高坝泄洪雾化工程防护措施研究进展

韩喜俊，渠立光，程子兵

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

高坝泄洪雾化工程防护措施研究进展

韩喜俊，渠立光，程子兵

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

高坝泄洪形成的雾化现象对枢纽下游建筑物运行、两侧岸坡稳定及生态环境可能造成危害，严重时可危及枢纽本身安全。伴随着系列原型观测、数学模型及物理模型试验等形成的雾雨强度预测技术的发展，泄洪雾化工程防护由被动的雾化—破坏—修复逐渐演变为在预测雨强及其范围基础上进行工程防护，并逐步与消能建筑物、高边坡的分区、分段防护相结合。通过对系列工程雾化防护措施调研，对高坝泄洪雾化工程防护相关研究成果进行归纳总结，认为不同防护材料在不同雨强的破坏特性及雾化对生态环境的影响是今后泄洪雾化工程防护措施研究的重要方向。关 键 词：泄洪雾化；防护措施；预测技术；雾化分区；研究进展

1 研究背景

泄洪雾化工程防护措施是随着对泄洪雾化认识的深入而逐渐发展的。20世纪60年代前，底流消能作为泄洪消能主要的消能方式［1］在国内外中、低水头水利枢纽中被广泛应用，底流消能工雾化轻微，对消能建筑物及下游岸坡无明显危害，泄洪雾化对工程的潜在危害并未引起足够重视；60年代以来，随着新建枢纽坝高、水头、单宽流量的增加，若采用底流消能需修建规模巨大的消力池，工程投资巨大［2］，且对下游水位的适应性较差，而挑流消能工程造价低、体型结构简单、消能较好，尾水适应性较好，逐渐成为中、高水头水利枢纽应用最广泛的消能方式。据不完全统计，国外403座高于100 m的高坝中，采用挑流消能的达378座，约占93．8%，坝高超过200 m的高坝中，仅有4座采用底流消能，其余均采用挑流消能［3］。

在20世纪90年代，随着国内高坝建设技术的不断提高，世界高坝建设中心由西方和前苏联迅速转移至我国，而我国高坝建设的重点集中在西南地区［4］。该地区水电工程具有高水头、大流量、高流速、窄河谷、巨泄洪功率等特点，泄洪消能成为工程设计中的关键技术难题，甚至成为枢纽布置型式成败的关键。为提高挑流消能工消能率，多采用“纵向拉开、横向扩散、空中碰撞、分层入水”的设计原则［5］，在该设计理念基础上，研究出了宽尾墩、窄缝式挑坎、分流齿坎、掺气分流墩、对冲挑坎、挑跌流碰撞［6］等一批新型消能Ⅰ，消能效果较好。但其主要缺点之一是造成雾化严重，对消能建筑物或下游岸坡形成破坏，甚至危及枢纽运行安全。

本文以泄洪雾化危害、预测技术的发展为主线，结合具体工程，研究泄洪雾化工程防护措施的发展，总结提炼已有研究成果，研究工程防护措施与雾雨强度的适应性，深化雾化工程防护措施的研究。

2 早期工程的泄洪雾化环境影响及防护措施

随着新型消能工在高坝挑流消能工的普及应用，挑射水流引起下游局部地区雾化不可避免，给工程带来不利影响。由于早期对泄洪雾化的形成机理及危害缺乏足够认识，加之该阶段水利工程坝高超100 m，泄洪水头、流量及泄洪功率均不大，枢纽布置及新型消能工的消能效果为设计重点关注，相应的下游消能建筑物的安全防护为设计重点研究方向，而对泄洪雾化可能影响的厂房布置、开关站位置、进厂公路及生活区的安全缺乏认识而基本未考虑防护。该阶段泄洪雾化防护多在泄洪引起雾化破坏后在破坏区域进行重点防护。根据国内一些已建工程运行时泄洪雾化的破坏情况来看，泄洪雾化对工程的危害和防护措施可概括如下。

2．1 厂房淹没及预防措施

如果水电站厂房位于泄洪雾化暴雨区范围内，泄洪时将形成暴雨径流，若对泄洪雨强认识不足或厂房排水不畅，极易引起积水致使厂房进水。黄龙潭水电站［7］在1980年6月24日泄洪时，洪峰流量为11 500 m3／s，约为50年一遇，历时33 h，水舌经差动鼻坎射向空中，水雾密集，水舌入水点在厂房附近。由于未充分考虑泄洪雾化影响，厂房基本被强降雨笼罩，厂房被淹，厂内电机室水深达3．9 m，停止发电49 d，少发电2亿kW·h。

黄龙潭水电站厂房淹没事故主要有2个原因组成：①洪水预报技术落后，当时每6 h预报一次降雨量，且对洪峰来流量估计不足，洪峰流量预报最大为8 000 m3／s，而实际达11 500 m3／s；②对泄洪雾化影响缺乏认识，厂房区位于雾化强降雨区。针对存在的问题提出了相应的预防工程措施：①加强洪水预报，通过调度优化泄流方式，使泄洪通道尽量远离厂房区域；②在厂房前修建挡水门，泄洪时关闭，防止雾雨进入厂房。

2．2 机电设备损坏及雾化防护

浓雾暴雨区空气含水量大，易使输变电线路放电、闪络、跳闸等，给正常运行带来困难。如新安江水电站［8］1983年泄洪时，因雾化降雨，使距坝下150 m左右处220 kV变压器7跨中有2跨跳闸，机组被迫停电；刘家峡水电站［9］在春季泄洪时，由于地处寒冷地区，输电铁塔出现由雾化水流引起的冰冻、冰挂，迫使线路停电；白山水电站［10］1986年泄洪时，挑射水流的水雾飘向空中，笼罩着河床和整个地面开关站，气流卷着雨点扑向开关设备，此时发现各开关支持瓷套有放电现象，晚间可见成片放电火花，且下泄水流冲击河床堆渣，致使飞石将临时辅助开关站、电器设备砸坏10余处。

由于对泄洪雾化影响估计不足，输、变电线路被布置在泄洪雾化影响范围内，泄洪雾化对机电设备的影响不可避免。为保障输变电线路正常运行，提出了相应的雾化防护对策：①优化调度方式，对于春季洪峰，采用提前降低库水位泄洪方式减小泄洪雾化影响；②对于主汛期泄洪，雾化影响难以避免，相应的变压器跳闸、开关设备成片发电、飞石炸坏开关站等现象不能根除，为保障输电线路正常运行，在雾化影响范围外修建备用输电线路，专供枢纽泄洪时使用。

2．3 滑坡、岸坡垮塌及工程防护

泄洪雾化形成的强降雨，一方面直接冲蚀下游岸坡，另一方面侵入岩体，增加岩体的滑动力，诱发滑坡。如龙羊峡水电站［11］，在1989年7月泄洪时，泄洪形成的强水雾作用在虎山坡不稳定岩体上，致使岩体全面大规模失稳下滑，失稳方量约为81万m3，约17万m3进入河床；李家峡水电站［12］因雾化水流入渗岩体裂缝中，引起泄洪消能区左岸边坡失稳下滑，危及泄洪建筑物的安全。

针对泄洪雾化引起下游岸坡垮塌及山体滑坡现象，在总结教训基础上，提出相应的雾化工程防护措施：①加强地质勘测，对枢纽下游岸坡稳定性进行分析，对于不稳定岩体，采用挖除或设抗滑桩等措施，控制岩体的发展，同时加强水位、变形等监测；②进行原型雾雨观测，确定泄洪雾化雨强及范围，根据雨强范围对不稳定岩体提出工程防护措施。

2．4 影响交通及对策

在泄洪浓雾强降雨区，暴雨如注，能见度低，且常伴有大风，致使交通困难或中断。刘家峡水电站、左岸泄水道泄水时，右岸为强降雨区，进厂公路基本中断，为此专修一条200 m长的防雾廊道；其它如风滩水电站［13］、东江水电站［14］、新安江水电站、漫湾水电站［15］等，均出现由于泄洪雾化影响进厂公路交通中断现象。

对于处于泄洪浓雾强降雨区的进厂公路，为保障交通运行安全，其主要对策为：①对于交通流量不大的进厂公路，汛期泄洪期间设置警示牌，禁止车辆通行；②对于承担重大交通流量的电站进厂公路，为避免交通中断及保障交通安全，应修建防雾廊道。

2．5 影响工作、生活及对策

柘溪水电站［16］泄洪时，枢纽下游浓雾弥漫，在水流入水点附近形成长约300 m的浓雾区，雾流升腾约150 m高，向枢纽下游方向逐渐变淡，雾流扩散影响到距大坝约800 m的下游山头；工程局办公楼及一部分生活区建在左岸山头，处在雾化影响区内，泄洪时该处出现大风暴雨，影响工作，被迫将办公大楼迁往右岸下游。

雾化防护工程措施：办公大楼、生活区易地重建。

2．6 影响环境

当泄洪水流中泥沙量较大时，泄洪时随着雾化水流飘散，形成泥雾。如青铜峡水电站［17］在泄洪时产生的泥雾不仅影响环境，还使露天设备、仪器表面蒙上一层泥污，影响设备的正常运行及使用寿命。

早期由于缺乏对泄洪雾化危害的有效认识，防护措施多是在工程受泄洪雾化破坏后开展的有针对性的重点防护，部分工程通过组织泄洪雾化原型观测，判断强降雨区范围，进而开展相应的防护措施。

3 泄洪雾化复合预测技术发展

随着对泄洪雾化工程危害认识的加深，水利科研人员普遍认为在雾化破坏后进行工程防护不能满足高坝安全运行要求，有必要对泄洪雾化的形成机理、雾雨强度及影响范围进行深入研究。

经过科研工作者多年研究，对泄洪雾化形成机理已逐步形成较为统一的认识。公认的造成泄洪雾化的雾源有2部分组成：一是水舌扩散掺气引起的，尤其是多股水体在空中交叉碰撞、扩散；二是水舌入水喷溅［18］产生的。天津大学刘宣烈等［19］对水舌扩散掺气和水舌入水喷溅雾化均进行了深入研究：通过研究水舌在空中的运动特性和掺气扩散过程，初步得到了水舌断面含水浓度、沿程变化以及参数间的关系式；通过特定的喷溅模拟实验，将入水喷溅现象分为撞击、溅水、流动3个阶段；通过特殊的化学试纸，研究各阶段的影响范围及雾雨强度。柴恭纯［20］、陈端等［21］分别通过原型观测对比分析和物理模型泄洪雾化成果的综合分析，认为水舌入水激溅是枢纽泄洪雾化的主要雾化源。

对于泄流雾化范围的分级和分区，目前尚未形成完全一致的认识。有的学者根据原型观测结果按降雨强度分为水舌溅水区、强暴雨区、强降雨区、弱降雨区和无降雨区［22］。在此基础上，部分学者根据雾雨强度的大小提出了初步的工程防护措施：降雨强度50 mm／h以上区域，采用浆砌石、喷锚混凝土及钢筋混凝土配合排水系统进行防护；50 mm／h以下区域，采用清理危石、松动岩体等清坡措施。

泄洪雾化预测的研究手段主要有3种：原型观测、数值模拟和物理模型［23］。原型观测是研究雾化的主要手段之一。其主要理论是通过积累原型观测资料分析得到一些相关的经验公式，以此来预测预报其他工程的泄洪雾化影响。国内有关科研和设计单位已对东江、鲁布革［23］、东风［24］、白山［25］、凤滩、湾塘［26］、刘家峡、李家峡、龙羊峡、小浪底［27］、二滩［28］、江垭［29］、水布垭等20多个水利枢纽泄洪雾化进行了原型观测研究。天津大学刘宣烈教授通过收集一些已建工程原型观测雾化资料，经统计分析后，根据坝高对拟建的工程雾化范围提出以下估计式［30］。浓雾区：纵向范围L＝（2．2～2．4）H，横向范围B＝（1．5～2．0）H，高度T＝（0．8～1．4）H；薄雾区：纵向范围L＝（5．0～7．5）H，横向范围B＝（2．5～4．0）H，高度T＝（1．5～2．2）H。但泄洪雾化影响因素复杂，水舌形态、下游岸坡型式、水舌风等均对雨区及雾区的范围有较大影响，单纯从坝高考虑枢纽泄洪雾化影响范围显然是有一定偏差的，且由于泄洪雾化多发生在峡谷高坝，观测条件恶劣，在资料的完备性及精度方面均有所欠缺。

物理模型试验是指建立一定比尺的水工模型，量测模型的降雨强度然后按一定的相似关系引申至原型。模型试验是原型观测的延伸和补充，避免了原型观测受时间和其他条件的限制，可以进行重复试验。但采用大比尺模型进行泄洪雾化模型试验，仍然存在模型缩尺效应问题。各科研机构对模型律的研究取得一些进展，但对原型、模型的模型律的认识并不一致，需进行进一步深入研究。

南京水利科学研究院通过对乌江渡［31］、小湾［32］、溪洛渡等水电站，长江科学院对江垭、水布垭［33］、构皮滩［34］等水电站以及其它科研单位对岩滩、安康、珊溪等水电站开展了大比尺模型试验，观测泄洪雾化降雨强度、雨强分布和影响范围。南京水利科学研究院通过对乌江渡1∶35，1∶60，1∶80和1∶100系列比尺研究，提出泄洪雾化模型相似需满足2个条件：①模型中水流表面韦伯数We＞500，克服表面张力的影响；②模型中水流流速V≥6．0 m／s，满足水流掺气相似，并建立了模型与原型雨强比尺与几何比尺的关系为Sr＝Lr1．53～1．64。其它科研单位对东风、岩滩和安康的物理模型建立的模型律关系为Sr＝Lr0．51～0．74。二滩水电站根据乌江渡模型律预测了降雨强度及范围，并指导原型工程防护，但在原型泄洪中，所测的雾雨强度较预测大，下游岸坡在泄洪时出现坍塌，表明该模型律仍存在进一步深入研究的必要。

长江科学院在对江垭、水布垭、构皮滩等水电站进行大比尺物理模型泄洪雾化试验时，尤其是江垭水利枢纽原型、模型雨强比较分析时，发现不满足上述的任何一种模型律，而且偏差较大。通过对试纸上降雨雨滴的进一步分析，认为雾雨雨滴由数量众多但粒径较小的优频雨滴和粒径较大数量有限的优势雨滴［35］组成。通过对其受力分析，认为2种雨滴满足不同的模型律，降雨雨强的模型律应该是二者的线性组合。该项试验研究分析拟合得到泄洪雾化的降雨强度模型律为：RmgLr1．0～1．2。其中Rp为模型换算至原型的雨强，Rmf和Rmg分别是优频和优势雨滴的雨强。

总体来说，物理模型试验直观性好，能定量描述，也积累了很多研究经验，目前的研究成果基本能够满足工程要求。但由于泄洪雾化是一个非常复杂的水、气两相流物理现象，涉及到水舌的破碎、碰撞、激溅、扩散等众多物理过程，在通过模型模拟原型的水流雾化时，物理模型相似关系（模型律）的精确性研究仍有待于进一步探索。

随着对泄洪雾化机理的认识及计算机技术和数值计算方法的快速发展，结合原型观测资料成果，科研工作者通过数学模型建立了各影响因素与雾化范围和强度的关系，为泄洪雾化影响范围和降雨强度的做出了预测。基于不同工程泄洪雾化观测资料的分析，天津大学、南京水利科学研究院［36］、四川大学［37］、中国水利水电科学研究院［38］等水利科研单位的研究者都提出了泄洪雾化影响纵向范围、横向范围以及降雨强度等和各影响因素的关系公式。武汉大学刘士和和梁再潮［39］建立数学模型对水滴抛射运动轨迹和水滴与水面碰撞过程等进行数值计算分析，可对溅水范围、影响区域及雾源量进行估算。中国水利水电科学研究院的柳海涛等［40］则开发了随机溅水数学模型，通过引入人工神经网络模块，实时判别水滴的当地风速与飞行终止条件，使模型具备模拟复杂地形与风场下溅水分布的能力。彭新民等［41］同样以BP神经网络为基础，建立了挑流泄洪雾化数学模型模拟了漫湾水电站的泄洪雾化。通过数学模型预测降雨强度及范围，为后续工程雾化防护提供科学依据。

4 雾化分级、分区防护措施研究

由于对泄洪雾化现象的深入研究，加之原型观测、物理模型和数值模拟3种研究方法的飞速发展，泄洪雾化预测技术已基本成熟，水利工程由以前的破坏—防护—观测被动的防护措施逐渐向预测—防护—观测的主动的防护措施转变，使泄洪雾化分级、分区防护措施研究成为可能。

根据已建工程的泄洪雾化原型观测资料，结合水利科研工作者对雾源的深入研究，对泄洪雾化的降雨强度及影响区域进行分级和分区，便于开展泄洪雾化研究以及制定相应的防护措施。参照自然降雨中暴雨的等级标准，结合雾化降雨特点及各科研单位对雾雨分级的思路，根据雾化降雨的危害性，按6个等级对泄洪雾化降雨进行分级。

Ⅰ级雾化降雨区：降雨强度S≥600 mm／h；

Ⅱ级雾化降雨区：600 mm／h＞S≥200 mm／h；

Ⅲ级雾化降雨区：200 mm／h＞S≥50．0 mm／h；

Ⅳ级雾化降雨区：50 mm／h＞S≥11．7 mm／h；

V级雾化降雨区：11．7 mm／h＞S≥1 mm／h；

Ⅵ级薄雾和淡雾区：S＜1 mm／h。

其中，Ⅰ级雾化降雨区主要集中在挑射水流裂散抛洒区和水舌入水激溅左右侧岸坡，通常为消能建筑物边坡，降雨强度极大，破坏力强，为了保证消能区域岸坡稳定及消能工安全，首先，水舌主流消能区应开挖足够深水垫，其次该区域边坡开挖，采用具有一定抗冲能力的钢筋混凝土护坡［42］，混凝土厚度不小于0．3 m；Ⅱ级雾化降雨区基本位于挑射水流裂散区外缘及水舌入水激溅区上下游及上部，该区域降雨强度大，破坏力较强，雨强范围也较大，部分位于消能工上部边坡，其工程防护措施常与高边坡的稳定相结合，由于涉及高边坡稳定问题，常分高程设置马道及排水设施，边坡主要以混凝土护坡为主，混凝土厚度为20～30 cm；Ⅲ级雾化降雨区位于Ⅱ级雾化降雨区外缘及随水舌风飘散的挑射水流裂散水体下游，部分与高边坡稳定相结合，通过设置锚杆并喷混凝土进行防护，部分位置以素喷混凝土进行保护，混凝土厚度为15～25 cm，同时设置马道、排水设施；Ⅳ级雾化降雨区为雾雨扩散区，其降雨强度较自然暴雨略大，但雾雨强度不大，破坏力不强，通常对自然边坡进行清坡，采用浆砌石防护为主，设马道、排水设施；V级雾化降雨区降雨强度基本同自然降雨，相应防护措施同自然降雨防护，岸坡孤石、危岩提前清理，可适当采用植被护坡；Ⅵ级薄雾和淡雾区，对边坡无明显影响，通常不必采取防护措施。

近年来，一些水利工作者对于混凝土边坡考虑采用生态恢复措施，并进行了一些有益的尝试。在不破坏混凝土防护效果的前提下，采用生态恢复措施，植被对坡面有浅层防护作用；阻止大气与坡面直接接触，有效减少自然风化；保证山体渗水顺利排除，减少渗水压力对坡体破坏；调节坡体表面的昼夜温差，减少温度变化带来的坡体表面破坏。主要的生态防护工程措施有：①对于土质边坡和软岩边坡，进行植物生态带绿化；②对于岩石边坡，采用液压喷播植被或客土喷播技术；③对于混凝土高边坡，采用植被混凝土喷射，植被混凝土分基层和面层二次喷射，基层喷射厚度为8～12 cm，面层喷射厚度为2～3 cm。混合植绿种子只拌合在面层喷射；④对于喷锚混凝土边坡，采用植生盆技术，由锚杆外端固定植生盆。

5 未来研究方向

自泄洪雾化工程破坏开始，对高坝泄洪雾化的相关研究已近30年，随着雾化研究的逐渐深入，对泄洪雾化的机理、雾源、雨强分级已有了较为明晰的认识，对造成雾化的相关因素也有了较完备的认识，但由于泄洪雾化影响因素较多，而各研究手段均有一定缺陷，致使泄洪雾化预测技术仍有较大完善空间，泄洪雾化防护措施尚需结合预测技术进一步细化。为了推动泄洪雾化的深入研究，为工程防护措施提供依据，作者认为今后的研究工作应该关注以下几点：

（1）泄洪雾化预测技术应该和谐、统一。目前，原型观测由于条件限制及测试手段的不足，雾雨强度测量数据取得较为困难，且部分数据失真，难以真实反映原型雾雨强度，有必要开发新的测量手段及技术，增加数据测量的准确度；物理模型模型律尚存在较大争议，普适性较差，应系统研究不同比尺雾雨强度与原型的对应关系，修正各模型律的参数，确立适应范围；数学模型模拟各种影响因素的方法也有待加强。3种研究手段相互促进、发展，推动复合预测技术的和谐、统一。

（2）泄洪雾化分区、分级防护需进一步细化。由于边坡破坏影响因素较多，在高坝原型中开展表面防护措施破坏性试验较为困难，雾化降雨强度对不同表面防护措施的破坏能力尚难以明晰，有必要结合基岩破坏机理开展表面防护措施效果研究，进一步推动泄洪雾化工程防护措施研究。

（3）生态防护措施的创新。水利工程边坡的生态防护和环境绿化是人水和谐的重要举措，创新性发展适合混凝土高边坡生态恢复工程措施，使水利工程混凝土高边坡防护能与环境景观协调一致。

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（编辑：曾小汉）

Research Progress of Engineering Protection M easures against Flood Discharge Atom ization of High Dam s

HAN Xi jun，QU Li guang，CHENG Zi bing
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

When flood is released from high dam，water flow atomization may cause damage to the downstream buildings，the bank slope of both sides and the ecological environment，and even will threaten the safety of the pro ject itself．Due to the continuous development of fog rain intensity forecasting technique which is driven by proto type investigation，mathematicalmodel research and physicalmodel experiment，the engineering protection against flood discharge atomization has evolved from passive damage restoration to actively adopting protectionmeasures ac cording to the prediction of rainfall intensity and atomization zone，and further developed to sectionalized protection of energy dissipating buildings and high side slopes．In this article，we summarize the investigation data of engi neering protection measures and related research results，and conclude that the damage behavior of various protec tion materials in the presence of different rainfall intensities and the impact of atomization on eco environment are important research tendencies in this regard．

flood discharge atomization；protection measures；forecasting technique；atomization zoning；research progress

TV135．2；X45

A

1001－5485（2013）08－0063－07

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．015

2013，30（08）：63－69

2013－05－03；

2013－06－22

国家自然科学基金青年基金项目（51109012）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201101005）

韩喜俊（1978－），男，山西繁峙人，高级工程师，硕士，主要从事水工水力学研究，（电话）027－82829903（电子信箱）hanhan＿1225＠yahoo．com．cn。