨嚴(yán)重，導(dǎo)致了局部岸坡失穩(wěn)、滑坡；柘溪水電站也曾因泄洪霧化嚴(yán)重影響到辦公大樓及部分生活區(qū)，被迫將辦公大樓遷移；劉家峽水電站，泄水道泄洪時(shí)，右岸為強(qiáng)降水區(qū)，阻斷了進(jìn)廠交通，為此特設(shè)了一道200m長的防霧廊道，即使如此，晴天也要穿雨衣通過廊道。

底流消能是一種傳統(tǒng)的消能方式，是通過水躍產(chǎn)生的表面漩滾和強(qiáng)烈的紊動以達(dá)到消能目的，具有消能效率高、尾水波動小、泄洪霧化影響小的特點(diǎn)。文章以官地水電站泄洪消能為工程背景，探討“溢流表孔寬尾墩布置+連續(xù)跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式”水電站霧化區(qū)邊坡的影響范圍及邊坡防護(hù)措施。

1 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個(gè)梯級電站。電站主要任務(wù)是發(fā)電，水庫正常蓄水位1330.00m，壩頂高程1334.00m，最大壩高156m，總庫容7.6億立方米，水庫回水長58km，裝機(jī)容量2400MW。

樞紐建筑物主要由擋水壩、表孔溢流壩、泄洪中孔、右岸地下廠房等建筑物組成。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，樞紐泄洪建筑物由5個(gè)溢流表孔壩段和2個(gè)中孔壩段組成。溢流壩段布置于河床中部，兩個(gè)中孔壩段分別布置于溢流壩段兩側(cè)。溢流壩壩體上游面上部鉛直，下部為1：0.3斜坡，折坡點(diǎn)高程為1240.00m，堰頂前緣為1/4橢圓曲線，堰頂冪曲線方程為y=0.042854×1.85，后接1：0.75斜坡，再通過半徑47.966m的反弧段與消力池相接，跌坎6.5m高。溢流壩面設(shè)有兩道摻氣坎（槽），以起到壩面高速水流作用下的摻氣減蝕作用。

2 官地水電站的消能特點(diǎn)

近幾年，隨著社會對水土保持和環(huán)境保護(hù)認(rèn)識與要求的提高，高壩泄洪及下游消能，特別是挑流消能造成的下游沖淤和強(qiáng)烈霧化降雨，對下游區(qū)域水土保持和環(huán)境具有巨大破壞力，因此，許多在建和將建工程放棄了挑流消能方案而選擇底流消能方案。

官地水電站溢流壩消能防沖按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，下泄流量為11900m3/s?？紤]到本工程壩址岸坡穩(wěn)定問題突出，消力池兩岸覆蓋層及變形體比較發(fā)育，泄洪消能應(yīng)最大限度減小對岸坡穩(wěn)定的影響。經(jīng)過水力學(xué)模型試驗(yàn)及專題論證，從運(yùn)行安全可靠角度出發(fā)，官地水電站確定溢流壩消能采用底流消能方式。溢流壩表孔泄流采用加設(shè)寬尾墩+底流泄洪消能方式，兩中孔泄流采用側(cè)向挑流進(jìn)入消力池的消能方式，下游采用斜坡邊墻消力池底流消能。底流消能工程的主要消能作用發(fā)生在消力池內(nèi)，屬水體內(nèi)部漩滾消能，與挑流消能霧化相比，其霧化的程度和影響范圍都小得多。

3 泄洪霧化研究方式

泄洪霧化實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的水、氣、霧多項(xiàng)流物理現(xiàn)象，其影響因素眾多，包括泄水建筑物的體型及泄洪方式、上下游水位差、流量、入水流速與角度、下游水墊深度、下游地形、當(dāng)?shù)貧庀髼l件等，同時(shí)在時(shí)間上有其隨機(jī)性。

泄洪霧化問題是隨著高壩建設(shè)而出現(xiàn)的高速水流研究課題，日前對泄洪霧化的研究方法主要包括物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算以及原型觀測資料反饋分析。

理論分析計(jì)算通常是在引進(jìn)一系列假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過對霧化現(xiàn)象進(jìn)行概化處理，再根據(jù)水力學(xué)理論與方法進(jìn)行定量研究。由于泄洪霧化現(xiàn)象復(fù)雜，影響因素眾多，霧化形成機(jī)理尚不清楚，數(shù)學(xué)模型方法還不能完整模擬泄洪霧化現(xiàn)象，其準(zhǔn)確性和可靠性滿足不了實(shí)際工程應(yīng)用要求，因此，理論計(jì)算的結(jié)果也只能是初步的，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。

原型觀測方法是研究泄洪霧化問題的重要手段，相比較而言，原型觀測是了解、掌握霧化現(xiàn)象規(guī)律性的一種最直接、最有效、最準(zhǔn)確的研究方法。但觀測工作量大，目難以取得比較全面和系統(tǒng)的觀測資料，所以不易準(zhǔn)確評價(jià)泄洪霧化影響。

傳統(tǒng)水工模型試驗(yàn)受比尺效應(yīng)影響，難以完全模擬泄洪霧化現(xiàn)象（特別是原型的薄霧），并且不能真實(shí)代表原型中泄洪霧化的復(fù)雜物理過程以及模型與實(shí)際之間的換算關(guān)系如何確定等核心技術(shù)問題也無定論。

三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)工程中可定量計(jì)算配合定性經(jīng)驗(yàn)類比分析來研究水利樞紐泄洪霧化問題，解決工程實(shí)際問題。

4 官地水電站底流消能泄洪霧化影響

4.1 霧化現(xiàn)象

官地水電站采用溢流表孔寬尾墩布置+連續(xù)跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式，水電站樞紐采用底流消能型式與下游河道水流相銜接。

泄洪時(shí)水流沿壩面出流進(jìn)入消力池與消力池內(nèi)水流銜接，在池內(nèi)形成漩滾。在泄洪過程中壩面的水流摻氣不多，破碎不嚴(yán)重，水滴拋灑也不多。2012年7月24日，官地水電站上游表孔泄流量最大達(dá)到7412m3/s，5個(gè)表孔同時(shí)開啟泄洪，水流經(jīng)過寬尾墩的挑射，在消力池內(nèi)有漩滾存在，水流紊動摻氣，有水滴、水塊脫離池面被拋往空中和池外，雖然其泄洪霧化的雨區(qū)、雨強(qiáng)比挑流消能工程小得多，但是霧化問題仍然存在，尤其在泄特大洪水時(shí)，中孔參與泄洪，因泄洪時(shí)中孔采用挑流消能方式，官地水電站的泄洪霧化問題仍需引起關(guān)注。

4.2 霧化危害

泄流霧化雨，對工程的威脅日益突出，如威脅電廠正常運(yùn)行、損壞機(jī)電設(shè)備、影響兩岸交通、影響工作人員正常工作和生活、污染環(huán)境等，尤其泄流霧化雨形成的降水浸入巖體后一方面增加岸坡巖體的下滑力、降低巖體強(qiáng)度，另一方面抬高地下水位，在岸坡內(nèi)形成上浮力，降低了坡體的抗滑能力，影響岸坡穩(wěn)定、誘發(fā)滑坡，已成為制約水電站選點(diǎn)、施工進(jìn)度、投資和安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。官地水電站在下泄7412m3/s時(shí)，消力池附近左右岸低線公路霧化雨嚴(yán)重，到消力池泵房的路面被淹沒，人已無法在附近通行、工作。

4.3 影響因素

水霧的強(qiáng)弱與運(yùn)動范圍，既取決于泄洪水力條件、邊界條件，又受地形條件、氣象條件等因素影響。影響泄洪霧化的因素主要有：

（1）上、下游水位差Z。它影響水舌在挑坎處的初速和入水流速。隨著Z的增大，霧化越發(fā)嚴(yán)重。白山水電站隨著庫水位上升，中孔坎上水頭從15m上升到66m，相應(yīng)地出口流速從16m/s增到30m/s，上、下游落差從72m增至123m，而“霧化”降水量從3.2mm/h上升至502mm/h，造成了破壞性的后果。

（2）泄流流量Q。上、下游落差相同時(shí)，Q越大，能量越多，霧化越嚴(yán)重。烏江渡水電站在壩下80m處的同一測點(diǎn)測得，壩上溢流泄洪道開啟4孔的降水強(qiáng)度是開啟單孔的4倍。

（3）挑坎高程。當(dāng)上、下游水位差相同時(shí)，挑坎高程低者，水舌流速高、紊動度大、摻氣劇烈，霧化嚴(yán)重。

（4）挑坎型式。挑坎出口型式較多，如連續(xù)式、差動式叔曲式、雙曲式、窄縫式、寬尾墩、加分流墩、分流齒等?？v、橫擴(kuò)散好的挑流鼻坎，可增加水舌在空中的消能率，但也會加大泄洪霧化程度。

（5）地形、地貌因素。地形對霧化的影響主要有以下兩方面，其一是河床地形對濺水區(qū)范圍的影響；其二是壩下游兩岸地形對霧流擴(kuò)散的影響。根據(jù)原型觀測及氣象學(xué)原理，得出以下初步分析結(jié)論：若壩下游河流在霧流影響范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎，則會造成霧流受阻，使霧流運(yùn)動所對山坡的霧流被強(qiáng)迫抬升，霧流上升時(shí)速度逐漸減小，從而產(chǎn)生霧流降雨。若兩岸河寬窄于霧流寬度，則霧流將受到壓縮，產(chǎn)生狹管效應(yīng)，使兩岸邊坡大面積處于霧流降雨?duì)顟B(tài)。若霧流區(qū)內(nèi)兩岸有兩端開口的峽谷，霧流將在山谷風(fēng)的作用下，向山谷方向移動和擴(kuò)散，從而在山谷內(nèi)形成霧流降雨。

（6）氣象因素。氣象因素對霧化的影響也比較明顯，風(fēng)力、風(fēng)向會影響霧流的漂移和擴(kuò)散，而風(fēng)力大小和風(fēng)向又受水力條件、河谷地形、溫差等多種因素影響。

4.4 霧雨區(qū)分布

原型觀測是認(rèn)識泄洪霧化的重要手段，也是進(jìn)行物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。我國已對烏江渡、二灘、東江和東風(fēng)等高拱壩泄洪霧化進(jìn)行了原型觀測，取得了許多十分寶貴的資料。

有專家通過眾多工程原形觀測資料的統(tǒng)計(jì)分析，最后對擬建工程的霧化范圍提出了預(yù)報(bào)估算式：

濃霧區(qū)縱向范圍：L=（2.2～3.4）H

橫向范圍：B=（1.5～2.0）H

高度范圍：T=（0.8～1.4）H

薄霧區(qū)縱向范圍：L=（5.0～7.5）H

橫向范圍：B=（2.5～4.0）H

高度范圍：T=（1.5～2.5）H

式中H為最大壩高。

從而官地工程的霧化范圍根據(jù)估算，大概濃霧區(qū)和薄霧區(qū)的縱向、橫向和高度范圍為：濃霧區(qū)縱向范圍約在0+580m樁號內(nèi)（大約在尾水出口附近），橫向范圍約340m，高度范圍約135m～235m；薄霧區(qū)縱向范圍約在0+1260m樁號內(nèi)（大約在下游索橋附近），橫向范圍約680m，高度范圍約260～420m。

5 霧雨區(qū)邊坡防護(hù)的主要措施

為減免泄洪霧化的不利影響，霧雨區(qū)邊坡必須要把松散、不穩(wěn)定塊體清除，并采取必要的工程措施加強(qiáng)支護(hù)。

主要采取了以下工程處理措施為：

（1）邊坡表面清理

對邊坡表層進(jìn)行清理，除去表層覆蓋層及松散巖體。

（2）掛網(wǎng)噴混凝土

為防止雨水滲透造成邊坡抗滑穩(wěn)定性降低，對邊坡表面采取掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土護(hù)面的方式進(jìn)行防滲支護(hù)（C20混凝土，厚10cm；掛網(wǎng)鋼筋Φ8@20×20cm）。

（3）錨桿支護(hù)

采用長6m的Ф25系統(tǒng)錨桿及長9m的Ф32系統(tǒng)錨桿交錯(cuò)布置，俯角15°，間排矩2.5m；單排鎖口錨桿Ф32，L=12m，間距2.0m。

（4）錨索框格梁支護(hù)

開挖邊坡預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)初擬為：2200kN錨索，錨索間距5m，L=35m/40m，傾角15°。C25錨索橫梁，梁截面60cm×80cm。

（5）排水措施

為便于地表積水迅速排走，在邊坡外圍應(yīng)設(shè)置環(huán)形排水溝；邊坡上設(shè)置排水孔便于排走入滲的水量。

6 結(jié)束語

根據(jù)眾多工程經(jīng)驗(yàn)，對霧雨區(qū)邊坡支護(hù)最有效的措施是采取襯護(hù)加固并設(shè)置通暢的排水，并且要制訂適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行調(diào)度方式，在泄洪時(shí)優(yōu)先開啟中間表孔泄洪，或?qū)ΨQ、同步開啟表孔泄洪都是能減小泄洪霧化的有效措施。

后期可根據(jù)電站的運(yùn)行，進(jìn)行霧雨區(qū)原型觀測，并加強(qiáng)對霧雨區(qū)邊坡的安全監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)邊坡，應(yīng)及早進(jìn)行支護(hù)處理。

官地水電站經(jīng)過一個(gè)汛期運(yùn)行，霧化區(qū)邊坡的支護(hù)范圍是恰當(dāng)?shù)?，?jīng)過防護(hù)處理后的泄洪消能影響區(qū)的邊坡整體是穩(wěn)定的。