高坝泄水雾化机理探讨与防治措施综述

李万军 雷霄雯 王协康

高坝泄水雾化机理探讨与防治措施综述

李万军1雷霄雯2王协康2

（1．四川省水利水电勘测设计研究院 四川成都 610072；2．四川大学水利水电学院 四川成都 610064）

高坝具有落差大、泄洪流量大特点，当河谷狭窄时泄水雾化问题尤为突出，可能危及工程安全运行，影响大坝消能区周边环境。本文归纳分析了国内雾化研究方法与成果，总结了高坝泄水雾化机理与防治措施。

泄水 雾化 机理 防治

1 概述

随着我国西部大开发战略的实施，水利水电工程的建设规模不断扩大，建于狭窄河谷之中的高坝也愈来愈多。当水库大坝工程水头高、单宽泄量大、泄洪总功率大时，在挑流、底流、面（戽）流三大类消能方式中，合理选择消能方式尤为重要。据不完全统计，国外高于100m的403座水库大坝中，采用挑流消能方式的水库大坝有378座，占93. 8%，且坝高超过200m的高坝中仅有4座采用底流消能方式，其余均采用挑流消能方式，挑流消能方式的泄水雾化问题最为突出。雾化是由过水建筑物泄水而引起的水雾弥漫现象与非自然降雨过程，当水库大坝泄流中产生严重的雾化时，不仅会危及两岸边坡稳定、影响电站附近电气设备正常运行、干扰厂区交通，还会改变下游生态环境，如泄水雾化引起坝下游局部区域能见度降低、空气湿度增大、降雨强度变化剧烈、温度突变等现象。泄水雾化成因机理十分复杂，它既涉及到过水建筑物泄流水力学问题，同时与水库水温、坝下地形、风向等自然条件有关。许多专家学者通过模型试验和原型观测研究泄水雾化，分析推导了一些数学估算公式，也有研究人员采用数学模型解析雾化问题。大家通过各种方法分析研究雾化形成机理、雾化范围及降雨强度，结合原型观测资料，提出雾化防治措施。

2 雾化的机理分析

高坝过水建筑物泄水所产生的雾化是一种复杂的水～气混合流现象，其除受过水建筑物的泄水方式、上下游进出口水位差、单宽流量、出口流速、水舌入水角度等条件影响外，还与进水口取水温度、出水口风向、气温等条件以及下游河床及河谷地形地貌等因素有关。15

通过高坝泄水的原型观测验证，目前对泄水雾化的形成机理及雾化分区已有较统一的认识。雾化主要是在过水建筑物挑起水舌和水舌射入下游水面两个阶段形成。过水建筑物挑起水舌形成雾化的机理是高速水流与建筑物边界及周围的空气摩擦，射流水舌表面产生波纹，引起水流内部紊动，出现扩散、掺气、水滴撞击与飞出，产生雾化现象；而水舌射入下游水面形成雾化的主要机理是水舌进入下游河床水面时，首先与下游的水面发生碰撞，在下游水体的压弹效应与表面张力作用下，产生水流、水滴的喷溅，溅出的水体受压力突变、空气阻力与重力的综合作用，同时受水舌风、下游河谷风速的影响，在水舌入水点附近产生升腾、漂浮雾化现象。武汉大学刘士和、梁在朝等通过大量试验，模拟了水舌入水喷溅的撞击、溅水和流动3个阶段，验证了撞击力改变了水舌的流速大小和方向，并产生喷溅现象。喷溅范围主要取决于喷溅出射角、初始起抛速度、喷溅水滴的大小、下游水面波动与水深、空气阻力以及水舌风的大小。在水舌高速水流带动下，水舌周边产生了水舌风，进一步分散水舌，水滴破碎，飘浮在空中的小粒径水滴形成水雾，气流将低层水雾输送上层形成对流，在消能区域及附近形成降雨，随着水雾向四周扩展，水雾浓度逐渐变淡，降雨强度也就逐渐减小。

3 泄水雾化分布范围和降雨强度研究

20世纪80年代到90年代初期，专家学者们开始对雾化进行比较集中的研究，通过物理模型试验，总结出了一些经验公式，对雾化有了定量的分析。90年代中期以后，对泄水雾化的数学模型进行了一系列的探讨。南京水利科学研究院的吴时强、吴修锋、周辉等开展了底流消能方式水电站泄洪雾化模型试验研究；武汉大学的刘士和、梁在朝深入研究了挑流雾化，重点研究挑流水舌段掺气散裂射流的特性，雾化流的雾流源量及雾流的侧向扩散等关键问题，建立了挑流雾化计算的数学模型；天津大学的张华、练继建等建立了底流泄水雾化数学模型，根据湾塘水电站原型观测数据，对底流泄水雾化的数学模型进行了反分析；四川大学的李渭新、王韦、许唯临等研究了挑流消能雾化纵横范围及降雨强度关系式；中国水利水电科学研究院的孙双科、刘之平通过对部分已建工程的泄水雾化原型观测资料的收集、归纳、分析，基于量纲分析方法建立了估算泄水雾化降雨纵向边界的经验公式；长江科学院的陈端、金峰结合原型观测和模型试验成果，对泄水雾化雨强的模型进行了新的探索，系统研究雾化模型的测试分析技术，研发出雾化粒度数据处理系统。

随着对泄水雾化研究的深入，出现了数值模拟分析计算新的研究方法，南京水利科学研究院的陈慧玲、姜树海、周辉等根据鲁布革水电站工程泄水雾化原型观测资料，应用模糊数学理论推理模式提出了挑流泄水雾化降雨的模糊综合评判模式和评价方法，可用于分析和预测雾化降雨强度和影响范围；中国水利水电科学研究院的刘之平、戴丽荣，柳海涛等利用人工神经网络在处理非线性的独特优势，建立了挑流泄水雾化影响范围的人工神经网络预测模型和泄水雾化预测的人工神经网络方法，利用人工神经网络模型预测的拉西瓦水电站泄水雾化接近实际情况；天津大学的练继建、黄财元采用蒙特卡罗方法，在考虑泄洪消能区的地形条件和环境风等因素的影响下，建立了挑流泄水雾化数学模型，所计算出雾化范围和降雨强度分布规律，以及雾化范围纵向和横向最远点更加接近原型观测资料；河海大学、南京水利科学研究院的黄国情、吴时强、陈慧玲开展了高坝泄水雾化模型试验研究，依据二滩、安康、岩滩和小湾等工程的泄水雾化物理模型试验和原型观测资料与成果，设计了溪洛渡水电站雾化物理模型，经实验研究，提出了溪洛渡水电站不同运行工况下泄水雾化雨强分布规律。中国水利水电科学研究院的柳海涛，孙双科，刘之平改进了水舌喷溅的随机计算理论，提出的随机数学模型可反映水舌入水形态与溅水分布状态，具备模拟复杂地形在风场作用下水舌喷溅水的分布能力。长江勘测规划设计研究院的罗福海，李伟，向光红分析水布垭电站1∶50比尺的泄洪雾化模型成果，类比同类工程原型观测资料,预测了雾化的影响范围,并按P＝1%的泄洪标准,确定了雾化的防护分级、分区范围,提出了雾化的安全防护措施。长江科学院的韩喜俊，渠立光，程子兵通过对一系列工程雾化防护措施的调研，总结了高坝泄水雾化工程防护研究成果，提出了不同防护材料在不同雨强作用下的特性，以及雾化对生态环境的影响将是今后研究的重要问题。

多年来主要采用原型观测、物理模型试验及数值模拟计算3种方法，研究泄水雾化的影响范围、降雨强度等。大型水利工程过水建筑物大多都进行过水力学模型试验，由于模型的比尺效应问题，过水建筑物的水力学特性在实际运行中是否达到了设计要求，尚需通过工程原型观测验证。泄水雾化的原型观测内容包括泄水雾化影响范围、雾化降雨强度分布、以及相应的水力学条件（泄洪流量、上下游水位、闸门开启组合与开度等）与气象条件（风速、风向、空气湿度、气压等）。

通过众多学者对泄水雾化机理、分布范围和降雨强度的研究，以及一些水库大坝泄水的原型观测分析，取得以下共识：

（1）泄水雾化始终伴随水工建筑物泄洪而产生，随着泄水落差、流量的增大，泄洪消能越集中，雾区内最大降雨强度也增加。

（2）泄水雾化雨强度、雨区、雨滴谱特征与泄洪建筑物布置方式、消能方式密切相关。

（3）雾化雨区内降雨强度差异性大，通常以水舌入水处为中心向四周扩散，越远离水舌中心雾化降雨强度越小，超出泄水孔出口高程以上雾化区，随着高程升高降雨强度逐渐减小。

前面案例提及的那位孕妈妈通过医生的检查发现肿块形状规整，圆形，表面光滑，质地韧，可以活动，并做了B超检查，诊断为乳腺纤维瘤，对孕妇、宝宝均无不良影响，孕期观察就可以了，产后可以正常哺乳，停止哺乳后可以做手术切除，全家人终于放心了。

（4）泄水建筑物在相同的泄流条件下，对雾化范围内同一测点，下游自然风与水舌风同向时雾化降雨强度增大，反之则减小；同时，若该测点临近陡坡则雾化降雨强度增大，远离陡坡则减小。

（5）泄水雾化降雨强度、范围也与雾化区河谷地形密切相关，当坝址下游河谷狭窄、山坡陡峭、冲沟发育时，水舌入水激溅的雾化范围覆盖陡峭山坡或冲沟时，可改变雨区、雾区形状，增加山坡、冲沟降雨量，可能在冲沟形成较大流量的洪水。

4 泄水雾化的危害及防护

分析高坝泄水雾化的机理，过水建筑物下游消能区形成的雾化是一种不可避免的自然现象，对工程与环境两方面造成影响。工程影响方面主要表现在泄水雾化直接威胁到厂房、开关站、厂区道路等水工建筑物和电气设备的正常运行，并危及进厂交通以及下游两岸边坡的稳定；而环境影响方面主要包括雾化水雾弥漫与非自然降雨过程对自然景观、周边居民的日常工作与生活等都可能产生一定的影响。因此应采取合理的防护措施，预防泄水雾化对水工建筑物与电气设备正常运行以及周边环境的危害与影响。

（1)水电站厂房淹没及防护措施

下游雾化区内形成暴雨径流时，当电站厂房排水不畅，将使厂房进水造成积水。如1980年黄龙滩水电站遭受50年一遇洪水，洪水流量为11500m3/s。为保障水库大坝安全，要求6个潜孔及深孔参加泄洪，历时33h。水流经差动式鼻坎水舌挑射向空中，入水点正好在厂房附近。泄水产生雾化区，笼罩了水电站厂区，形成暴雨强度约3600 mm /h, 电站厂房内的发电机室积水深达3.9m，停止发电49天，少发电两亿度，损失惨重。

为保证水电站厂房正常运行，可采取在进厂房门前修建挡水门工程防护措施，大坝泄水前，关闭挡水门，防止雾化强降雨水进入厂房。其次采用非工程措施，加强水文预报，优化过水建筑物的调度方式，使挑射水舌入水点尽可能远离厂房。

（2)输配电设备损坏及防护措施

受雾化影响,引起正常运行输配电设备或线路产生放电、闪络、跳闸等，造成输电线路断电。如新安江水电站在1983年汛期水库大坝泄洪时，因下泄水流雾化产生的降雨，使距坝下150m左右处220kV变压器站7跨中有2跨跳闸，机组被迫停机。刘家峡水电站春季泄水时，因雾化在输电线铁塔上冰冻，形成冰挂而迫使线路停电。

对已建工程的输配电设备或线路，可采取在雾化区外修建备用设备或改建输电线路工程措施，当泄水时启用备用输电线路。优化水库调度方式，降低库水位或调整泄水时段等非工程措施，减小雾化影响。

（3)进厂交通中断及恢复措施

新安江、凤滩、刘家峡等电站的进厂交通受泄水雾化影响，形成倾盆暴雨，并伴随着风速10 m／s以上的大风，造成厂区交通中断。

对汛期还承担大流量的进厂通道，在雾化区的影响范围内，应设置防雾廊道，保障进厂交通的通畅。如刘家峡水电站进厂公路穿过左岸溢洪道泄水雾化形成的强降雨区时，专门修建了200m长的防雾廊道；当汛期水电站厂房不发电或交通流量不大时，可临时禁止车辆通行，并设置警示标志。

（4) 两岸边坡的失稳及加固处理措施

雾化形成的降雨浸入岩体后，一方面降低岩（土）体边坡的抗滑指标，另一方面增加了岩（土）体内的渗透力，使雾化区两岸边坡抗滑稳定性降低，诱发边坡滑坡。如龙羊峡水电站距离坝轴线下游300m处的右岸岩体边坡,在泄水雾化作用下发生了滑坡，失稳方量约81万m3，其中17万m3岩土滑入河床。李家峡水电站也因泄水雾化降雨，雨水渗入岩体发育的节理裂隙中，造成泄水消能区左岸边坡失稳，并危及水工建筑物的安全。

对泄水雾化可能引起雾化区两岸边坡的稳定问题，首先要加强工程地质勘测工作，分析确定不稳定边坡，采取挖除或锚固、抗滑桩等处理措施，保持边坡稳定。同时加强泄水雾化区的模型试验和原型观测，明确雾化雨强及范围，做好边坡排水与防护等工程措施。

（5) 影响下游生态环境的对策

柘溪水电站泄洪时，在射流入水点的消能区形成长约200～300m、升腾高度达150m的雾化，弥漫扩散到坝下800m处，使位于左岸山头的工程局办公大楼及部分生活区内，狂风暴雨穿堂入室，改变了原气候环境，影响正常工作和生活，为此办公室大楼和部门生活区被迫迁到右岸。

5 结语

（1）泄水雾化是由过水建筑物泄洪而引起的水雾弥漫现象与非自然降雨过程。在挑流、底流、面（戽）流三大类消能方式中，挑流消能方式的泄水雾化问题最为突出。

（2）泄水雾化通过物理模型试验能定量描述雾化范围和降雨强度的趋势，直观性较好，可重复试验，可预测工程的泄水雾化问题。但物理模型试验存在模型与原型相似关系，不同比尺模型测试雾化范围、降雨强度有所不同的问题，以及物理模型局限于所试验研究的具体工程，其适用性、普遍性较差，还应建立与原型的对应关系。

（3）数学模型可结合原型观测资料，建立各种影响因素与雾化范围和降雨强度的关系，能够模拟泄水雾化各种影响因素，预测雾化范围与降雨强度，为工程防护雾化提供技术依据。

（4）泄水雾化原型观测是研究雾化的主要方法之一，收集大量的已建工程泄水原型观测数据、资料，分析拟合雾化分区、降雨强度的经验公式，可指导、修正物理模型和数学模型的研究。高坝的消能工选择挑流方式时，应进行泄水雾化原型观测。

（5）鉴于泄水雾化的因素较多，三种主要研究方法各有特长，雾化研究应结合工程实际，可采取相互利用、融合、提高的综合方法，进一步系统、全面、深入的研究泄水雾化问题。

（6）合理的泄水建筑物布置、消能方式的选择，是防止泄水雾化危害的根本，而泄水雾化的物理模型、数学模型试验以及原型观测研究为水工建筑物布置、选型提供了技术支撑。

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15作者简介：李万军（1969年—），男，教授级高级工程师。