大壩泄洪霧化環境影響及防護措施分析

楊 平

（貴州劍江控股集團有限公司）

1 引言

受多種因素影響，水力工程建設一般沒有高水頭、大流量的要求，泄洪霧化的情況較少，因此對該方面的研究也較少，并沒有系統的研究，中國已經建成的水利樞紐中，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，相關科研工作人員應該對泄洪霧化的危害性有一個充分的認識，從而有利于工程建設中規劃設計階段工作的有效開展。

2 泄洪霧化現象及其危害

在水電工程的泄洪環節，傾瀉下的水流會處于急流狀態，也有的會處于挑射流狀態，而受內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，進一步導致水體失穩，從原來的水流主體中脫離形成水滴。然后對于脫離出來的雨滴，其中較大粒徑的水滴后續會經歷降落成雨的過程，粒徑較小的水滴受重力作用不大，會懸浮于空中形成霧。未脫離的剩余水體會繼續下落至下游河床，碰撞的同時產生水體噴濺的情況，而這部分水體受多種力的作用，包括重力、阻力以及風力等，發生斜向拋射，落到射流的入水點附近，進而形成降雨，上述過程會產生大量的小粒徑水滴，這部分水滴仍然會懸浮于空中形成濃霧，霧滴再受風力作用，擴散形成霧流。研究表明，水頭越高，會導致泄洪流量越大，產生霧化降雨的范圍越廣闊，降雨強度也越大。

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象，隨著水位差的增大，霧化現象越嚴重。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，具體數據為從15 m上升到66 m，出口處的流速不斷增加，具體數據為從16 m/s增加到30 m/s，上、下游落差不斷增大，具體數據為從72 m增加到123 m，霧化現象帶來的降雨量不斷加劇，具體數據為從3.20 mm/h增加到502 mm/s，上述數據可以直觀看出，該因素影響下導致的嚴重后果。

3.2 泄流流量

當上、下游水位差不變時，泄流流量越大，會產生越多的能量，從而會導致更加嚴重的霧化現象。以烏江渡水電站為例，在壩下的80 m 的位置取一個試驗點，后續所有測定工作位置不變，改變壩上溢流泄洪道開啟的孔數，分別測定不同孔數下的降水強度，分析試驗數據可得，開啟的孔數越多，降水強度越大孔數為4 時，其降水強度為孔數為1時的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，內部紊動越劇烈，也就更容易摻氣，因此產生的霧化現象更加嚴重。

3.4 挑流鼻坎型式

所選取的挑流鼻坎具備良好的縱、橫擴散性能時，利于水舌向空氣散能，但并不會改善泄洪霧化現象。

3.5 水舌碰撞影響

研究表明，對于拋射挑流水舌和碰撞水舌而言，水位落差相同時，引發的霧化現象并不相同，且后者要大于前者。

3.6 地形的影響

霧雨受風力影響擴散，遇到阻礙在合適的條件下會產生降雨。研究表明，處于開闊的河道時，水霧比較容易消散；霧雨爬高較低時會加劇霧化現象；在河道轉彎的位置及山體岸坡變化的位置容易產生霧化現象。

3.7 氣象因素的影響

氣象因素是影響霧化現象的一個重要因素，晴天時的霧雨范圍要明顯小于陰雨天氣，在1 d內的時間推移也會影響霧雨范圍，在溫度較高，日曬較強烈的時間段，霧雨范圍要明顯小于溫度較低，日曬較弱的時間段。同時，風力也會影響霧雨現象，隨著其方向與大小的改變，霧雨范圍隨之變化。此外濕度、氣壓等因素對霧化現象的也有所影響。地形和氣象等抽象因素較難用于數值計算，而借由蒙特卡羅方法，利用其隨機抽樣的特性，可以將這類因素加入已有的數學模型中。

3.8 工程結構的影響

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，降雨強度也更大。

4 泄洪霧化的防治措施

泄洪霧化降雨強度較大時，會導致非常嚴重損傷以及安全事故，包括山坡坍塌、交通中斷、電器設備毀壞等，甚至會帶來人員傷亡。從諸多實例事故中總結分析可得，樞紐布置不當以及忽視泄洪霧化問題是兩個關鍵點，因此，必須采取相應的措施避免事故的發生。

在工程建設中高壩樞紐設計階段就需要充分考慮霧化現象，后續樞紐布置與水力學研究都需要，制定的方案在保兼顧該現象，制定的方案在保障安全的前提下，再考慮經濟問題，以防范工作不到位，后期要面臨嚴峻的治理工作以及出現嚴重的損傷問題。

對于重要電氣、交通通道、辦公以及居住點位置的選取應該科學合理，不能處于泄洪霧化降雨強度較大的地區，而特殊情況下需要安置于這類地區，需要提前做好防護工作。對于霧化降雨強度較大，大于天然降雨強度的山坡部位要做好護坡防護工作。對于大面積的霧化降雨強度較大的區域，可以將該區域按照一定的標準，進行等級劃分，然后對不同區域分別進行針對性防護處理等工作，其中，對于以下區域，包括設有重要的建筑物、交通通道以及避不開II、III、Ⅳ級霧化雨的區域，相關科學合理地設置好避雨設施和排水設施。

5 結語

綜上所述，中國經過對泄洪霧化以及相關情況近30 年的較為系統的研究，不斷深入對泄洪霧化現象的認識與探索，對其危害以及主要的影響因素也有了較為清晰的認識。但是泄洪霧化問題本身有著一定的復雜性，為了更加明確泄洪霧化現象相關問題，避免出現嚴重的損傷情況，以及為相關工程防護與治理工作提供足夠的理論基礎，相關研究工作還應該繼續深入。最后，接下來的研究工作重點主要包含兩個方面：一是測試技術的改進，從而增加獲取原型資料的途徑和提高測定數據的精度與可靠性；二是應該對霧源量方面進行專門深入的研究。