大壩泄洪霧化環(huán)境影響及防護(hù)措施分析

楊 平

（貴州劍江控股集團(tuán)有限公司）

1 引言

受多種因素影響，水力工程建設(shè)一般沒有高水頭、大流量的要求，泄洪霧化的情況較少，因此對(duì)該方面的研究也較少，并沒有系統(tǒng)的研究，中國(guó)已經(jīng)建成的水利樞紐中，存在不少工程受泄洪霧化影響而損害的案例。因此，為了減少泄洪霧化帶來的損失，相關(guān)科研工作人員應(yīng)該對(duì)泄洪霧化的危害性有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，從而有利于工程建設(shè)中規(guī)劃設(shè)計(jì)階段工作的有效開展。

2 泄洪霧化現(xiàn)象及其危害

在水電工程的泄洪環(huán)節(jié)，傾瀉下的水流會(huì)處于急流狀態(tài)，也有的會(huì)處于挑射流狀態(tài)，而受內(nèi)部分子作用以及外界空氣阻力等的影響，射流存在摻氣的情況，進(jìn)一步導(dǎo)致水體失穩(wěn)，從原來的水流主體中脫離形成水滴。然后對(duì)于脫離出來的雨滴，其中較大粒徑的水滴后續(xù)會(huì)經(jīng)歷降落成雨的過程，粒徑較小的水滴受重力作用不大，會(huì)懸浮于空中形成霧。未脫離的剩余水體會(huì)繼續(xù)下落至下游河床，碰撞的同時(shí)產(chǎn)生水體噴濺的情況，而這部分水體受多種力的作用，包括重力、阻力以及風(fēng)力等，發(fā)生斜向拋射，落到射流的入水點(diǎn)附近，進(jìn)而形成降雨，上述過程會(huì)產(chǎn)生大量的小粒徑水滴，這部分水滴仍然會(huì)懸浮于空中形成濃霧，霧滴再受風(fēng)力作用，擴(kuò)散形成霧流。研究表明，水頭越高，會(huì)導(dǎo)致泄洪流量越大，產(chǎn)生霧化降雨的范圍越廣闊，降雨強(qiáng)度也越大。

3 泄洪霧化的影響因素

3.1 上、下游水位差

該因素通過影響出口處初速以及入水流速等影響霧化現(xiàn)象，隨著水位差的增大，霧化現(xiàn)象越嚴(yán)重。以白山水電站為例，隨著水位不斷上升，水頭的位置也不斷上升，具體數(shù)據(jù)為從15 m上升到66 m，出口處的流速不斷增加，具體數(shù)據(jù)為從16 m/s增加到30 m/s，上、下游落差不斷增大，具體數(shù)據(jù)為從72 m增加到123 m，霧化現(xiàn)象帶來的降雨量不斷加劇，具體數(shù)據(jù)為從3.20 mm/h增加到502 mm/s，上述數(shù)據(jù)可以直觀看出，該因素影響下導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。

3.2 泄流流量

當(dāng)上、下游水位差不變時(shí)，泄流流量越大，會(huì)產(chǎn)生越多的能量，從而會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的霧化現(xiàn)象。以烏江渡水電站為例，在壩下的80 m 的位置取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，后續(xù)所有測(cè)定工作位置不變，改變壩上溢流泄洪道開啟的孔數(shù)，分別測(cè)定不同孔數(shù)下的降水強(qiáng)度，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，開啟的孔數(shù)越多，降水強(qiáng)度越大孔數(shù)為4 時(shí)，其降水強(qiáng)度為孔數(shù)為1時(shí)的4倍。

3.3 挑坎高程

保持單一變量的情況下，挑坎高程越低，水舌流速越高，內(nèi)部紊動(dòng)越劇烈，也就更容易摻氣，因此產(chǎn)生的霧化現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

3.4 挑流鼻坎型式

所選取的挑流鼻坎具備良好的縱、橫擴(kuò)散性能時(shí)，利于水舌向空氣散能，但并不會(huì)改善泄洪霧化現(xiàn)象。

3.5 水舌碰撞影響

研究表明，對(duì)于拋射挑流水舌和碰撞水舌而言，水位落差相同時(shí)，引發(fā)的霧化現(xiàn)象并不相同，且后者要大于前者。

3.6 地形的影響

霧雨受風(fēng)力影響擴(kuò)散，遇到阻礙在合適的條件下會(huì)產(chǎn)生降雨。研究表明，處于開闊的河道時(shí)，水霧比較容易消散；霧雨爬高較低時(shí)會(huì)加劇霧化現(xiàn)象；在河道轉(zhuǎn)彎的位置及山體岸坡變化的位置容易產(chǎn)生霧化現(xiàn)象。

3.7 氣象因素的影響

氣象因素是影響霧化現(xiàn)象的一個(gè)重要因素，晴天時(shí)的霧雨范圍要明顯小于陰雨天氣，在1 d內(nèi)的時(shí)間推移也會(huì)影響霧雨范圍，在溫度較高，日曬較強(qiáng)烈的時(shí)間段，霧雨范圍要明顯小于溫度較低，日曬較弱的時(shí)間段。同時(shí)，風(fēng)力也會(huì)影響霧雨現(xiàn)象，隨著其方向與大小的改變，霧雨范圍隨之變化。此外濕度、氣壓等因素對(duì)霧化現(xiàn)象的也有所影響。地形和氣象等抽象因素較難用于數(shù)值計(jì)算，而借由蒙特卡羅方法，利用其隨機(jī)抽樣的特性，可以將這類因素加入已有的數(shù)學(xué)模型中。

3.8 工程結(jié)構(gòu)的影響

以挑流瀉水建筑物為例，孔口的開啟與組合狀況也是影響霧化現(xiàn)象的重要因素，在水頭與流量相同的情況下，中孔挑流水舌相較表孔泄洪而言，其有著較大的初速和較小的入水角，因此霧化范圍更廣泛，降雨強(qiáng)度也更大。

4 泄洪霧化的防治措施

泄洪霧化降雨強(qiáng)度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重?fù)p傷以及安全事故，包括山坡坍塌、交通中斷、電器設(shè)備毀壞等，甚至?xí)砣藛T傷亡。從諸多實(shí)例事故中總結(jié)分析可得，樞紐布置不當(dāng)以及忽視泄洪霧化問題是兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因此，必須采取相應(yīng)的措施避免事故的發(fā)生。

在工程建設(shè)中高壩樞紐設(shè)計(jì)階段就需要充分考慮霧化現(xiàn)象，后續(xù)樞紐布置與水力學(xué)研究都需要，制定的方案在保兼顧該現(xiàn)象，制定的方案在保障安全的前提下，再考慮經(jīng)濟(jì)問題，以防范工作不到位，后期要面臨嚴(yán)峻的治理工作以及出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷問題。

對(duì)于重要電氣、交通通道、辦公以及居住點(diǎn)位置的選取應(yīng)該科學(xué)合理，不能處于泄洪霧化降雨強(qiáng)度較大的地區(qū)，而特殊情況下需要安置于這類地區(qū)，需要提前做好防護(hù)工作。對(duì)于霧化降雨強(qiáng)度較大，大于天然降雨強(qiáng)度的山坡部位要做好護(hù)坡防護(hù)工作。對(duì)于大面積的霧化降雨強(qiáng)度較大的區(qū)域，可以將該區(qū)域按照一定的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行等級(jí)劃分，然后對(duì)不同區(qū)域分別進(jìn)行針對(duì)性防護(hù)處理等工作，其中，對(duì)于以下區(qū)域，包括設(shè)有重要的建筑物、交通通道以及避不開II、III、Ⅳ級(jí)霧化雨的區(qū)域，相關(guān)科學(xué)合理地設(shè)置好避雨設(shè)施和排水設(shè)施。

5 結(jié)語

綜上所述，中國(guó)經(jīng)過對(duì)泄洪霧化以及相關(guān)情況近30 年的較為系統(tǒng)的研究，不斷深入對(duì)泄洪霧化現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)與探索，對(duì)其危害以及主要的影響因素也有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。但是泄洪霧化問題本身有著一定的復(fù)雜性，為了更加明確泄洪霧化現(xiàn)象相關(guān)問題，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷情況，以及為相關(guān)工程防護(hù)與治理工作提供足夠的理論基礎(chǔ)，相關(guān)研究工作還應(yīng)該繼續(xù)深入。最后，接下來的研究工作重點(diǎn)主要包含兩個(gè)方面：一是測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)，從而增加獲取原型資料的途徑和提高測(cè)定數(shù)據(jù)的精度與可靠性；二是應(yīng)該對(duì)霧源量方面進(jìn)行專門深入的研究。