官地水电站泄洪雾化区边坡防护

周青 刘侠 袁琼

摘 要：底流消能是一种传统的消能方式，是通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能目的，具有消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小的特点。官地水电站采用"改进底流消能方案"即溢流表孔宽尾墩布置+连续跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式，大大缓解了泄洪消能时对消力池下游边坡的影响，经过一个汛期的运行，官地水电站雾化区范围内经过支护的边坡整体是稳定的。

关键词：官地水电站；底流消能；泄洪；雾化区

前言

泄洪雾化，是指泄水建筑物泄流时引起的一种非自然降雨过程与水雾弥漫现象，是一种具有严重危害性的雾化水流，产生大范围、高强度的雾化阵雨，直接影响泄洪雾化区边坡的稳定，对水电站的安全运行构成一定威胁，而且在雾化远区增加了空气湿度，对附近环境造成污染，影响居民的正常生活与安全生产。

据很多工程的原型观测结果，在雾化严重区域，地面降雨强度最大可达1000mm/h以上，远远超出气象暴雨的强度。如二滩水电站，1999年进行泄洪雾化原型观测期间，由于雾化降雨严重，导致了局部岸坡失稳、滑坡；柘溪水电站也曾因泄洪雾化严重影响到办公大楼及部分生活区，被迫将办公大楼迁移；刘家峡水电站，泄水道泄洪时，右岸为强降水区，阻断了进厂交通，为此特设了一道200m长的防雾廊道，即使如此，晴天也要穿雨衣通过廊道。

底流消能是一种传统的消能方式，是通过水跃产生的表面漩滚和强烈的紊动以达到消能目的，具有消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小的特点。文章以官地水电站泄洪消能为工程背景，探讨“溢流表孔宽尾墩布置+连续跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式”水电站雾化区边坡的影响范围及边坡防护措施。

1 工程概况

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江卡拉至江河口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。电站主要任务是发电，水库正常蓄水位1330.00m，坝顶高程1334.00m，最大坝高156m，总库容7.6亿立方米，水库回水长58km，装机容量2400MW。

枢纽建筑物主要由挡水坝、表孔溢流坝、泄洪中孔、右岸地下厂房等建筑物组成。拦河大坝为碾壓混凝土重力坝，枢纽泄洪建筑物由5个溢流表孔坝段和2个中孔坝段组成。溢流坝段布置于河床中部，两个中孔坝段分别布置于溢流坝段两侧。溢流坝坝体上游面上部铅直，下部为1：0.3斜坡，折坡点高程为1240.00m，堰顶前缘为1/4椭圆曲线，堰顶幂曲线方程为y=0.042854×1.85，后接1：0.75斜坡，再通过半径47.966m的反弧段与消力池相接，跌坎6.5m高。溢流坝面设有两道掺气坎（槽），以起到坝面高速水流作用下的掺气减蚀作用。

2 官地水电站的消能特点

近几年，随着社会对水土保持和环境保护认识与要求的提高，高坝泄洪及下游消能，特别是挑流消能造成的下游冲淤和强烈雾化降雨，对下游区域水土保持和环境具有巨大破坏力，因此，许多在建和将建工程放弃了挑流消能方案而选择底流消能方案。

官地水电站溢流坝消能防冲按100年一遇洪水设计，下泄流量为11900m3/s。考虑到本工程坝址岸坡稳定问题突出，消力池两岸覆盖层及变形体比较发育，泄洪消能应最大限度减小对岸坡稳定的影响。经过水力学模型试验及专题论证，从运行安全可靠角度出发，官地水电站确定溢流坝消能采用底流消能方式。溢流坝表孔泄流采用加设宽尾墩+底流泄洪消能方式，两中孔泄流采用侧向挑流进入消力池的消能方式，下游采用斜坡边墙消力池底流消能。底流消能工程的主要消能作用发生在消力池内，属水体内部漩滚消能，与挑流消能雾化相比，其雾化的程度和影响范围都小得多。

3 泄洪雾化研究方式

泄洪雾化实际上是一个非常复杂的水、气、雾多项流物理现象，其影响因素众多，包括泄水建筑物的体型及泄洪方式、上下游水位差、流量、入水流速与角度、下游水垫深度、下游地形、当地气象条件等，同时在时间上有其随机性。

泄洪雾化问题是随着高坝建设而出现的高速水流研究课题，日前对泄洪雾化的研究方法主要包括物理模型试验、数值模拟计算以及原型观测资料反馈分析。

理论分析计算通常是在引进一系列假设的基础上，通过对雾化现象进行概化处理，再根据水力学理论与方法进行定量研究。由于泄洪雾化现象复杂，影响因素众多，雾化形成机理尚不清楚，数学模型方法还不能完整模拟泄洪雾化现象，其准确性和可靠性满足不了实际工程应用要求，因此，理论计算的结果也只能是初步的，距离实际应用尚有一定距离。

原型观测方法是研究泄洪雾化问题的重要手段，相比较而言，原型观测是了解、掌握雾化现象规律性的一种最直接、最有效、最准确的研究方法。但观测工作量大，目难以取得比较全面和系统的观测资料，所以不易准确评价泄洪雾化影响。

传统水工模型试验受比尺效应影响，难以完全模拟泄洪雾化现象（特别是原型的薄雾），并且不能真实代表原型中泄洪雾化的复杂物理过程以及模型与实际之间的换算关系如何确定等核心技术问题也无定论。

三种方法各有优缺点，在现实工程中可定量计算配合定性经验类比分析来研究水利枢纽泄洪雾化问题，解决工程实际问题。

4 官地水电站底流消能泄洪雾化影响

4.1 雾化现象

官地水电站采用溢流表孔宽尾墩布置+连续跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式，水电站枢纽采用底流消能型式与下游河道水流相衔接。

泄洪时水流沿坝面出流进入消力池与消力池内水流衔接，在池内形成漩滚。在泄洪过程中坝面的水流掺气不多，破碎不严重，水滴抛洒也不多。2012年7月24日，官地水电站上游表孔泄流量最大达到7412m3/s，5个表孔同时开启泄洪，水流经过宽尾墩的挑射，在消力池内有漩滚存在，水流紊动掺气，有水滴、水块脱离池面被抛往空中和池外，虽然其泄洪雾化的雨区、雨强比挑流消能工程小得多，但是雾化问题仍然存在，尤其在泄特大洪水时，中孔参与泄洪，因泄洪时中孔采用挑流消能方式，官地水电站的泄洪雾化问题仍需引起关注。

4.2 雾化危害

泄流雾化雨，对工程的威胁日益突出，如威胁电厂正常运行、损坏机电设备、影响两岸交通、影响工作人员正常工作和生活、污染环境等，尤其泄流雾化雨形成的降水浸入岩体后一方面增加岸坡岩体的下滑力、降低岩体强度，另一方面抬高地下水位，在岸坡内形成上浮力，降低了坡体的抗滑能力，影响岸坡稳定、诱发滑坡，已成为制约水电站选点、施工进度、投资和安全运行的关键因素之一。官地水电站在下泄7412m3/s时，消力池附近左右岸低线公路雾化雨严重，到消力池泵房的路面被淹没，人已无法在附近通行、工作。

4.3 影响因素

水雾的强弱与运动范围，既取决于泄洪水力条件、边界条件，又受地形条件、气象条件等因素影响。影响泄洪雾化的因素主要有：

（1）上、下游水位差Z。它影响水舌在挑坎处的初速和入水流速。随着Z的增大，雾化越发严重。白山水电站随着库水位上升，中孔坎上水头从15m上升到66m，相应地出口流速从16m/s增到30m/s，上、下游落差从72m增至123m，而“雾化”降水量从3.2mm/h上升至502mm/h，造成了破坏性的后果。

（2）泄流流量Q。上、下游落差相同时，Q越大，能量越多，雾化越严重。乌江渡水电站在坝下80m处的同一测点测得，坝上溢流泄洪道开启4孔的降水强度是开启单孔的4倍。

（3）挑坎高程。当上、下游水位差相同时，挑坎高程低者，水舌流速高、紊动度大、掺气剧烈，雾化严重。

（4）挑坎型式。挑坎出口型式较多，如连续式、差动式叔曲式、双曲式、窄缝式、宽尾墩、加分流墩、分流齿等。纵、横扩散好的挑流鼻坎，可增加水舌在空中的消能率，但也会加大泄洪雾化程度。

（5）地形、地貌因素。地形对雾化的影响主要有以下两方面，其一是河床地形对溅水区范围的影响；其二是坝下游两岸地形对雾流扩散的影响。根据原型观测及气象学原理，得出以下初步分析结论：若坝下游河流在雾流影响范围内转彎，则会造成雾流受阻，使雾流运动所对山坡的雾流被强迫抬升，雾流上升时速度逐渐减小，从而产生雾流降雨。若两岸河宽窄于雾流宽度，则雾流将受到压缩，产生狭管效应，使两岸边坡大面积处于雾流降雨状态。若雾流区内两岸有两端开口的峡谷，雾流将在山谷风的作用下，向山谷方向移动和扩散，从而在山谷内形成雾流降雨。

（6）气象因素。气象因素对雾化的影响也比较明显，风力、风向会影响雾流的漂移和扩散，而风力大小和风向又受水力条件、河谷地形、温差等多种因素影响。

4.4 雾雨区分布

原型观测是认识泄洪雾化的重要手段，也是进行物理模型试验和数值计算的基础。我国已对乌江渡、二滩、东江和东风等高拱坝泄洪雾化进行了原型观测，取得了许多十分宝贵的资料。

有专家通过众多工程原形观测资料的统计分析，最后对拟建工程的雾化范围提出了预报估算式：

浓雾区纵向范围：L=（2.2～3.4）H

横向范围：B=（1.5～2.0）H

高度范围：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

高度范围：T=（1.5～2.5）H

式中H为最大坝高。

从而官地工程的雾化范围根据估算，大概浓雾区和薄雾区的纵向、横向和高度范围为：浓雾区纵向范围约在0+580m桩号内（大约在尾水出口附近），横向范围约340m，高度范围约135m～235m；薄雾区纵向范围约在0+1260m桩号内（大约在下游索桥附近），横向范围约680m，高度范围约260～420m。

5 雾雨区边坡防护的主要措施

为减免泄洪雾化的不利影响，雾雨区边坡必须要把松散、不稳定块体清除，并采取必要的工程措施加强支护。

主要采取了以下工程处理措施为：

（1）边坡表面清理

对边坡表层进行清理，除去表层覆盖层及松散岩体。

（2）挂网喷混凝土

为防止雨水渗透造成边坡抗滑稳定性降低，对边坡表面采取挂钢筋网喷混凝土护面的方式进行防渗支护（C20混凝土，厚10cm；挂网钢筋Φ8@20×20cm）。

（3）锚杆支护

采用长6m的Ф25系统锚杆及长9m的Ф32系统锚杆交错布置，俯角15°，间排矩2.5m；单排锁口锚杆Ф32，L=12m，间距2.0m。

（4）锚索框格梁支护

开挖边坡预应力锚索参数初拟为：2200kN锚索，锚索间距5m，L=35m/40m，倾角15°。C25锚索横梁，梁截面60cm×80cm。

（5）排水措施

为便于地表积水迅速排走，在边坡外围应设置环形排水沟；边坡上设置排水孔便于排走入渗的水量。

6 结束语

根据众多工程经验，对雾雨区边坡支护最有效的措施是采取衬护加固并设置通畅的排水，并且要制订适当的运行调度方式，在泄洪时优先开启中间表孔泄洪，或对称、同步开启表孔泄洪都是能减小泄洪雾化的有效措施。

后期可根据电站的运行，进行雾雨区原型观测，并加强对雾雨区边坡的安全监测，如发现危险边坡，应及早进行支护处理。

官地水电站经过一个汛期运行，雾化区边坡的支护范围是恰当的，经过防护处理后的泄洪消能影响区的边坡整体是稳定的。