泄洪雨霧對水電站運(yùn)行的影響及對策

邢林生，李 濤

（國家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州310014）

0 概述

泄洪雨霧對水電站發(fā)電運(yùn)行安全和大壩運(yùn)行安全的危害性影響是一個(gè)重要問題。隨著一大批壩高200～300 m級(jí)及300 m以上級(jí)巨型水電站的建設(shè)，這一問題更為突出和重要。泄洪雨霧是大壩泄洪時(shí)所引起的非自然降雨與水霧迷漫現(xiàn)象，泄洪水頭越高，流量越大，引起的降雨強(qiáng)度與影響范圍通常也越大。記錄到的一些水電站最大泄洪降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般水文氣象意義上的特大暴雨強(qiáng)度，如劉家峽 659mm／h、烏江渡 690mm／h、東江 1890mm／h、寶珠寺1950mm／h、二灘2071mm／h、白山2997mm／h、東風(fēng)4 063mm／h；記錄到的一些水電站最大泄洪霧化范圍順河向至壩下600～1 100 m，形似蘑菇云沿山坡爬行，升騰高度200～300 m，并伴隨著強(qiáng)烈的陣風(fēng)。較之常規(guī)的自然降雨過程，泄洪雨霧的破壞力要大得多，一些水電站由于泄洪雨霧的影響，下游交通阻斷，電器設(shè)備損壞，發(fā)電機(jī)組停運(yùn)甚至發(fā)生水淹廠房惡性事故；有的水電站因泄洪雨霧影響，導(dǎo)致大壩下游大規(guī)模山體滑坡或岸坡坍塌。本文通過典型工程事例回顧，對泄洪雨霧的危害性和影響機(jī)理進(jìn)行分析，就如何預(yù)防或減輕泄洪雨霧危害性影響，從規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等方面進(jìn)行探討研究。

1 影響分析

表1列出了6座水電站大壩泄洪雨霧影響概況，其危害性大致可以歸納為兩類，一類是對水電站正常發(fā)輸電的危害，另一類是對大壩下游邊坡穩(wěn)定性的危害。第一類危害較早就引起了人們的關(guān)注。20世紀(jì)五、六十年代建成的新安江和劉家峽水電站，都曾因泄洪雨霧的嚴(yán)重干擾，工作人員難于進(jìn)入廠房。新安江水電站1966年第一次泄洪是試驗(yàn)性放水，9孔閘門全部開啟，泄量較小，但近壩區(qū)雨霧已將進(jìn)廠公路封鎖。1983年第二次泄洪開啟7孔閘門，壩下1 000 m范圍都被雨霧籠罩，工作人員被迫從左岸上壩公路繞到壩頂再下至廠房，若此時(shí)廠房發(fā)生事故，搶險(xiǎn)人員和搶險(xiǎn)設(shè)施將無法在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場。劉家峽水電站1969年并網(wǎng)發(fā)電后，下游右岸廠房進(jìn)出交通經(jīng)常遭受到左岸泄水道泄洪雨霧的干擾，尤其是兩個(gè)泄水道同時(shí)開啟泄水時(shí)，雨霧將右岸廠房進(jìn)廠公路嚴(yán)密封鎖，后來增設(shè)防霧廊道才保障了工作人員的進(jìn)出安全。實(shí)踐和研究[1]表明，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到600 mm／h量級(jí)時(shí)，空氣稀薄，將對人畜起窒息作用，且能見度很低，風(fēng)速很大，在這種條件下通行極其危險(xiǎn)。泄洪雨霧使壩后開關(guān)站和輸電線路等電氣設(shè)備產(chǎn)生短路、跳閘、停電甚至進(jìn)而引起發(fā)電機(jī)組停運(yùn)的現(xiàn)象比較常見，劉家峽水電站在多次跳閘后，投入大量物力財(cái)力徹底改造輸出線，以避開泄洪雨霧的影響；新安江水電站1983年泄洪雨霧引起變壓器跳閘導(dǎo)致4臺(tái)機(jī)組停運(yùn)，造成了近千萬元（當(dāng)時(shí)幣值）的損失；黃龍灘水電站1980年6月24日泄洪初期和白山水電站1986年9月3日泄洪初期，因泄洪雨霧影響各造

成2臺(tái)機(jī)組停運(yùn)。因泄洪雨霧引起水淹廠房的事例比較少見，若一旦發(fā)生后果往往非常嚴(yán)重，白山水電站右岸地下廠房和左岸地面廠房，1986年和1995年先后因泄洪雨霧引起廠房進(jìn)水，幸虧發(fā)現(xiàn)和搶險(xiǎn)及時(shí)，才未釀成重大損失；1980年，黃龍灘水電站泄洪雨霧引發(fā)水淹廠房，損失重大，當(dāng)時(shí)曾引起水電界的高度重視，多次對其樞紐規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行分析和總結(jié)。

表1 6座水電站大壩泄洪雨霧危害性影響Table 1 :The destructive influence of flood discharging rain and fog to 6 hydropower station dams

20世紀(jì)六、七十年代，關(guān)于泄洪雨霧對大壩下游邊坡穩(wěn)定性影響的認(rèn)識(shí)主要集中在因沖刷力強(qiáng)大而引起的邊坡表面局部沖刷坍塌、大石塊掉落等方面。1989年7月，龍羊峽水電站泄洪引起下游右岸虎山坡不穩(wěn)定巖體大規(guī)模滑坡，使人們對泄洪雨霧的下滲破壞問題有了深刻的認(rèn)識(shí)。該水電站位于西北嚴(yán)寒干旱地區(qū)，年平均降雨量僅為302 mm，年平均蒸發(fā)量達(dá)2 030 mm，地表裸露無植被覆蓋，在泄洪雨霧長期籠罩侵襲下滲影響下，下游邊坡內(nèi)原來干燥的水文地質(zhì)條件完全改變，巖體內(nèi)傾向河床的不利結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度明顯降低。1987年2～9月，該水電站蓄水后首次開啟底孔閘門放水，最大泄量（838 m3／s）和泄水水頭（約 55 m）都小于 1989 年 7月，但當(dāng)年8月即已發(fā)現(xiàn)虎山坡頂部多處大范圍錯(cuò)臺(tái)開裂，后沿形成圈椅狀，山坡大面積變形，實(shí)測最大變形速率4 mm／d[2]，表明泄洪雨霧的下滲影響已較明顯。1989年7月，再次開啟底孔閘門放水時(shí)，終至虎山坡81萬m3不穩(wěn)定巖體滑落，其中進(jìn)入河床的約4萬m3。1997年3月初，李家峽水電站因泄洪雨霧引起下游左岸邊坡表面嚴(yán)重結(jié)冰而導(dǎo)致大規(guī)?；?，使人們對嚴(yán)寒地區(qū)冬季小泄量泄洪雨霧也會(huì)引起邊坡大規(guī)模滑坡的影響機(jī)理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。該水電站所處自然環(huán)境與龍羊峽水電站類似，同屬嚴(yán)寒干旱地區(qū)，大壩下游河道狹窄，左岸陡峻，坡高約 200 m，坡度 40°～50°，存在層間錯(cuò)動(dòng)面傾向河床的順層滑坡體。1997年1～2月泄水時(shí)，雖然最大泄量僅570 m3／s，但因正值寒冷季節(jié)和泄水時(shí)間長達(dá)23 d，被泄洪雨霧籠罩的左岸邊坡上迅速結(jié)冰，且冰層越積越厚，最大厚度達(dá)4 m，在冰水下滲致使軟弱結(jié)構(gòu)面軟化、力學(xué)參數(shù)降低和冰層向河床方向下拽力的共同作用下，產(chǎn)生體積約38萬m3的大滑坡，滑落體堆積在坡面上。所幸上述兩座水電站的滑坡體都沒有大量進(jìn)入下游河床抬高尾水位和影響泄洪，也沒有產(chǎn)生涌浪對大壩和廠房產(chǎn)生直接危害，但都耗費(fèi)大量物力和財(cái)力對滑坡體進(jìn)行整治。

2 對策探討

2.1 完善規(guī)劃設(shè)計(jì)

泄洪雨霧是非常復(fù)雜的水、氣兩相流物理現(xiàn)象，與泄洪水頭、泄洪流量、入水流速和入水角度、挑坎形式、水墊厚度、水舌空中摻氣碰撞等因素密切相關(guān)，與下游河道走勢、岸坡坡度和高度、沖溝形態(tài)等因素也有著重要關(guān)系，并受到泄洪時(shí)段內(nèi)壩區(qū)自然風(fēng)力、風(fēng)向、氣溫、日照等因素的一定影響。在水電站樞紐布置規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需綜合考慮各種因素，通過工程類比吸取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，合理布局，避免因泄洪雨霧造成重大損失。黃龍灘水電站水淹廠房事故提供了寶貴的教訓(xùn)，該水電站大壩下游右岸為坡度陡峻的山體，大壩下游左岸有一條小河與主河道交匯，廠房布置在交匯口上游側(cè)低洼地帶，靠近泄洪挑流區(qū)，泄洪時(shí)雨霧受右岸山體阻擋，向左岸橫向擴(kuò)散，大量雨霧將左岸廠房籠罩，雨霧形成的水流向低洼地帶匯集，這是造成嚴(yán)重水淹廠房的主要原因，說明樞紐布置規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)對泄洪雨霧飄移危害認(rèn)識(shí)不足[3]。一些峽谷高壩水電站樞紐布置工程實(shí)踐表明，一般來說，地下廠房受到的泄洪雨霧影響明顯輕于壩后地面廠房[4]，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，盡可能采取地下廠房不失為一種優(yōu)化選擇，但需吸取白山水電站1986年泄洪地下廠房進(jìn)水的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，切實(shí)做好交通洞口、通風(fēng)洞口的堵防暴雨和排水設(shè)施。在水電站樞紐布置規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，利用物理模型模擬及理論計(jì)算模擬手段，定量分析研究泄洪雨霧的分布規(guī)律及其影響范圍無疑是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，雖然目前受模型模擬比尺效應(yīng)和理論計(jì)算模擬近似性的限制，定量分析結(jié)果與實(shí)際情況仍會(huì)有一定的差距，但通過定量分析，可以從總體上大致把握泄洪雨霧的影響范圍和程度，事先采取必要的防范對策，如二灘水電站采用 1∶25、1∶35 大比尺模型對泄洪時(shí)雨霧水體密集程度、降雨強(qiáng)度等進(jìn)行模擬分析，制定了雨霧分區(qū)和防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。遭受泄洪雨霧危害嚴(yán)重的水電站，為了完善防護(hù)工程設(shè)計(jì)方案，整體模型模擬分析也是一種重要手段，如白山水電站通過1∶100、1∶35比尺模型對下游消能塘型式、水墊厚度、水體體積以及右岸地面開關(guān)站防護(hù)措施進(jìn)行模擬分析，為防護(hù)工程設(shè)計(jì)方案提供了依據(jù)，防護(hù)工程完工后，2007年泄洪運(yùn)行表明基本達(dá)到了預(yù)期效果。

2.2 加強(qiáng)原型觀測

相對于物理模型模擬及理論計(jì)算模擬，原型觀測可以更直接、更具體、更準(zhǔn)確地反映泄洪雨霧的分布規(guī)律及其危害性。多年來已有一部分水電站開展了泄洪雨霧原型觀測，其中白山水電站原型觀測工作的全面性和系統(tǒng)性較為突出，該水電站自1982年11月首次蓄水以來，1983～2007年期間，共計(jì)7次泄洪，每次都展開原型觀測，收集到不同庫水位、不同泄流量、不同閘門開啟組合工況下的雨霧范圍和雨強(qiáng)資料[5]。一些水電站根據(jù)原型觀測資料對模型試驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，及時(shí)采取防護(hù)措施預(yù)防或減少泄洪雨霧的危害。壩高163 m的東風(fēng)水電站，將1997年泄洪原型觀測資料與模型試驗(yàn)資料加以對比，對下游右岸邊坡泄洪雨霧水流沿裂隙下滲的影響機(jī)理、不穩(wěn)定巖體因夾層泥化軟化而可能失穩(wěn)的條件以及失穩(wěn)后可能中斷交通、甚至大規(guī)?；涠s窄河道等危害性進(jìn)行深入研究，2004年采取噴錨支護(hù)結(jié)合排水措施，對下游右岸邊坡進(jìn)行加固處理。壩高240 m的二灘水電站，通過1998年和1999年2次泄洪和1999年泄洪雨霧原型觀測，發(fā)現(xiàn)實(shí)測雨強(qiáng)、霧化范圍以及危害程度比設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)及模型試驗(yàn)成果嚴(yán)重，下游約700 m范圍邊坡多處坍塌，部分土、石進(jìn)入水墊塘，排水溝局部破壞，產(chǎn)生了約9 000 m3的泥石流，邊坡上永久供水管道基礎(chǔ)被淘，對比模型試驗(yàn)和原型觀測資料后對泄洪雨霧危害性認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化，隨即對下游邊坡防護(hù)工程全面加以完善和改進(jìn)，對開口線以上未支護(hù)已局部坍塌的自然邊坡向上延伸防護(hù)，進(jìn)一步完善排水系統(tǒng)，加固供水管道基礎(chǔ)，封閉邊坡各層馬道路面防止積水下滲，采取針對性措施防止大規(guī)模泥石流的發(fā)生。白山水電站將原型觀測資料與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，對泄洪霧化范圍和雨強(qiáng)分布規(guī)律相互驗(yàn)證分析，為預(yù)測在較大洪水時(shí)泄洪雨霧的危害程度及預(yù)防措施的制定發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。為了比較精確地預(yù)測估算泄洪雨霧的影響，一個(gè)有效途徑是對多座水電站不同泄洪工況下大量原型觀測資料進(jìn)行歸納整理，提取可以揭示泄洪雨霧與各種因素內(nèi)在關(guān)系的信息，建立定量關(guān)系式[6]，這是關(guān)系到峽谷高壩水電站建設(shè)的一項(xiàng)重要工作，具有重大的理論和實(shí)際意義，其基礎(chǔ)工作是要加強(qiáng)已建工程泄洪雨霧的原型觀測。與水電站其它原型觀測工作相比，泄洪雨霧原型觀測的難度更大，并具有一定的危險(xiǎn)性，目前我國水電站開展此項(xiàng)工作尚不普遍，也沒有統(tǒng)一可供參照執(zhí)行的觀測技術(shù)規(guī)范，如何使這項(xiàng)工作制度化、規(guī)范化，在水電站正常、普遍、持續(xù)開展起來，尚需不懈的努力。

2.3 合理開啟閘門

一般而言，形成泄洪雨霧的源項(xiàng)主要有兩項(xiàng)，即水舌在空氣中擴(kuò)散碰撞形成的雨霧及水舌入水激濺所引起的雨霧。當(dāng)泄洪水頭和泄流流量基本一致而泄洪閘門的開啟方式不同，由于水舌在空中運(yùn)行和入水形態(tài)不同，所引起的雨霧往往有較大差別，如能合理開啟閘門，則有可能減輕或防止泄洪雨霧的危害。新安江水電站1983年前僅有過一次泄洪試運(yùn)行，對合理開啟泄洪閘門的重要性認(rèn)識(shí)不足，1983年泄洪時(shí)閘門開啟程序紊亂，沒有嚴(yán)格執(zhí)行隔孔對稱開啟閘門的規(guī)定，當(dāng)開啟大壩右側(cè)1號(hào)閘門泄洪時(shí)，右岸靠近大壩的主變220 kV導(dǎo)線閃絡(luò)，變壓器跳閘，造成4臺(tái)機(jī)停止發(fā)電運(yùn)行，在之后的多次泄洪中，嚴(yán)格按規(guī)定程序開啟閘門泄洪，有效減輕了雨霧對右岸的危害。黃龍灘水電站1980年泄洪時(shí)，因雨霧橫向飄移，導(dǎo)致水淹廠房發(fā)電機(jī)層水深3.9 m、停止發(fā)電49 d的特大事故，事后加強(qiáng)泄洪原型觀測，摸索泄洪雨霧橫向飄移規(guī)律。1989年原型觀測發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)開啟8號(hào)壩段溢洪道閘門泄洪在左岸廠房區(qū)域引起的雨霧大風(fēng)比7～9號(hào)壩段3孔溢洪道閘門同時(shí)開啟泄洪時(shí)還要大，單獨(dú)開啟7號(hào)壩段溢洪道閘門泄洪時(shí)，左岸廠房區(qū)域的雨霧很小，因此規(guī)定8號(hào)壩段溢洪道閘門不能單獨(dú)開啟泄洪，7號(hào)壩段溢洪道作為常規(guī)溢洪道經(jīng)常使用。二灘水電站1999年泄洪時(shí)，作過表孔全開、部分表孔部分中孔全開、中孔全開等不同閘門開啟方式的泄洪雨霧原型觀測，根據(jù)實(shí)測雨強(qiáng)、雨霧范圍以及實(shí)際危害情況，得出了一些規(guī)律性認(rèn)識(shí)，對泄洪閘門開啟方式做了調(diào)整：一般工況下，按照中孔、泄洪洞、表孔的順序開啟閘門泄洪，非大洪水不做表、中孔的碰撞泄洪，由于兩側(cè)表孔開啟泄洪時(shí)引起兩岸雨霧明顯加劇，因而規(guī)定慎用兩側(cè)表孔泄洪。近幾年來，按這些要求操作閘門泄洪結(jié)果表明，泄洪雨霧危害減弱。實(shí)踐證明，通過調(diào)整泄洪閘門的開啟方式，可以取得減輕或防止泄洪雨霧危害的效果，但已有的合理開啟方式往往帶有一定的局限性，是在某些特定的水力學(xué)因素以及當(dāng)時(shí)氣象因素條件下獲得的，由于形成泄洪雨霧的因素很多，有些因素并非固定不變，因而需持續(xù)開展原型觀測和不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對閘門開啟方式及時(shí)做出調(diào)整，以求盡可能適應(yīng)各種因素及其動(dòng)態(tài)變化的要求。

3 結(jié) 語

（1）泄洪雨霧有可能對水電站發(fā)電運(yùn)行安全和大壩運(yùn)行安全造成一定的危害性影響，尤其是高壩大泄量水電站，對此需予以高度重視。

（2）嚴(yán)寒干旱地區(qū)水電站泄洪雨霧的長期下滲作用是誘發(fā)大壩下游邊坡失穩(wěn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，冬季長期泄水即使泄流量較小，對其危害性也需事先進(jìn)行研究和預(yù)估。關(guān)于南方或多雨濕潤地區(qū)，高壩泄洪雨霧引發(fā)大規(guī)模邊坡滑落的工程事例尚未見報(bào)導(dǎo)，但長時(shí)段大泄量泄洪雨霧沿裂隙下滲危害性問題也需引起足夠的重視。

（3）在水電站樞紐布置規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需通過類比分析及物理模型模擬或理論計(jì)算模擬，盡可能做到布局合理、優(yōu)化選擇，并對泄洪雨霧危害采取針對性防護(hù)措施，防止出現(xiàn)重大失誤。泄洪雨霧原型觀測是直接掌握泄洪雨霧規(guī)律最有效的手段，對于驗(yàn)證設(shè)計(jì)、完善防護(hù)方案以及建立泄洪雨霧影響定量分析計(jì)算方法，都有重大意義，應(yīng)大力開展這項(xiàng)工作。

（4）合理開啟閘門是減輕或防止泄洪雨霧危害的科學(xué)調(diào)度管理手段，是積極應(yīng)對泄洪雨霧影響的一項(xiàng)非工程性措施，實(shí)踐表明，加強(qiáng)原型觀測，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷調(diào)整閘門開啟方案，可以取得安全經(jīng)濟(jì)的預(yù)期效果。

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