錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化及防護(hù)對(duì)策

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(huì)對(duì)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(lái)的問(wèn)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(yùn)行[1]。錦屏一級(jí)水電站是高壩泄洪的典型，水庫(kù)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(shí)，泄洪霧化成為必然，并帶來(lái)了各種危害?；诖耍恼聦?duì)泄洪霧化現(xiàn)象就此展開(kāi)探討。

1 泄洪霧化的機(jī)理

泄洪霧化，是水電站高壩泄洪時(shí)伴生的霧和雨的統(tǒng)稱，是一種較為復(fù)雜的水—?dú)馀c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(jī)理概括為：當(dāng)水流由泄洪洞降落，高速運(yùn)動(dòng)的水流與空氣相互摩擦，導(dǎo)致水流紊動(dòng)，水流表面出現(xiàn)波紋，并向外擴(kuò)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(gè)主要來(lái)源。當(dāng)泄洪洞水流進(jìn)入下游河床時(shí)，較大的重力勢(shì)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(lái)源[2]。隨著雨水不斷降落，霧氣會(huì)逐漸變淡，降雨強(qiáng)度下降，霧區(qū)逐漸轉(zhuǎn)淡。

2 錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化的主要因素

錦屏一級(jí)水電站運(yùn)行時(shí)，泄洪洞中的水流向下傾瀉，在這一過(guò)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(duì)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(zhǎng)之勢(shì)。此時(shí)，泄洪洞的泄流能力已經(jīng)達(dá)到3 254/3 311 m3/s，在泄洪水流消能中，水流中會(huì)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(dòng)時(shí)，會(huì)與拖拽的空氣形成強(qiáng)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(kuò)散并霧化的狀態(tài)。實(shí)際上，挑射水流之所以在空氣中摻氣擴(kuò)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(dòng)現(xiàn)象越激烈，錦屏一級(jí)水電站身為我國(guó)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(dá)50 m/s，泄洪霧化現(xiàn)象尤其明顯。

泄洪水舌入水后，強(qiáng)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(yàn)檢測(cè)得知，當(dāng)泄洪水位高達(dá)1 880 m時(shí)，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(huì)像左岸沖頂。泄洪水流高速下落，勢(shì)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(shuō)，激濺出的水流速度快于入水水流速度，在強(qiáng)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(jì)人員進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，結(jié)果顯示，錦屏一級(jí)水電站的泄洪霧化區(qū)相互獨(dú)立。其中，泄洪霧區(qū)主要集中在挑流水舌的入水點(diǎn)周圍，即左岸樁號(hào)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(qiáng)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(yàn)成果與工程原檔案分析，錦屏壩下左岸樁號(hào)1+200～1+500 m范圍內(nèi)，高程1 710～1 730以下，右岸樁號(hào)1+200～1+400 m范圍內(nèi)，高程1 710 m以下，降雨強(qiáng)度q＞50 mm/h；在壩下左岸樁號(hào)1+100～1+650 m范圍內(nèi)，右岸樁號(hào)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(qiáng)度在10～50 mm/h間，泄洪洞周圍及其他范圍的降雨強(qiáng)度＜10 mm/h。

4 泄洪霧化的降雨強(qiáng)度分級(jí)

在泄洪洞的霧化區(qū)，常出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，而降雨強(qiáng)度與霧區(qū)濃淡相關(guān)聯(lián)，且每小時(shí)的降水強(qiáng)度、降水量有所不同。一般來(lái)講，霧化區(qū)的降雨強(qiáng)度多在10～20 mm/h左右，持續(xù)時(shí)間約3～5 h。由泄洪洞泄洪形成的霧化降雨多是短時(shí)間、小范圍暴雨，強(qiáng)度大于氣象臺(tái)對(duì)暴雨的定義，因此，文章選擇了某地區(qū)夏季降雨作為我國(guó)氣象降雨的標(biāo)準(zhǔn)，將其與泄洪霧化區(qū)的降雨量進(jìn)行對(duì)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(qiáng)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(jí)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(duì)泄洪霧化進(jìn)行模擬試驗(yàn)，根據(jù)文章某區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)泄洪霧化區(qū)的降雨強(qiáng)度進(jìn)行定義與分級(jí)，將泄洪霧化強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。

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

5 邊坡穩(wěn)定安全的控制標(biāo)準(zhǔn)

面對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪霧化的影響，為提高邊坡防護(hù)措施，應(yīng)了解邊坡穩(wěn)定的級(jí)別劃分，掌握邊坡設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，為邊坡防護(hù)提供可靠依據(jù)，以此降低泄洪霧化帶來(lái)的影響。據(jù)悉，對(duì)于錦屏一級(jí)水電站的泄洪邊坡，可依照《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，將邊坡級(jí)別劃分為以下三級(jí)：一級(jí)邊坡。即影響一級(jí)水工建筑物安全的邊坡，在泄洪霧化影響下，一級(jí)邊坡易發(fā)生滑坡并產(chǎn)生危害性涌浪，危害一級(jí)水工建筑物的安全；二級(jí)邊坡。一旦二級(jí)邊坡受到威脅，將影響二級(jí)與三級(jí)的水工建筑物的安全；三級(jí)邊坡。一旦泄洪霧化影響到三級(jí)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(jí)建筑物安全。在選擇極限平衡法中的下限解時(shí)，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(jì)的安全系數(shù)

6 錦屏一級(jí)水電站泄洪洞泄洪霧化的影響與防護(hù)措施

泄洪霧化帶來(lái)的影響主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：其一，長(zhǎng)期影響下，泄洪霧化帶來(lái)的強(qiáng)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(shí)，邊坡內(nèi)會(huì)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(xiǎn)性。其二，在泄洪區(qū)域內(nèi)，大霧伴隨著強(qiáng)降雨，能見(jiàn)度較低，還時(shí)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(duì)此，針對(duì)泄洪霧化做好防護(hù)措施，具有重要意義。

泄洪洞出口的樁號(hào)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(zhǎng)期受到泄洪霧化的侵入，淺表部的巖體卸荷強(qiáng)烈、結(jié)構(gòu)松弛、穩(wěn)定性低，危害性較大。對(duì)此，在樁號(hào)1+ 100～1+650m范圍，強(qiáng)降雨＞10 mm/h，兩岸邊坡應(yīng)選擇淺層錨噴保護(hù)，對(duì)于強(qiáng)降雨＞50 mm/h，兩岸邊坡應(yīng)選擇混凝土護(hù)坡。同時(shí)，將河道兩岸邊坡支護(hù)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(shí)，對(duì)于邊坡不利結(jié)構(gòu)面，應(yīng)加強(qiáng)錨索支護(hù)，降低泄洪霧化帶來(lái)的影響。

并且，為降低泄洪霧化的影響，應(yīng)定期對(duì)樞紐工程區(qū)的邊坡、水庫(kù)邊坡等進(jìn)行檢測(cè)，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(jí)水電站中，泄洪洞泄洪霧化對(duì)邊坡的影響主要為左岸與右岸區(qū)域，對(duì)此，左岸自然邊坡的主要防護(hù)措施如下：在左岸A區(qū)域，左岸樁號(hào)1+200～1+260 m區(qū)域，應(yīng)保障防護(hù)高程在1 710～17 70 m之間。在左岸的B區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+260～1+304.7 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程應(yīng)達(dá)到1 710～1770 m。在左岸C區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+304.7～1+400 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程應(yīng)達(dá)到1 710～1 775 m。在左岸D區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+400～1+500 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程應(yīng)達(dá)到1 710～1 775 m。在左岸E區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+500～1+550 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程應(yīng)達(dá)到1 710～1 775 m。在左岸的F區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+550～1+600 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程至少應(yīng)在1 685～1 740 m。在左岸G區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+600～1+650 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程至少應(yīng)在1 685～1 710 m。在左岸的I區(qū)域，左岸樁號(hào)的1+550～1+650 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程至少應(yīng)在1 680～1 685 m。左岸樁號(hào)的1+100～1+200 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)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(hào)的1+200～1+550 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程至少應(yīng)在1 680～1 710 m。

右岸的自然邊坡防護(hù)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(kāi)口線外的55 m范圍，防護(hù)高程應(yīng)達(dá)到1 670～1 750 m；在右岸的B區(qū)域，右岸樁號(hào)的1+300～1+400 m區(qū)域內(nèi)，防護(hù)高程至少應(yīng)達(dá)到1 670～1 740 m；在右岸的C區(qū)域，右岸樁號(hào)的1+400～1+550 m范圍之內(nèi)，防護(hù)高程應(yīng)達(dá)到1 670～1 715 m，如此，方可保障右岸防護(hù)邊坡的防護(hù)作用，有效降低泄洪霧化的影響。

7 結(jié)語(yǔ)

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