大壩泄洪霧化研究綜述

蔣琳琳 張炅冏 杜凱

【摘要】大壩泄洪霧化涉及工程學、水力學、氣象學等多學科問題， 泄洪霧化對建筑物穩(wěn)定、電廠安全運行、交通安全、周圍環(huán)境等有諸多不良的影響，重視泄洪霧化是發(fā)展環(huán)境友好消能的必然趨勢。本文在綜述泄洪霧化研究進展的基礎(chǔ)上，對泄洪霧化產(chǎn)生機理和影響因素加以概括，并針對減小霧化危害提出防護建議。

【關(guān)鍵詞】泄洪霧化；機理；影響因素；霧化防護

1、泄洪霧化研究概述

從建國初期起，我國水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，到上世紀末，全國各類大壩8.5萬座，位于世界第一。同時，200米以上高壩的建設(shè)也從90年代后大幅度提升，比如瀾滄江上壩高292米的小灣，金沙江上壩高278米的溪洛渡，雅礱江上壩高305米的錦屏，黃河上壩高252米的拉西瓦等。高壩工程泄洪時水頭高、流量大、泄洪區(qū)域河谷狹窄，水體能量較大。挑流消能用挑流鼻坎將水流挑射到空中與空氣阻力產(chǎn)生碰撞、摩擦，水流落入下游水體后與之旋滾，經(jīng)下游輔助效能工將余能進一步消除，它常作為高壩泄洪消能首選。除傳統(tǒng)的挑流消能，窄縫挑坎、分流齒坎、擴散挑坎、舌形挑坎等新型的消能工在高壩泄洪中也發(fā)揮出顯著效果。挑流消能固然解決了“高水頭、大流量、高能量”過壩水流的消能問題，然而，在泄洪過程中壩體下游大范圍內(nèi)水霧彌漫如狂風暴雨，沖蝕地表、影響邊坡穩(wěn)定、誘發(fā)山體滑坡、導致交通中斷、影響居民生活，對下游電站等建筑物的正常運行也產(chǎn)生影響。由于泄洪霧化危害巨大，它已作為工程安全和環(huán)境問題受到社會各方面的關(guān)注，分析霧化產(chǎn)生機理，探討霧化影響因素，采取適當措減進行防護具有必要性。

國內(nèi)學者對大壩水流的霧化研究始于20世紀70年代末到80年代初期，水利工程的泄洪霧化研究問題曾被列入國家科技重點發(fā)展規(guī)劃中工程水力學的七大問題之一 。學者們從通過原型觀測、模型試驗、數(shù)值模擬等方法探討了霧化產(chǎn)生機理及影響范圍。天津大學劉宣烈通過烏江渡水電站泄洪霧化原型觀測、柴恭純通過東江電站泄洪霧化原型觀測，認為霧源主要來自水舌在空氣中的摻氣擴散和水舌入水噴濺；黃國情根據(jù)安康、二灘、小灣等泄洪霧化模型試驗對高壩泄洪霧化規(guī)律進行總結(jié)；劉昉通過數(shù)值模擬對挑流泄洪霧化模型進行改進，并分析研究了霧化的影響因素。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也在水利科學的領(lǐng)域得到廣泛應用。

2、泄洪霧化產(chǎn)生機理

水利工程樞紐泄洪霧化主要來至水舌空中摻氣擴散、水氣空中碰撞和入水噴濺三個方面。泄洪水體以急流或挑射流狀態(tài)下泄，因水舌內(nèi)部的紊動和空氣阻力作用結(jié)合，在水舌和空氣交界層表面產(chǎn)生波紋，摻氣后進一步擴散，水舌內(nèi)部形成的小漩渦失穩(wěn)從主流水體中脫離，破裂的水滴大粒徑形成降雨，小粒徑漂浮在空中形成水霧。隨后，水舌以較大的速度射入下游河床，與水體碰撞并產(chǎn)生巨大撞擊力。噴濺及飛濺出的水體受到重力、空氣阻力和壩后風速場的影響，斜向拋射并在射流入水點附近區(qū)域內(nèi)降落，形成濺雨，濺雨上方霧滴范圍徒增。

大壩泄洪霧化問題復雜，它的影響涉及到水力學、氣象學、環(huán)境科學、工程設(shè)計等多學科。水流與空氣摻混、擴散、碰撞，與水的摩擦、漩滾、撞擊是水動力學問題；水霧在大氣中蒸發(fā)、凝結(jié)、降水過程，是大氣的擴散和熱力學問題；水霧改變空氣濕度對居民健康和敏感企業(yè)的影響是環(huán)境工程的評價問題。消除或減少霧化影響所采取的工程措施，是工程設(shè)計問題。

3、泄洪霧化的影響因素

霧化在泄洪時產(chǎn)生，因泄洪結(jié)束而消失。它的產(chǎn)生與消失、水霧的強弱程度、水霧影響范圍與大壩水頭高度、流速大小、流量大小等水力條件有關(guān)；與消能工型式、消能建筑物構(gòu)造、大壩下游地形等邊界條件有關(guān)；與天氣、空氣濕度、氣壓、風速、風向等氣象條件有關(guān)；與泄洪孔口運用組合、閘門泄洪開啟度等運行條件有關(guān)。

上、下游水位差越大，入射水舌的速度越大；在水位差相同，泄流流量越大，單位寬度能量越大；挑坎高程越低，水舌流速高、水汽兩相接觸面的摻氣越劇烈，水流內(nèi)部紊動幅度越大。窄縫式、連續(xù)式、差動式等挑坎形式的消能效果并不相同，水流縱、橫擴散充分的挑坎消能效果好，但霧化范圍和程度加大。陳捷通過二灘雙曲拱壩泄洪霧化原型觀測，發(fā)現(xiàn)挑射在空中的水舌擴散而成的霧化源并非主要，空中碰撞的水舌和沖入下游水體激濺的水滴產(chǎn)生的霧化源更為主要，在重力、空氣浮力和阻力等的作用下形成的“水舌風”，促使水滴進一步向壩體下游及兩岸邊坡擴散。靠壩區(qū)兩岸山坡峰壑高處、河道狹窄處、河流的凹岸、陰雨天、早晚更易形成霧雨；風速小、濕度大、氣壓低更易加劇霧化。除此，在下泄水頭與流量相同的情況下，由于中孔挑流水舌的初始流速大、入水角小，因此霧化范圍和降雨強度都比相同條件下表孔泄洪時嚴重。

4、泄洪霧化的防護

由于泄洪產(chǎn)生的霧化對水工建筑物本身、對環(huán)境、對居民生活都產(chǎn)生一定危害，因此對霧化嚴重的部分工程應當采取適當?shù)谋Ｗo措施。

在工程設(shè)計初期，若條件允許可通過模型試驗、數(shù)值模擬預測霧化的影響范圍及其危害程度，通過合理地布置樞紐盡可能減少受到危害的建筑物，如電工器具及設(shè)備、交通道路、房屋建筑等。設(shè)計過程中，針對挑流泄能方式，合理選擇連續(xù)式、差動式、擴散式、高低坎等挑流鼻坎體型，改善挑射水流的水力條件。如果不采用挑流消能，可考慮消力戽消能等新型消能工，它的工程量相對較小，沖坑深度較淺，可大幅度降低霧化問題。

在工程運行期間，合理安排泄洪過程中閘門的開啟高度及閘門開啟組合形式，通過泄洪洞等限制孔口泄量，選擇霧化程度小、影響范圍窄的孔口泄流。建立空氣濕度變化監(jiān)測系統(tǒng)，采用有利于減免霧化的泄洪調(diào)度方式。

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