泄洪雨霧對水電站運行的影響及對策

邢林生，李 濤

（國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江 杭州310014）

0 概述

泄洪雨霧對水電站發電運行安全和大壩運行安全的危害性影響是一個重要問題。隨著一大批壩高200～300 m級及300 m以上級巨型水電站的建設，這一問題更為突出和重要。泄洪雨霧是大壩泄洪時所引起的非自然降雨與水霧迷漫現象，泄洪水頭越高，流量越大，引起的降雨強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度遠遠超過一般水文氣象意義上的特大暴雨強度，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，并伴隨著強烈的陣風。較之常規的自然降雨過程，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，電器設備損壞，發電機組停運甚至發生水淹廠房惡性事故；有的水電站因泄洪雨霧影響，導致大壩下游大規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理進行分析，就如何預防或減輕泄洪雨霧危害性影響，從規劃設計、運行管理等方面進行探討研究。

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輸電的危害，另一類是對大壩下游邊坡穩定性的危害。第一類危害較早就引起了人們的關注。20世紀五、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重干擾，工作人員難于進入廠房。新安江水電站1966年第一次泄洪是試驗性放水，9孔閘門全部開啟，泄量較小，但近壩區雨霧已將進廠公路封鎖。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，若此時廠房發生事故，搶險人員和搶險設施將無法在第一時間趕到現場。劉家峽水電站1969年并網發電后，下游右岸廠房進出交通經常遭受到左岸泄水道泄洪雨霧的干擾，尤其是兩個泄水道同時開啟泄水時，雨霧將右岸廠房進廠公路嚴密封鎖，后來增設防霧廊道才保障了工作人員的進出安全。實踐和研究[1]表明，當雨強達到600 mm／h量級時，空氣稀薄，將對人畜起窒息作用，且能見度很低，風速很大，在這種條件下通行極其危險。泄洪雨霧使壩后開關站和輸電線路等電氣設備產生短路、跳閘、停電甚至進而引起發電機組停運的現象比較常見，劉家峽水電站在多次跳閘后，投入大量物力財力徹底改造輸出線，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致4臺機組停運，造成了近千萬元（當時幣值）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臺機組停運。因泄洪雨霧引起水淹廠房的事例比較少見，若一旦發生后果往往非常嚴重，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水，幸虧發現和搶險及時，才未釀成重大損失；1980年，黃龍灘水電站泄洪雨霧引發水淹廠房，損失重大，當時曾引起水電界的高度重視，多次對其樞紐規劃設計和運行管理中的經驗教訓進行分析和總結。

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世紀六、七十年代，關于泄洪雨霧對大壩下游邊坡穩定性影響的認識主要集中在因沖刷力強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定巖體大規?；?，使人們對泄洪雨霧的下滲破壞問題有了深刻的認識。該水電站位于西北嚴寒干旱地區，年平均降雨量僅為302 mm，年平均蒸發量達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，下游邊坡內原來干燥的水文地質條件完全改變，巖體內傾向河床的不利結構面抗剪強度明顯降低。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，但當年8月即已發現虎山坡頂部多處大范圍錯臺開裂，后沿形成圈椅狀，山坡大面積變形，實測最大變形速率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，終至虎山坡81萬m3不穩定巖體滑落，其中進入河床的約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重結冰而導致大規?；?，使人們對嚴寒地區冬季小泄量泄洪雨霧也會引起邊坡大規?；碌挠绊憴C理有了進一步的認識。該水電站所處自然環境與龍羊峽水電站類似，同屬嚴寒干旱地區，大壩下游河道狹窄，左岸陡峻，坡高約 200 m，坡度 40°～50°，存在層間錯動面傾向河床的順層滑坡體。1997年1～2月泄水時，雖然最大泄量僅570 m3／s，但因正值寒冷季節和泄水時間長達23 d，被泄洪雨霧籠罩的左岸邊坡上迅速結冰，且冰層越積越厚，最大厚度達4 m，在冰水下滲致使軟弱結構面軟化、力學參數降低和冰層向河床方向下拽力的共同作用下，產生體積約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入下游河床抬高尾水位和影響泄洪，也沒有產生涌浪對大壩和廠房產生直接危害，但都耗費大量物力和財力對滑坡體進行整治。

2 對策探討

2.1 完善規劃設計

泄洪雨霧是非常復雜的水、氣兩相流物理現象，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，與下游河道走勢、岸坡坡度和高度、沖溝形態等因素也有著重要關系，并受到泄洪時段內壩區自然風力、風向、氣溫、日照等因素的一定影響。在水電站樞紐布置規劃設計階段，需綜合考慮各種因素，通過工程類比吸取經驗和教訓，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，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低洼地帶，靠近泄洪挑流區，泄洪時雨霧受右岸山體阻擋，向左岸橫向擴散，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，這是造成嚴重水淹廠房的主要原因，說明樞紐布置規劃設計時對泄洪雨霧飄移危害認識不足[3]。一些峽谷高壩水電站樞紐布置工程實踐表明，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]，通過技術經濟比較，盡可能采取地下廠房不失為一種優化選擇，但需吸取白山水電站1986年泄洪地下廠房進水的經驗教訓，切實做好交通洞口、通風洞口的堵防暴雨和排水設施。在水電站樞紐布置規劃設計階段，利用物理模型模擬及理論計算模擬手段，定量分析研究泄洪雨霧的分布規律及其影響范圍無疑是重要的一個環節，雖然目前受模型模擬比尺效應和理論計算模擬近似性的限制，定量分析結果與實際情況仍會有一定的差距，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雨霧水體密集程度、降雨強度等進行模擬分析，制定了雨霧分區和防護標準。遭受泄洪雨霧危害嚴重的水電站，為了完善防護工程設計方案，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站防護措施進行模擬分析，為防護工程設計方案提供了依據，防護工程完工后，2007年泄洪運行表明基本達到了預期效果。

2.2 加強原型觀測

相對于物理模型模擬及理論計算模擬，原型觀測可以更直接、更具體、更準確地反映泄洪雨霧的分布規律及其危害性。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資料[5]。一些水電站根據原型觀測資料對模型試驗成果進行驗證和修正，及時采取防護措施預防或減少泄洪雨霧的危害。壩高163 m的東風水電站，將1997年泄洪原型觀測資料與模型試驗資料加以對比，對下游右岸邊坡泄洪雨霧水流沿裂隙下滲的影響機理、不穩定巖體因夾層泥化軟化而可能失穩的條件以及失穩后可能中斷交通、甚至大規?；涠s窄河道等危害性進行深入研究，2004年采取噴錨支護結合排水措施，對下游右岸邊坡進行加固處理。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，發現實測雨強、霧化范圍以及危害程度比設計預計及模型試驗成果嚴重，下游約700 m范圍邊坡多處坍塌，部分土、石進入水墊塘，排水溝局部破壞，產生了約9 000 m3的泥石流，邊坡上永久供水管道基礎被淘，對比模型試驗和原型觀測資料后對泄洪雨霧危害性認識進一步深化，隨即對下游邊坡防護工程全面加以完善和改進，對開口線以上未支護已局部坍塌的自然邊坡向上延伸防護，進一步完善排水系統，加固供水管道基礎，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模泥石流的發生。白山水電站將原型觀測資料與模型試驗數據緊密結合，對泄洪霧化范圍和雨強分布規律相互驗證分析，為預測在較大洪水時泄洪雨霧的危害程度及預防措施的制定發揮了至關重要的作用。為了比較精確地預測估算泄洪雨霧的影響，一個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行歸納整理，提取可以揭示泄洪雨霧與各種因素內在關系的信息，建立定量關系式[6]，這是關系到峽谷高壩水電站建設的一項重要工作，具有重大的理論和實際意義，其基礎工作是要加強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，并具有一定的危險性，目前我國水電站開展此項工作尚不普遍，也沒有統一可供參照執行的觀測技術規范，如何使這項工作制度化、規范化，在水電站正常、普遍、持續開展起來，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主要有兩項，即水舌在空氣中擴散碰撞形成的雨霧及水舌入水激濺所引起的雨霧。當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，由于水舌在空中運行和入水形態不同，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行，對合理開啟泄洪閘門的重要性認識不足，1983年泄洪時閘門開啟程序紊亂，沒有嚴格執行隔孔對稱開啟閘門的規定，當開啟大壩右側1號閘門泄洪時，右岸靠近大壩的主變220 kV導線閃絡，變壓器跳閘，造成4臺機停止發電運行，在之后的多次泄洪中，嚴格按規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，因雨霧橫向飄移，導致水淹廠房發電機層水深3.9 m、停止發電49 d的特大事故，事后加強泄洪原型觀測，摸索泄洪雨霧橫向飄移規律。1989年原型觀測發現，單獨開啟8號壩段溢洪道閘門泄洪在左岸廠房區域引起的雨霧大風比7～9號壩段3孔溢洪道閘門同時開啟泄洪時還要大，單獨開啟7號壩段溢洪道閘門泄洪時，左岸廠房區域的雨霧很小，因此規定8號壩段溢洪道閘門不能單獨開啟泄洪，7號壩段溢洪道作為常規溢洪道經常使用。二灘水電站1999年泄洪時，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，根據實測雨強、雨霧范圍以及實際危害情況，得出了一些規律性認識，對泄洪閘門開啟方式做了調整：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，由于兩側表孔開啟泄洪時引起兩岸雨霧明顯加劇，因而規定慎用兩側表孔泄洪。近幾年來，按這些要求操作閘門泄洪結果表明，泄洪雨霧危害減弱。實踐證明，通過調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因素以及當時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，因而需持續開展原型觀測和不斷總結經驗教訓，對閘門開啟方式及時做出調整，以求盡可能適應各種因素及其動態變化的要求。

3 結 語

（1）泄洪雨霧有可能對水電站發電運行安全和大壩運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）嚴寒干旱地區水電站泄洪雨霧的長期下滲作用是誘發大壩下游邊坡失穩的一個關鍵因素，冬季長期泄水即使泄流量較小，對其危害性也需事先進行研究和預估。關于南方或多雨濕潤地區，高壩泄洪雨霧引發大規模邊坡滑落的工程事例尚未見報導，但長時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劃設計階段，需通過類比分析及物理模型模擬或理論計算模擬，盡可能做到布局合理、優化選擇，并對泄洪雨霧危害采取針對性防護措施，防止出現重大失誤。泄洪雨霧原型觀測是直接掌握泄洪雨霧規律最有效的手段，對于驗證設計、完善防護方案以及建立泄洪雨霧影響定量分析計算方法，都有重大意義，應大力開展這項工作。

（4）合理開啟閘門是減輕或防止泄洪雨霧危害的科學調度管理手段，是積極應對泄洪雨霧影響的一項非工程性措施，實踐表明，加強原型觀測，及時總結經驗教訓，不斷調整閘門開啟方案，可以取得安全經濟的預期效果。

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[3]邢林生.我國水電站大壩事故分析與安全對策[J].水利水電科技進展，2001，（2）：26～32.

[4]郭子嵩.地下廠房在峽谷高壩水電站樞紐布置中的優勢[J].水力發電，2000，（9）：38～42.

[5]王穎.白山水電站泄洪濺水霧化與防護工程研究[J].水利水電技術，2008，（6）：113～116.

[6]孫雙科.泄洪霧化降雨的縱向邊界計算[J].水利學報，2003，（12）：53～58.