锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化及防护对策

骆建军

（甘肃江河水利工程建设有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着社会对电能需求的不断增大，高坝修建也随之日益增多，高速水流带来的问题日益严重，尤其是泄洪雾化，若处理不当，将严重影响水电站的安全运行[1]。锦屏一级水电站是高坝泄洪的典型，水库正常蓄水位为1 880 m，死水位为1 800 m，当水流由泄洪洞倾泻而下时，泄洪雾化成为必然，并带来了各种危害。基于此，文章对泄洪雾化现象就此展开探讨。

1 泄洪雾化的机理

泄洪雾化，是水电站高坝泄洪时伴生的雾和雨的统称，是一种较为复杂的水—气与气—水两相，雾化流态受到泄洪方式挑坎形状、上下游水位差、入水流速、入水角度等的影响，还受到下游气象条件、地形地物等的影响。

综合学者姚克烨、刘宣烈等的研究成果，可将泄洪雾化的机理概括为：当水流由泄洪洞降落，高速运动的水流与空气相互摩擦，导致水流紊动，水流表面出现波纹，并向外扩散、掺气，水滴四射，雾化现象因此产生，这是泄洪雾化的一个主要来源。当泄洪洞水流进入下游河床时，较大的重力势能，导致下游河床中的水四处喷溅，喷溅的水滴受到阻力、重力、浮力等影响，生成水汽状态，导致附近降雨，此为雾化现象的另一来源[2]。随着雨水不断降落，雾气会逐渐变淡，降雨强度下降，雾区逐渐转淡。

2 锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化的主要因素

锦屏一级水电站运行时，泄洪洞中的水流向下倾泻，在这一过程中，气体掺入其中，形成水汽状态，此为泄洪雾化的主要原因之一。在泄洪洞的出口处，以不对称的燕尾状作为挑坎挑流，以此消能，下流的水舌形态类似于窄缝水舌形态，呈现纵向拉长之势。此时，泄洪洞的泄流能力已经达到3 254/3 311 m3/s，在泄洪水流消能中，水流中会掺入空气，导致气水比随着沿程不断增大，水流表面有破碎水体成束、成片飞出，并伴随有水雾。并且，在水舌向下流动时，会与拖拽的空气形成强烈的泄洪水舌风。而不规则的燕尾挑坎，更是增大了水流掺气、扩散并雾化的状态。实际上，挑射水流之所以在空气中掺气扩散，形成雨雾，与泄洪水挑流形成的初始速度关联密切，初始速度越快，水流紊动现象越激烈，锦屏一级水电站身为我国第一坝，泄洪洞高约1 800 m，泄洪流在龙落尾反弧段的末端流速高达50 m/s，泄洪雾化现象尤其明显。

泄洪水舌入水后，强烈的冲击力，将激溅的水滴分成若干份，形成了泄洪雾化。据模型试验检测得知，当泄洪水位高达1 880 m时，泄洪洞水舌的挑距在84～204 m左右，最大波浪的高度约有3 m，水舌入水位置偏向左侧，水流却不会像左岸冲顶。泄洪水流高速下落，势能的影响，使泄洪流与下游的水面激烈撞击，泄洪流被反弹，泄洪流入水的周围出现激烈的溅水现象。可以说，激溅出的水流速度快于入水水流速度，在强大气流的作用下，溅射的成片水形成水雾，在泄洪流入水的周围形成大面积的降雨区，导致浓雾弥漫[3]。

3 泄洪洞泄洪雾化区的主要分布

为掌握泄洪洞的泄洪雾化区的分布状况，设计人员进行了模拟试验，结果显示，锦屏一级水电站的泄洪雾化区相互独立。其中，泄洪雾区主要集中在挑流水舌的入水点周围，即左岸桩号1+200～1+320 m之间的区域，入水位置偏向左岸处，水舌入水之后，因激溅导致的降雨强度在100～300 mm/h之间，因泄洪雾化偏向左岸，左岸雾化的范围与影响明显高于右岸。

结合模型试验成果与工程原档案分析，锦屏坝下左岸桩号1+200～1+500 m范围内，高程1 710～1 730以下，右岸桩号1+200～1+400 m范围内，高程1 710 m以下，降雨强度q＞50 mm/h；在坝下左岸桩号1+100～1+650 m范围内，右岸桩号1+100～1+550 m范围内，高程在1 710～1 770m之间及1 710 m以下，降雨强度在10～50 mm/h间，泄洪洞周围及其他范围的降雨强度＜10 mm/h。

4 泄洪雾化的降雨强度分级

在泄洪洞的雾化区，常出现降雨现象，而降雨强度与雾区浓淡相关联，且每小时的降水强度、降水量有所不同。一般来讲，雾化区的降雨强度多在10～20 mm/h左右，持续时间约3～5 h。由泄洪洞泄洪形成的雾化降雨多是短时间、小范围暴雨，强度大于气象台对暴雨的定义，因此，文章选择了某地区夏季降雨作为我国气象降雨的标准，将其与泄洪雾化区的降雨量进行对比，结果发现。

该地区夏季24 h降水量如下所示：微迹＜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内的降雨强度为：微迹＜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。

在锦屏一级水电站，泄洪消能的布置与泄洪雾化区基本地形条件上，对泄洪雾化进行模拟试验，根据文章某区域的气象数据，对泄洪雾化区的降雨强度进行定义与分级，将泄洪雾化强度进行分级。

泄洪洞水流下落时，水舌裂散与激溅的区域，形成特大暴雨，降雨强度＞50 mm/h；浓雾暴雨区，介于大暴雨与暴雨之间，强度在50～10 mm/h之间；薄雾降雨区，介于大雨和中雨之间，强度在10～2.1 mm/h之间；淡雾水汽飘散区，小雨之下，降雨强度＜2.0 mm/h。

5 边坡稳定安全的控制标准

面对锦屏一级水电站泄洪雾化的影响，为提高边坡防护措施，应了解边坡稳定的级别划分，掌握边坡设计的安全系数，为边坡防护提供可靠依据，以此降低泄洪雾化带来的影响。据悉，对于锦屏一级水电站的泄洪边坡，可依照《水利水电工程边坡设计规范》规定，将边坡级别划分为以下三级：一级边坡。即影响一级水工建筑物安全的边坡，在泄洪雾化影响下，一级边坡易发生滑坡并产生危害性涌浪，危害一级水工建筑物的安全；二级边坡。一旦二级边坡受到威胁，将影响二级与三级的水工建筑物的安全；三级边坡。一旦泄洪雾化影响到三级边坡的安全，极易影响边坡整体稳定性，并导致边坡滑坡，影响四到五级建筑物安全。在选择极限平衡法中的下限解时，边坡的安全系数应不低于表1所规定的数值。

表1 水利水电工程边坡设计的安全系数

6 锦屏一级水电站泄洪洞泄洪雾化的影响与防护措施

泄洪雾化带来的影响主要表现在以下几点：其一，长期影响下，泄洪雾化带来的强降雨浸入了岩体，泄洪雾化区域内的自然边坡下滑力增加，同时，边坡内会形成一定上浮力，降雨坡体的抗滑能力下降，边坡稳定性难以保障，增大了滑坡的危险性。其二，在泄洪区域内，大雾伴随着强降雨，能见度较低，还时常伴随速度在10 m/s以上的大风，两岸交通受到严重影响。其三，在浓雾区域，浓雾直接影响了工作人员的正常工作与生活。

对此，针对泄洪雾化做好防护措施，具有重要意义。

泄洪洞出口的桩号1+100～1+600 mm之间，受到泄洪雾化的影响最为严重，左岸边坡由7～8层大理岩构成，右侧边坡由6层大理岩构成，长期受到泄洪雾化的侵入，浅表部的岩体卸荷强烈、结构松弛、稳定性低，危害性较大。对此，在桩号1+ 100～1+650m范围，强降雨＞10 mm/h，两岸边坡应选择浅层锚喷保护，对于强降雨＞50 mm/h，两岸边坡应选择混凝土护坡。同时，将河道两岸边坡支护去的覆盖层、危石清理干净，做好排水设施与拦石设施。同时，对于边坡不利结构面，应加强锚索支护，降低泄洪雾化带来的影响。

并且，为降低泄洪雾化的影响，应定期对枢纽工程区的边坡、水库边坡等进行检测，保障其持久状况、短暂状况、偶然状况能够打到上述数值，始终保障边坡的安全性。

在锦屏一级水电站中，泄洪洞泄洪雾化对边坡的影响主要为左岸与右岸区域，对此，左岸自然边坡的主要防护措施如下：在左岸A区域，左岸桩号1+200～1+260 m区域，应保障防护高程在1 710～17 70 m之间。在左岸的B区域，左岸桩号的1+260～1+304.7 m区域内，防护高程应达到1 710～1770 m。在左岸C区域，左岸桩号的1+304.7～1+400 m区域内，防护高程应达到1 710～1 775 m。在左岸D区域，左岸桩号的1+400～1+500 m区域内，防护高程应达到1 710～1 775 m。在左岸E区域，左岸桩号的1+500～1+550 m区域内，防护高程应达到1 710～1 775 m。在左岸的F区域，左岸桩号的1+550～1+600 m区域内，防护高程至少应在1 685～1 740 m。在左岸G区域，左岸桩号的1+600～1+650 m区域内，防护高程至少应在1 685～1 710 m。在左岸的I区域，左岸桩号的1+550～1+650 m区域内，防护高程至少应在1 680～1 685 m。左岸桩号的1+100～1+200 m区域内，防护高程1 670 m或者1 680 m以上的应清除覆盖层。在左岸H区，左岸桩号的1+200～1+550 m区域内，防护高程至少应在1 680～1 710 m。

右岸的自然边坡防护措施如下：在右岸A区域，道班沟的沟口上游侧为自然边坡，在山梁开口线外的55 m范围，防护高程应达到1 670～1 750 m；在右岸的B区域，右岸桩号的1+300～1+400 m区域内，防护高程至少应达到1 670～1 740 m；在右岸的C区域，右岸桩号的1+400～1+550 m范围之内，防护高程应达到1 670～1 715 m，如此，方可保障右岸防护边坡的防护作用，有效降低泄洪雾化的影响。

7 结语

总而言之，锦屏一级水电站作为世界第一高双曲拱坝，是我国水力发电的重要区域，为我国提供了充足的电能。但是，在泄洪洞下泄过程中，带来较大效能的同时，也导致泄洪雾化，为周围环境带来一定威胁。面对雾化为水电站带来的影响，对于雾化严重的区域，应积极采用适当的防护措施，不影响消能效果的同时，提高边坡强度，避免滑坡威胁。