挑流消能就是借助于泄水道末端设置的挑坎，利用下泄水流的巨大动能，将水流挑入空中，挑流水舌在紊动和空气阻力的作用下，发生分散和掺气，失去一部分动能；进而挑流水舌与下游尾水发生碰撞，跌入水垫形成淹没射流，水舌继续扩散，流速逐渐减小，在入水点前后形成两个巨大的旋涡，主流与旋涡之间强烈的动量交换和剪切作用来消散下泄水流的巨大动能。所谓底流消能就是通过水跃产生表面旋滚和强烈的紊动来达到消能的目的。

在挑流和底流消能过程中，常常在一定范围内形成降雨或浓雾。这种现象对枢纽建筑物正常运行、交通安全、周围环境以及两岸边坡稳定性等产生一定的危害。例如，新安江水电站1983年汛期泄洪时，在坝下游150m，高程70.00m，220kV变压器站7跨中有2跨跳闸，致使1号、2号、5号及6号机组被迫停机，发电损失约为600万元。又如黄龙滩水电站，1980年泄洪时，泄洪水舌经差动式鼻坎射向空中，形成大量的雨雾，水舌入水点正好在厂房附近，整个厂区上空被强大的水雾所笼罩，形成倾盆大雨，导致水淹厂房、高压短路停电、交通中断、房屋倒塌，仅发电损失一项就达1000万元。还有李家峡水电站，从1997年1月20日到2月13日持续泄水23天，由于泄水时为李家峡地区气温最低时期，在雾雨覆盖范围内，尤其在2220m以下坡面上形成了厚度不等的冰层，一般为0.8～1.5m，最厚处达4m。冰层的覆盖和昼夜大温差引起交替冻融作用，导致排水不畅，并增加了地面水的下渗量。Ⅲ区岩体于1997年3月1日凌晨下滑，呈典型的推移式滑坡，总方量达38万m3。总之，我国已建的水电站不少都有这方面的经验和教训。

雨水入渗诱发岩体滑坡问题已引起了工程界的极大关注。最初，边坡渗流场研究通常采用稳定渗流模型，对于降雨入渗的补给作用，仅考虑多年平均年降雨量对应的入渗条件，且入渗边界假定在地下水面上，而忽略降雨在非饱和区的运动过程。后来，随着岩土力学、土壤水动力学和岩体水动力学的发展，国内外学者已越来越清楚地认识到上述边坡滑坡与降雨入渗引起的裂隙岩体非饱和渗流场的变化有极大关系，即雨水的渗入导致裂隙岩体中地下水位以上非饱和区孔隙水压力的暂时升高，产生暂态的附加水荷载，是导致岩体边坡失稳的主要因素之一。另外，降雨入渗也降低了岩体力学强度指标（在饱和状态下岩体抗剪强度有时比天然状态下降22.1%～42.2%。现在，虽然国内外有关非饱和渗流的研究有了一定深入，但研究多集中在等强度降雨入渗方面，而有关像雾化雨这样的变强度雨水渗流对岩体边坡稳定方面的研究却相对较少。

随着高坝修建数量的增多和泄洪时滑坡事件的不断发生，岩体边坡稳定问题变得也越来越突出。鉴于此，本节从泄洪雾化雨形成机理着手，对雾化雨在岩体边坡中的渗流规律、泄洪时坡体和防护结构的稳定及边坡失稳的预测等一系列问题进行了较深入的研究。

5.6.2.1　泄洪雾化现象

液体雾化的概念最早是从喷嘴射流的研究中产生的。这种“雾化”指的是一种液体在气体或其他液体中分散形成液滴的现象。液体雾化的基本机理是液体自由表面失去稳定性，影响其稳定性的因素有：流场的形式、扰动的幅度和作用在液体上各种力相对大小。以液体喷入大气的情形为例，当流量很小，液滴在管口处形成，液滴的尺寸取决于液滴的表面张力和重力的平衡。当流量达到临界值，就会有一股从管口喷出的液体射流，这股射流的长度取决于流量。起初，射流长度随着流量的增大而增大，直到达到最大长度；此后，这个长度将随着流量的增大而减少，在超过喷流长度的距离处，液柱（射流）分散成液滴。

水利工程中的雾化与液体雾化的概念不同，它指的是过坝水流通过特定的消能方式，以水雾或水滴方式在空中形成雾流。这种雾流在气流和地形的作用下，在局部地区产生一种密集雨雾现象，我们称它为泄洪雾化。武汉水利电力大学梁在潮教授将其称为雾化水流，译成英文为“Atomization Water Flow”。源源不断的充沛水雾、水滴和持续强烈的上升运动是泄洪雾化的内在条件，而坝区的气象条件和地形条件是泄洪雾化的外在条件。

不同消能方式所产生水雾的机理、形态及雾量多寡，存在较大的差异。对于挑流消能，其雾化源来自三个方面，即水舌空中扩散掺气、水舌空中相碰和水舌入水喷溅；它的形态主要是水滴；它的雾雨影响范围大，且强度大。而对于底流消能，其雾化源是通过水跃产生的；它的形态主要是水雾；它的雾雨影响范围小，且强度小。泄洪雾化雨强分级见表5.23。

表5.23　泄洪雾化雨强分级

5.6.2.2　挑流泄洪雾化的机理

由泄水建筑物的鼻坎射出的高速水舌在空气中运动时，由于水和空气的相互作用，分别在水舌和空气中形成了两个边界层，并且在交界面上产生漩涡。当水舌周边的边界层交汇后，这些漩涡体势必发生混掺和交换，加剧了紊动运动，使得水舌在横向和纵向不断扩散，从而形成掺气水舌。还有少量水滴，由于其紊动强度较大，从水舌边缘脱离水舌的束缚落入地面或岸坡。

当两股水舌在空中相撞时，引起高度的紊动和水流的变形，动能损失明显增加，使边缘含气浓度较高的水团带到水舌核心中去，经过相撞后的水舌的掺气程度进一步增加。在水舌相撞点附近有大量水滴从水舌中喷出，形成降雨。

当水舌与下游水垫刚接触时，还来不及排开水垫中的水，在水垫中产生一个短暂的高速激波。当水舌和下游水面撞击后，水舌的大部分会进入下游水垫，而其小部分在下游水垫压弹效应和水体表面张力作用下反弹起来，以水滴的形式向下游及两岸抛射出去，便形成降雨，落入河床及两岸。

理论分析和原型观测资料都表明，空中水舌掺气扩散形成的雾化源是不大的，雾化源主要是由水舌落水附近的水滴喷溅引起的。这些水滴在重力、浮力和空气阻力作用下，以不同的初始抛射角度和初速度作抛射运动，这些溅起的水滴在一定范围内产生强烈水舌风，水舌风又促进水滴向更远处扩散，即向下游和两岸山坡扩散。随着向下游的延伸，降雨强度逐渐减小。根据雾化水流各区域的形态特征和形成的降雨强弱，将雾化水流分为两个区域，即强暴雨区和雾流扩散区。强暴雨区的范围为水舌入水点前后的暴雨区和溅水区；雾流扩散区包括雾流降雨区和雾化区。如图5.36所示。

图5.36　挑泄流水雾化降雨分区示意图

5.6.2.3　水气两相流掺气机理的研究现状

根据掺气过程和机理的不同，水气两相流又可分为自掺气水流和强迫掺气水流两种。当水流通过泄水建筑物，如溢流坝、明流隧洞等时，当流速达到一定程度，大量空气自水面掺入水流中，以气泡形式随水流流动，便形成了自掺气水流。当高速水流受到某种干扰，如固体边界发生突变或射流冲击水体等，由于射流扩散掺气或射流冲击水体形成旋涡卷入空气，从而形成强迫掺气水流。

1926年奥地利的依伦伯格（R.Ehrenbrger）进行了明渠水气两相流室内试验，1942年美国的霍尔（L.S.Hall）做了野外观测，以后意大利、法国、苏联、印度等国学者通过室内试验和野外观测，对明渠水气两相流的自掺气水流进行了大量研究。我国从20世纪50年代后期开始这方面的研究。80年代吴持恭对水气两相流的掺气机理、掺气条件、掺气水深、掺气浓度分布等方面进行了系统的研究。

水气两相流的掺气机理有三种不同理论：

表面波破碎理论——1946年苏联Д.ВOпнOвич提出的，他认为两种不同介质，流速不同，其交界面将产生波浪，当表面波破碎时卷进了空气，形成掺气水流。紊流边界层发展理论——1939年美国E.W.Lane提出的，他认为紊流。边界层发展到水面就开始掺气。紊动强度理论——1953年法国G.Halbronn提出的，他认为水流紊动强度达到一定程度，水滴跃出水面，回落时带进了空气，形成掺气水流。

吴持恭将表面波破碎理论、边界层发展理论和紊动强度理论三者统一起来，其主要观点为：紊流边界层发展到水面，使紊流暴露在空气中只是水流掺气的必要条件，其充分条件应是水流紊动达到足够强度，能使涡体跃出水面。涡体是随机性的，许多单个涡体跃出水面就形成水滴，一串串涡体连续跃出就形成水柱，一群群涡体跃起就形成水面波。水滴回落带进了空气，水柱、水面波向后倒落卷进了空气，形成掺气水流。

5.6.2.4　喷溅雾化范围

1986年梁在潮对雾化运动模式进行了描述。他认为雾化按其形态可以大致分为水舌溅水区、强暴雨区、雾流降雨区和薄雾大风区。水舌的溅水范围是梁氏研究的重点，他讨论了三种不同情况下的溅水影响范围：①水块自身抛射；②考虑水舌风的影响；③考虑多种因素。在对所得的公式进行了实验验证后，求得最佳表达式为

纵向范围：

横向范围：

(www.daowen.com)

水块反弹斜抛初速度：

水舌风速：

式中：ue、β、γ分别为水舌入水速度、水舌入水角、溅水反射角。

1989年刘宣烈将雾化区分成浓雾区、薄雾区和淡雾区，并在收集原型观测雾化资料的基础上，经统计分析后，对拟建工程的雾化范围提出了如下估算公式：

对于浓雾区：

纵向范围：L1=（2.2～3.4）H（m）；

横向范围：B1=（1.5～2.0）H（m）；

高度：T1=（0.8～1.4）H（m）。

对于薄雾区和淡雾区：

纵向范围：L2=（5.0～7.5）H（m）；

横向范围：B2=（2.5～4.0）H（m）；

高度：T2=（1.5～2.5）H（m）。

式中H为最大坝高；L1和L2皆为距坝脚或厂房后的纵向距离。

5.6.2.5　底流泄洪雾化的研究现状

根据雾化产生机理的不同，底流泄洪雾化可分为两个：第一是溢流坝面自掺气而产生的雾化；第二是水跃区强逼掺气而产生的雾化。

1994年梁在潮系统地研究了底流消能水流雾化的物理过程和计算方法。在以下三方面提出了自己的见解：

（1）梁在潮提出了底流消能水流雾化的物理模式，明确了底流消能的雾源有两个：一是坝面溢流自由掺气；二是水跃区的掺气。坝面自由掺气是由于水气交界面的稳定性受到破坏和紊流边界层发展到水面这两个条件来决定的。而水跃区的掺气是这样描述的：在溢流的主流和水跃表面旋滚交界面开始处，空气受水的围裹进入水流，并由于剪切面的不稳定，使一部分空气掺混到主流中，而另一大部分挟入的空气，通过旋滚的表面逸出，气泡从旋转表面逸出过程中，将水滴也带入空气，因而此部分逸出的空气，是水跃区形成雾化流的主要因素。

（2）梁在潮分别给出了坝面溢流自由掺气含水量和水跃区含水量的计算关系式：

式中：q为坝面任一断面单宽含水量；a为空气含量；H为相当清水水深；z为垂向坐标；ha为空气含量等于0.95点的坐标。

式中：βz为水跃区水面以上的掺气率；qz为水跃区任一断面的单宽含水量。

（3）对于雾流的扩散，梁在潮引入了线源扩散计算表达式：

式中：cm（x，y，z）为下游空间的任意一点的水雾浓度；Q0为源强；u为风速；σy和σz分别为垂向和横向的扩散系数；H为雾化流的有效高度；取x轴与气流方向平行，线源总长为2y0。

梁在潮对底流泄洪雾化做了开创性的工作，但对坝面溢流自由掺气和水跃区掺气仅仅给出了其含水量，未能给出对应的雾源强度；还有对雾流的扩散也是仅列出式，而其中的参数如何来取，未做任何的说明。因而建立一个完整的底流泄洪雾化数学模型，包括确定雾源的位置和强度、雾流的扩散、地形的影响和雾流对下游环境的影响，将成为底流泄洪雾化的研究方向。