Title:Influence of flood discharging rain and fog to operation of hydropower station and its counter－measures//by XING Linsheng and LI Tao//Large Dam Safety Supervision Center of SERC
Abstract:The destructive power of flood discharging rain and fog is so great that many accidents happened such as downstream traffic block, damage of electrical equipments, outage of power generators and flooding of power house． As well, penetration of the rain and fog induced large－scale downstream landslide of slope． To prevent any more damage, reasonable layout and related protection measures was critical in design, and prototype observation should be strengthened in operation． Practice showed that the reasonable opeNIng of gate was an important non－engineering measure to decrease and prevent the influence of flood discharging rain and fog．
Key words: hydropower station; flood discharging rain and fog; harmful effect; counter－measure
中图分类号： TV697．1 文献标识码：A 文章编号：1671－1092（2010）01－0001－04
0 概述
泄洪雨雾对水电站发电运行安全和大坝运行安全的危害性影响是一个重要问题。随着一大批坝高200～300 m 级及300 m以上级巨型水电站的建设，这一问题更为突出和重要。泄洪雨雾是大坝泄洪时所引起的非自然降雨与水雾迷漫现象，泄洪水头越高，流量越大，引起的降雨强度与影响范围通常也越大。记录到的一些水电站最大泄洪降雨强度远远超过一般水文气象意义上的特大暴雨强度，如刘家峡659mm／h、乌江渡690mm／h、东江1 890mm／h、宝珠寺1 950mm／h、二滩2 071mm／h、白山2 997mm／h、东风4 063mm ／h；记录到的一些水电站最大泄洪雾化范围顺河向至坝下600～1 100 m，形似蘑菇云沿山坡爬行，升腾高度200～300 m，并伴随着强烈的阵风。较之常规的自然降雨过程，泄洪雨雾的破坏力要大得多，一些水电站由于泄洪雨雾的影响，下游交通阻断，电器设备损坏，发电机组停运甚至发生水淹厂房恶性事故；有的水电站因泄洪雨雾影响，导致大坝下游大规模山体滑坡或岸坡坍塌。本文通过典型工程事例回顾，对泄洪雨雾的危害性和影响机理进行分析，就如何预防或减轻泄洪雨雾危害性影响，从规划设计、运行管理等方面进行探讨研究。
1 影响分析
表1 列出了6 座水电站大坝泄洪雨雾影响概况，其危害性大致可以归纳为两类，一类是对水电站正常发输电的危害，另一类是对大坝下游边坡稳定性的危害。第一类危害较早就引起了人们的关注。20 世纪五、六十年代建成的新安江和刘家峡水电站，都曾因泄洪雨雾的严重干扰，工作人员难于进入厂房。新安江水电站1966 年第一次泄洪是试验性放水，9 孔闸门全部开启，泄量较小，但近坝区雨雾已将进厂公路封锁。1983 年第二次泄洪开启7孔闸门，坝下1 000 m 范围都被雨雾笼罩，工作人员被迫从左岸上坝公路绕到坝顶再下至厂房，若此时厂房发生事故，抢险人员和抢险设施将无法在第一时间赶到现场。刘家峡水电站1969 年并网发电后，下游右岸厂房进出交通经常遭受到左岸泄水道泄洪雨雾的干扰，尤其是两个泄水道同时开启泄水时，雨雾将右岸厂房进厂公路严密封锁，后来增设防雾廊道才保障了工作人员的进出安全。实践和研究[1]表明，当雨强达到600 mm／ h 量级时，空气稀薄，将对人畜起窒息作用，且能见度很低，风速很大，在这种条件下通行极其危险。泄洪雨雾使坝后开关站和输电线路等电气设备产生短路、跳闸、停电甚至进而引起发电机组停运的现象比较常见，刘家峡水电站在多次跳闸后，投入大量物力财力彻底改造输出线，以避开泄洪雨雾的影响；新安江水电站1983 年泄洪雨雾引起变压器跳闸导致4 台机组停运，造成了近千万元（当时币值）的损失；黄龙滩水电站1980 年6 月24 日泄洪初期和白山水电站1986 年9 月3 日泄洪初期，因泄洪雨雾影响各造成2 台机组停运。因泄洪雨雾引起水淹厂房的事例比较少见，若一旦发生后果往往非常严重，白山水电站右岸地下厂房和左岸地面厂房，1986 年和1995 年先后因泄洪雨雾引起厂房进水，幸亏发现和抢险及时，才未酿成重大损失；1980 年，黄龙滩水电站泄洪雨雾引发水淹厂房，损失重大，当时曾引起水电界的高度重视，多次对其枢纽规划设计和运行管理中的经验教训进行分析和总结。
表1 6 座水电站大坝泄洪雨雾危害性影响
Table 1: The destructive influence of flood discharging rain and fog to 6 hydropower station dams
20 世纪六、七十年代，关于泄洪雨雾对大坝下游边坡稳定性影响的认识主要集中在因冲刷力强大而引起的边坡表面局部冲刷坍塌、大石块掉落等方面。1989 年7 月，龙羊峡水电站泄洪引起下游右岸虎山坡不稳定岩体大规模滑坡，使人们对泄洪雨雾的下渗破坏问题有了深刻的认识。该水电站位于西北严寒干旱地区，年平均降雨量仅为302 mm，年平均蒸发量达2 030 mm，地表裸露无植被覆盖，在泄洪雨雾长期笼罩侵袭下渗影响下，下游边坡内原来干燥的水文地质条件完全改变，岩体内倾向河床的不利结构面抗剪强度明显降低。1987 年2～9 月，该水电站蓄水后首次开启底孔闸门放水，最大泄量（838 m3／ s）和泄水水头（约55 m）都小于1989 年7月，但当年8 月即已发现虎山坡顶部多处大范围错台开裂，后沿形成圈椅状，山坡大面积变形，实测最大变形速率4 mm／ d[2]，表明泄洪雨雾的下渗影响已较明显。1989 年7 月，再次开启底孔闸门放水时，终至虎山坡81 万m3 不稳定岩体滑落，其中进入河床的约4 万m3。1997 年3 月初，李家峡水电站因泄洪雨雾引起下游左岸边坡表面严重结冰而导致大规模滑坡，使人们对严寒地区冬季小泄量泄洪雨雾也会引起边坡大规模滑坡的影响机理有了进一步的认识。该水电站所处自然环境与龙羊峡水电站类似，同属严寒干旱地区，大坝下游河道狭窄，左岸陡峻，坡高约200 m，坡度40°～50°，存在层间错动面倾向河床的顺层滑坡体。1997 年1～2 月泄水时，虽然最大泄量仅570 m3／ s，但因正值寒冷季节和泄水时间长达23 d，被泄洪雨雾笼罩的左岸边坡上迅速结冰，且冰层越积越厚，最大厚度达4 m，在冰水下渗致使软弱结构面软化、力学参数降低和冰层向河床方向下拽力的共同作用下，产生体积约38 万m3 的大滑坡，滑落体堆积在坡面上。所幸上述两座水电站的滑坡体都没有大量进入下游河床抬高尾水位和影响泄洪，也没有产生涌浪对大坝和厂房产生直接危害，但都耗费大量物力和财力对滑坡体进行整治。
2 对策探讨
2．1 完善规划设计
泄洪雨雾是非常复杂的水、气两相流物理现象，与泄洪水头、泄洪流量、入水流速和入水角度、挑坎形式、水垫厚度、水舌空中掺气碰撞等因素密切相关，与下游河道走势、岸坡坡度和高度、冲沟形态等因素也有着重要关系，并受到泄洪时段内坝区自然风力、风向、气温、日照等因素的一定影响。在水电站枢纽布置规划设计阶段，需综合考虑各种因素，通过工程类比吸取经验和教训，合理布局，避免因泄洪雨雾造成重大损失。黄龙滩水电站水淹厂房事故提供了宝贵的教训，该水电站大坝下游右岸为坡度陡峻的山体，大坝下游左岸有一条小河与主河道交汇，厂房布置在交汇口上游侧低洼地带，靠近泄洪挑流区，泄洪时雨雾受右岸山体阻挡，向左岸横向扩散，大量雨雾将左岸厂房笼罩，雨雾形成的水流向低洼地带汇集，这是造成严重水淹厂房的主要原因，说明枢纽布置规划设计时对泄洪雨雾飘移危害认识不足[3]。一些峡谷高坝水电站枢纽布置工程实践表明，一般来说，地下厂房受到的泄洪雨雾影响明显轻于坝后地面厂房[4]，通过技术经济比较，尽可能采取地下厂房不失为一种优化选择，但需吸取白山水电站1986 年泄洪地下厂房进水的经验教训，切实做好交通洞口、通风洞口的堵防暴雨和排水设施。在水电站枢纽布置规划设计阶段，利用物理模型模拟及理论计算模拟手段，定量分析研究泄洪雨雾的分布规律及其影响范围无疑是重要的一个环节，虽然目前受模型模拟比尺效应和理论计算模拟近似性的限制，定量分析结果与实际情况仍会有一定的差距，但通过定量分析，可以从总体上大致把握泄洪雨雾的影响范围和程度，事先采取必要的防范对策，如二滩水电站采用1∶25、1∶35 大比尺模型对泄洪时雨雾水体密集程度、降雨强度等进行模拟分析，制定了雨雾分区和防护标准。遭受泄洪雨雾危害严重的水电站，为了完善防护工程设计方案，整体模型模拟分析也是一种重要手段，如白山水电站通过1∶100、1∶35 比尺模型对下游消能塘型式、水垫厚度、水体体积以及右岸地面开关站防护措施进行模拟分析，为防护工程设计方案提供了依据，防护工程完工后，2007 年泄洪运行表明基本达到了预期效果。
2．2 加强原型观测
相对于物理模型模拟及理论计算模拟，原型观测可以更直接、更具体、更准确地反映泄洪雨雾的分布规律及其危害性。多年来已有一部分水电站开展了泄洪雨雾原型观测，其中白山水电站原型观测工作的全面性和系统性较为突出，该水电站自1982 年11 月首次蓄水以来，1983～2007 年期间，共计7 次泄洪，每次都展开原型观测，收集到不同库水位、不同泄流量、不同闸门开启组合工况下的雨雾范围和雨强资料[5]。一些水电站根据原型观测资料对模型试验成果进行验证和修正，及时采取防护措施预防或减少泄洪雨雾的危害。坝高163 m的东风水电站，将1997 年泄洪原型观测资料与模型试验资料加以对比，对下游右岸边坡泄洪雨雾水流沿裂隙下渗的影响机理、不稳定岩体因夹层泥化软化而可能失稳的条件以及失稳后可能中断交通、甚至大规模滑落而缩窄河道等危害性进行深入研究，2004 年采取喷锚支护结合排水措施，对下游右岸边坡进行加固处理。坝高240 m的二滩水电站，通过1998 年和1999 年2 次泄洪和1999 年泄洪雨雾原型观测，发现实测雨强、雾化范围以及危害程度比设计预计及模型试验成果严重，下游约700 m范围边坡多处坍塌，部分土、石进入水垫塘，排水沟局部破坏，产生了约9 000 m3 的泥石流，边坡上永久供水管道基础被淘，对比模型试验和原型观测资料后对泄洪雨雾危害性认识进一步深化，随即对下游边坡防护工程全面加以完善和改进，对开口线以上未支护已局部坍塌的自然边坡向上延伸防护，进一步完善排水系统，加固供水管道基础，封闭边坡各层马道路面防止积水下渗，采取针对性措施防止大规模泥石流的发生。白山水电站将原型观测资料与模型试验数据紧密结合，对泄洪雾化范围和雨强分布规律相互验证分析，为预测在较大洪水时泄洪雨雾的危害程度及预防措施的制定发挥了至关重要的作用。为了比较精确地预测估算泄洪雨雾的影响，一个有效途径是对多座水电站不同泄洪工况下大量原型观测资料进行归纳整理，提取可以揭示泄洪雨雾与各种因素内在关系的信息，建立定量关系式[6]，这是关系到峡谷高坝水电站建设的一项重要工作，具有重大的理论和实际意义，其基础工作是要加强已建工程泄洪雨雾的原型观测。与水电站其它原型观测工作相比，泄洪雨雾原型观测的难度更大，并具有一定的危险性，目前我国水电站开展此项工作尚不普遍，也没有统一可供参照执行的观测技术规范，如何使这项工作制度化、规范化，在水电站正常、普遍、持续开展起来，尚需不懈的努力。
2．3 合理开启闸门
一般而言，形成泄洪雨雾的源项主要有两项，即水舌在空气中扩散碰撞形成的雨雾及水舌入水激溅所引起的雨雾。当泄洪水头和泄流流量基本一致而泄洪闸门的开启方式不同，由于水舌在空中运行和入水形态不同，所引起的雨雾往往有较大差别，如能合理开启闸门，则有可能减轻或防止泄洪雨雾的危害。新安江水电站1983 年前仅有过一次泄洪试运行，对合理开启泄洪闸门的重要性认识不足，1983 年泄洪时闸门开启程序紊乱，没有严格执行隔孔对称开启闸门的规定，当开启大坝右侧1 号闸门泄洪时，右岸靠近大坝的主变220 kV 导线闪络，变压器跳闸，造成4 台机停止发电运行，在之后的多次泄洪中，严格按规定程序开启闸门泄洪，有效减轻了雨雾对右岸的危害。黄龙滩水电站1980年泄洪时，因雨雾横向飘移，导致水淹厂房发电机层水深3．9 m、停止发电49 d 的特大事故，事后加强泄洪原型观测，摸索泄洪雨雾横向飘移规律。1989 年原型观测发现，单独开启8 号坝段溢洪道闸门泄洪在左岸厂房区域引起的雨雾大风比7～9号坝段3 孔溢洪道闸门同时开启泄洪时还要大，单独开启7 号坝段溢洪道闸门泄洪时，左岸厂房区域的雨雾很小，因此规定8 号坝段溢洪道闸门不能单独开启泄洪，7 号坝段溢洪道作为常规溢洪道经常使用。二滩水电站1999 年泄洪时，作过表孔全开、部分表孔部分中孔全开、中孔全开等不同闸门开启方式的泄洪雨雾原型观测，根据实测雨强、雨雾范围以及实际危害情况，得出了一些规律性认识，对泄洪闸门开启方式做了调整：一般工况下，按照中孔、泄洪洞、表孔的顺序开启闸门泄洪，非大洪水不做表、中孔的碰撞泄洪，由于两侧表孔开启泄洪时引起两岸雨雾明显加剧，因而规定慎用两侧表孔泄洪。近几年来，按这些要求操作闸门泄洪结果表明，泄洪雨雾危害减弱。实践证明，通过调整泄洪闸门的开启方式，可以取得减轻或防止泄洪雨雾危害的效果，但已有的合理开启方式往往带有一定的局限性，是在某些特定的水力学因素以及当时气象因素条件下获得的，由于形成泄洪雨雾的因素很多，有些因素并非固定不变，因而需持续开展原型观测和不断总结经验教训，对闸门开启方式及时做出调整，以求尽可能适应各种因素及其动态变化的要求。
3 结语
（1）泄洪雨雾有可能对水电站发电运行安全和大坝运行安全造成一定的危害性影响，尤其是高坝大泄量水电站，对此需予以高度重视。
（2）严寒干旱地区水电站泄洪雨雾的长期下渗作用是诱发大坝下游边坡失稳的一个关键因素，冬季长期泄水即使泄流量较小，对其危害性也需事先进行研究和预估。关于南方或多雨湿润地区，高坝泄洪雨雾引发大规模边坡滑落的工程事例尚未见报导，但长时段大泄量泄洪雨雾沿裂隙下渗危害性问题也需引起足够的重视。
（3）在水电站枢纽布置规划设计阶段，需通过类比分析及物理模型模拟或理论计算模拟，尽可能做到布局合理、优化选择，并对泄洪雨雾危害采取针对性防护措施，防止出现重大失误。泄洪雨雾原型观测是直接掌握泄洪雨雾规律最有效的手段，对于验证设计、完善防护方案以及建立泄洪雨雾影响定量分析计算方法，都有重大意义，应大力开展这项工作。
（4）合理开启闸门是减轻或防止泄洪雨雾危害的科学调度管理手段，是积极应对泄洪雨雾影响的一项非工程性措施，实践表明，加强原型观测，及时总结经验教训，不断调整闸门开启方案，可以取得安全经济的预期效果。
参考文献：
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作者简介：邢林生（1942－），男，江苏南京人，教授级高级工程师。
