高坝泄洪雾化综述

摘 要 ：高坝泄洪伴随的雾化现象是一个复杂的物理现象,雾化所产生的暴雨和雾流将对坝区周围人民群众的日常生活、坝区的交通运行、电厂输便线路的安全构成侵害与威胁.总结多年来我国各学者科研机构对雾化问题的研究成果,综述了各个学者关于雾化的机理、雾化的分区、雾化范围的估算方法的研究,结合具体的工程指出了目前对于雾化影响范围的预估体系,同时归纳了针对雾化问题所采取的工程防护措施.

关 键 词 ：泄洪雾化；雾化分区；机理；预估范围；工程防护

中图分类号：TU

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2012）07-0180-02

近年来,我国的水利事业取得了巨大的发展,随之而来的就是世界高坝建设中心定在了中国,在中国及各方的努力下,我国建立了一大批高坝和超高坝.随之挑流泄洪所伴随的雾化现象,得到广泛的关注.雾化的直接后果就是它所产生的水雾会在雨这形成非常大的暴雨,产生的暴雨的雨强往往可以超过我国大气降雨的极值；在雾流扩散区所产生的雾雨和雾气会蔓延数千米,造成降雨和大雾天气.如1986与1995年,白山水电站曾两次泄洪,在泄洪过程中产生的雾化现象、加之、飞石以及形成的水舌风对水电站的正常运转造成了巨大的冲击与影响.还有就是1997年李家峡水电站泄洪时形成的雾化现象导致周围大规模的上体滑坡；1999年二滩水电站泄洪形成的雾化雨导致了下游岸体的滑坡与坍塌.研究资料表明,高坝挑流形成的雾化现象将带来严重的破坏性,主要表现在：电厂不能正常运转,从而构成威胁；影响机电设备的正常运行；对枢纽下游两岸岸坡的稳定性构成威胁；导致库区交通或居民生活困难；对下游生态环境造成严重破坏.泄洪的雾化现象已经成为水利安全必须全面研究和解决的重要课题之一.高坝泄洪工程中,虽然雾化现象是不可避免的,但是雾化所带来的危害可以通过在设计阶段采取一些措施来进行避免.

1.雾化的机理

由于泄洪所产生的雾化流是一种很复杂的水――气和气――水的两相,流态受泄洪的方式挑坎形状、上下游水位差、入水的流速和角度的深刻影响,包括下游的气象条件、地形地物都会对他形成影响.

综合姚克烨、刘宣烈等的研究成果,挑流雾化的机理可以概括如下：雾化的一个来源是高速水流在受到周围的建筑物及空气的摩擦的时候,水流内部会出现紊动,射流水股表面产生波纹,会出现扩散、掺气、还有水滴飞出,于是就产生了雾化现象；另一个雾化现象的主要来源是由于水流到达下游河床的时候,同下游的水产生碰撞,加之下游水的压弹效应及表面张力而产生喷溅,溅出的水体在受到空气阻力、还有就是浮力及重力的影响,还有坝后的风速场作用,在射流入水点的附近水域降落形成了降雨,也就又产生了雾化.在水舌风影响下,分散的水滴进一步破碎,小粒径水滴飘浮在空中形成浓雾,水雾随气流飘向空中,把低层水汽向上输送形成对流,也会在射流入水点附近区域形成倾盆大雨,水雾继续向下游延伸逐渐变淡,降雨强度也逐渐减小,形成雾区.

2.雾化的分区

武汉水利电子大学梁在潮教授提出由于雾流受到气流以及当地的地形条件的影响,就会在局部地区产生一种密集的雾现象,按它的形态可以分为水舌溅水区、雨区、雾流降雨区和薄雾大风区.

长江水科院肖兴斌在自己不断总结的基础上按照雾化浓度和降雨强度为标准,把雾化区分成了三部分：也就是淡雾水汽飘散区、浓雾暴雨区及薄雾降雨区.

南京水科院柴恭纯、陈惠玲等按降水量和形态将雾化影响区分为：特大降水区(降雨强度大于600mm/h)；强降水区(降雨强度140～600mm/h)；一般降水区(降雨强度小于140mm/12h)；雾流区(雾滴飘浮区),指雾滴状态飘浮区.

天津大学练继建教授根据原型观测资料的雨强大小和分布规律以及对工程的危害程度.将泄洪引起的雾化降雨划分为3个区域：大暴雨区(降雨强度大于等于50mm／h),雾化降雨达到此标准,会给山坡和建筑物带来巨大的灾害,可能引起山体滑坡和建筑物的毁坏；暴雨区(降雨强度大于或等于16mm／h),雾雨会对电站枢纽造成危害；毛毛雨区(降雨强度大于或等于0.5mm／h),此范围内对工程危害较小,一般不造成灾害.该范围外雾化对工程没有影响.

3.雾化范围的估算方法

雾化范围的预估是广大学者比较重视的研究课题之一,它对拟建工程具有重大意义.目前我国学者已从原型观测、模型模拟、理论分析三个方向对雾化的范围进行了深入的研究,取得了些成果.

天津大学刘宣烈教授收集了一些已建工程原型观测雾化资料,经统计分析后,根据坝高H对拟建的工程雾化范围提出估算式,见表1：

表1 雾化范围估算式

分区纵向范围横向范围高度

浓雾暴雨区（2.2~3.4）H（1.5~2.0）H（0.8~1.4）H

薄雾及淡雾区（5.0~7.5）H（2.5~4.0）H（1.5~25）H

孙双科,刘之平等通过对大量原型观测资料的收集、整理与分析,发现泄洪雾化纵向边界与泄流流量、水舌入水流速、入水角之间存在良好的相关关系,通过量纲分析的Rayleigh方法得到：检测定泄洪雾化纵向边界L与水舌入水速度Vc、入水角度θ的余弦函数、流量Q、重力加速度g、以及水的密度ρ有关,并设L等于Ck1gk2Q5等于0.06217.

柳海涛、孙双科,刘之平在国内已经建成的泄洪工程的原始模型的各种资料的分析之上,通过各种统计方法与测算,建立了一套定量预测泄洪雾化影响范围与降雨强度分布的经验公式与基于空间任意坐标点处泄洪雾化降雨强度的人工神经网络预测模型,已经在国内的一些地方水电站获得了运用.该模型将泄洪流量、入水流速、入水角度以及三维河谷地形坐标等作为输入变量,对相应河谷地形内的雾化降雨强度分布进行预测.

长江科学院陈端等在研究江垭大坝雾化现象时开发了雾化粒度数据处理系统.该系统通过滴谱法,即采用专用染色滤纸收集雨滴样本,然后进行数据处理.依据取样前的雨滴斑痕的直径与空中雨滴直径之间的率定曲线,可以确定雨滴的实际直径,进而算出降雨强度.其将雨滴分为优频雨滴和优势雨滴.通过原、模型试验数据的计算分析,可以拟合出下面的公式式中,为模型换算雨强：为模型测点优频雨强；为模型测点优势雨强,为模型几何比尺.然后做散点图,得出大多数模型换算雨强与原型实测雨强的关系点集中在直线等于1.2附近.

由上可知原型观测是研究雾化现象的主要手段之一,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原型的泄洪雾化,但由于观测条件恶劣,在资料的完备性及精度方面还很有欠缺,同时泄洪雾化物理机制非常复杂,并且影响因素也比较多,加之上述公式考虑的自变量因素比较单一,因此公式的可靠性受到怀疑；理论分析计算通过对雾化现象进行概化处理,再根据流体力学的理论与方法进行定量研究,但是由于雾化现象进行的概化处理有一定的主观性,故上述理论公式还待于接受更多原型观测资料的检验或验证；物理模型试验是原型观测的延伸和补充,避免了原型观测的受时间和其他条件的限制,可以进行重复的试验,其主要优点是能定量描述,但因两相流动的复杂性,在模型律的选择及缩尺效应影响等方面仍存在一定的问题.

目前对于高坝泄洪雾化范围的预估,往往是采用多种办法相结合的方法.如长江勘测规划设计研究罗福海在结合模型试验和利用同类工程的原型资料进行类比分析的方法确定水布垭电站泄洪雾化的影响范围.广西电力工业勘察设计院在对老挝南塔河1#水电站泄流雾化研究中综合了刘宣烈、孙双科、姚克烨等的雾化范围的经验公式,得出了一个雾化预测范围.刘惠军等在研究乌东德水电站泄洪雾化影响范围中借鉴了刘宣烈的经验公式和孙双科的计算公式,参照其它的工程得出一个较为合理预测范围.

4.工程防护措施

由于雾化将给工程带来一定的危害,影响水利工程的安全,因此对于雾化现象严重的工程要采取合适的工程防护措施.防护应该注意一下原则：在不影响原设计消能效果的前提下,分区分级；防护措施应在保证工程正常运行的前提下,做到技术上可行,经济上合理；防护措施应考虑永久防护与临时措施相结合,根据重要性区别对待主体工程与辅助设施；改善枢纽生态环境和相关建筑物的运用条件.

具体的防护措施往往要根据工程的结构、厂房的布置、地理环境等因素而定.参照其它工程所取得的经验,雾化的防护措施主要涉及以下几个方面：做好雾化区域内公路排水工作；建立厂房窗户的防砸及防水保护措施；消力塘区域地表进行混凝土衬砌保护；滑坡体的防护除了做好坡脚的加固处理外,还要加强面防渗排水系统的建设；雾化降雨区或其影响区内,泄洪期间应尽量避免人员及车辆通行.

5.结语

截止到今天,泄洪雾化的基本运作原理已经得到了国内的广泛认可,对于雾源、雾化分级和分区都有了比较明确的界定和认识.研究者在不断地对泄洪雾化的观测、模拟、还有就是深入的理论分析的基础上,得出了雾化扩散及雨区范围的经验公式及数学计算方法,还详细提出了比较深入研究的人工神经网络模型预报的雏形和几种泄流雾化降雨的模糊推理预报,并提出了解决的措施及办法,获得了丰硕的成果.不过由于泄洪时比较复杂的现象,在原型观测、模型模拟、理论分析上都还存在较大的问题,有些问题还不能及时得到解决,所以这几年的研究没有重大的突破,一些结论的得出往往在理论上还不够完善,广大学者需要从更加深入的基础上去探究泄洪雾化现象,找寻出其中的规律,更加全面深入地去分析泄洪现象.