基于多級閘門聯(lián)合擋水的高壩大庫快速深度放空技術(shù)研究

楊家修，杜帥群，湛正剛，李曉彬

（中國電建集團 貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 研究背景

在水利水電樞紐中，放空設(shè)施可有效降低庫水位，為工程檢修、重大災(zāi)難應(yīng)急搶險提供最直接有效的支持[1-2]。水利水電工程運維經(jīng)驗表明，放空設(shè)施在降低工程事故發(fā)生率、減少事故災(zāi)害影響、提高工程安全運行保障方面效益顯著[3-5]。如紫坪鋪面板壩震損后通過沖沙放空洞和泄洪排沙洞及時降低了大壩上游水位，為大壩混凝土面板及止水系統(tǒng)破損修復(fù)創(chuàng)造了施工條件[6]。炸開棄用導(dǎo)流洞封堵形成緊急泄水通道為工程放空開辟了一條新途徑，但堵頭修復(fù)困難[7]。學(xué)者們對高壩深水水庫溫度分布[8]、閘門及卷簾門的泄洪振動[9]和泄洪霧化[10]研究較多，但對高壩的深層放空及分層放空技術(shù)研究較少，目前放空能力不足已經(jīng)成為高壩安全的重要威脅。松林水庫運行20年后出現(xiàn)滑坡、壩基滲漏、白蟻病害，通過新建放空洞保障了老化工程整治的順利進行[11]。俄羅斯的薩揚舒申斯克、奧地利的柯爾布萊恩和茲勒格倫特、瑞士的澤齊爾和圣地瑪利亞以及西班牙的埃爾阿塔扎等大壩也均在壩踵發(fā)生開裂的情況下，通過放空大壩為工程大修提供了干地施工條件，極大地降低了潰壩事故風(fēng)險[12]。法國已經(jīng)明確規(guī)定，水庫需通過定期放空進行大壩檢修維護，以確保工程樞紐安全運行[13]。我國的三板溪、白云電站由于沒有放空設(shè)施，至今仍帶病運行[6]；水東混凝土壩也因未設(shè)置放空設(shè)施，以致壩體病害得不到徹底根治[5]。

為滿足高壩大庫工程安全、梯級聯(lián)合運行管理、健康診斷、升級改造、工程事故搶險和防災(zāi)應(yīng)急等需求，放空設(shè)施需具備以下功能特性：（1）空間上的垂向位置應(yīng)盡可能低，以最大程度放空水庫，為承受水壓更高、破損風(fēng)險更大的樞紐底部結(jié)構(gòu)提供便利的檢修維護條件[14]；（2）放空流量應(yīng)盡可能大，以提高放空速度，縮短放空時長，進而減小因放空造成的時間消耗及間接發(fā)電效益損失；（3）放空設(shè)施的閘門系統(tǒng)在所有蓄水、放水和檢修等相應(yīng)工況下具備長期穩(wěn)定擋水和必要的啟閉條件。

文獻[15-16]闡述了閘門無法完全落門并伴隨爬行而振動的發(fā)生機制。在單閘門放空系統(tǒng)中，受鋼閘門最大承載力限制，隨著放空洞布置深度的增加，其泄量隨之減小。一旦放空泄量小于上游來流量時，放空無法繼續(xù)。受上述限制，高壩工程放空洞的放空深度一般在120 m 左右，僅約高壩的1/3～1/2 壩高，且放空流量一般只能大于枯水期特定時段水庫來流量，因此放空時段單一。顯然，對于高壩而言，單級閘門放空洞的放空深度、放空流量和速度難以與工程規(guī)模發(fā)展相匹配。我國不僅已建、在建、擬建的高壩數(shù)量居世界首位，并處于200 m 以上特高壩建設(shè)的快速發(fā)展階段[17]，高壩設(shè)計已經(jīng)超出現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍[18]，且我國高壩多分布在西部地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)[19]，這顯然對放空能力提出了更高的要求，因此與之相關(guān)技術(shù)瓶頸亟待突破[20]。

本文提出高壩工程快速深度放空技術(shù)[21]，該技術(shù)主要包括兩大改進：（1）基于反向水推力平壓原理，采用“連續(xù)多級閘門擋水”的方法，解除放空深度對鋼閘門尺寸制約；（2）通過分層流道接力泄水，實現(xiàn)水庫的連續(xù)快速放空。理論分析和某案例工程的初步設(shè)計表明：該技術(shù)相關(guān)的水動力學(xué)[22-23]、結(jié)構(gòu)力學(xué)、金屬結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備方面的技術(shù)指標(biāo)均在常規(guī)工程設(shè)計和運行經(jīng)驗范圍之內(nèi)，此設(shè)計下放空設(shè)施的放空泄量、時段和放空深度滿足高壩工程在流域調(diào)水、工程結(jié)構(gòu)安全和突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急處理方面的技術(shù)要求。

2 基本原理

2.1 閘門最大承載力對放空設(shè)施布置的影響設(shè)閘門壓力中心的水頭為h0，放空設(shè)施斷面面積為S，水的容重為γ，則閘門承受的水壓力為：

由此可見，在閘門最大承載力F=Fmax的制約下，放空流量隨著放空深度的增加而減小，這便是單級閘門放空系統(tǒng)無法繼續(xù)加深的關(guān)鍵。

2.2 反向水推力和多級閘門擋水原理由上文分析可知，鋼閘門承受水壓力能力有限是不能在庫底采用大過水面積閘門的根本原因，而提高過水面積又是提高放空洞泄流能力的必要手段。因此，減小深層放空洞閘門所承受的水壓強是最為直接的技術(shù)手段和不可回避的關(guān)鍵問題。本文提出多級閘門分級承擔(dān)放空洞總水頭的方法來減小每一級閘門所承受的水頭，其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 反向水推力和多級閘門擋水原理

圖1以第四層放空洞設(shè)計為例，展示了第四層放空洞的第三級閘門利用反向水壓力原理消減上游水壓力的原理，以及各級閘門利用各自上、下游水位差來分擔(dān)總水頭h的原理。相關(guān)更具體的說明見圖中注1和注2，在此不再贅述。不同層數(shù)的放空洞設(shè)置和不同閘門的受力情況與圖1中的原理幾乎相同，本文也不再另作說明。在此方案下，只要h1、h2、h3和h4分別滿足各自閘門的水推力要求，此套系統(tǒng)就可以承擔(dān)總水頭為h的庫水位。

應(yīng)用此原理，在理論上實現(xiàn)了無論總水頭h多大，均可以通過設(shè)置足夠多的分級閘門，即滿足各級閘門水推力要求來分擔(dān)總水頭h。同時，當(dāng)放空泄量較大，即需要閘門面積較大時，可通過減小單級閘門的擋水水頭來滿足閘門水推力的要求；再通過增加閘門級數(shù)來滿足系統(tǒng)承擔(dān)總水頭的要求。此原理實現(xiàn)了隨著擋水深度的增加，閘門尺寸仍可根據(jù)泄流能力要求自由調(diào)整，從根本上解決了放空深度與泄量的矛盾。

2.3 分層流道接力泄水原理在分級擋水閘門下游設(shè)置弧形閘門，即可放水。但是由于弧形閘門的啟門水頭和水推力受金屬結(jié)構(gòu)制作水平限制更嚴(yán)格，所以只有弧形閘門上游水位達到其開啟要求時，分級擋水流道才能滿足開閘放水過流的要求。這也就意味著每層放空洞只能依靠各自弧形閘門來宣泄其進口底板高程以上一定高度的庫水，而更高高程的庫水則需要由上一層放空洞來宣泄。

通過合理布置各層流道的垂向位置，使各層流道的高程滿足其弧形閘門啟閉要求，上述“流道分層+接力放空”的方案即可以全面解決宣泄庫水的問題。具體而言，在實際泄水時，各平板閘門根據(jù)水位下落依次平壓提起，各放空洞中的弧形閘門則在達到設(shè)計起門水頭時開啟泄水，如圖2所示。

圖2 多級閘門深層放空系統(tǒng)多層流道接力泄水流程

3 深度放空系統(tǒng)設(shè)計

與常規(guī)的單級閘門放空洞相比，本文提出的多級閘門深層放空系統(tǒng)的設(shè)計略顯復(fù)雜。從宏觀設(shè)計流程來看，主要存在放空系統(tǒng)層數(shù)和各層特征水位的確定、分級擋水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)操控運行三大部分差異，下文分別進行說明。

3.1 放空系統(tǒng)層數(shù)和各層特征水位的確定放空系統(tǒng)層數(shù)主要受放空深度H、最小放空流量Qmin和閘門承載力Fmax的影響。在以上三個參數(shù)已知的情況下，放空系統(tǒng)層數(shù)和特征水位的確定方法如下。

（1）步驟1。依據(jù)最小放空流量Qmin和閘門承載力Fmax確定不同孔口尺寸S下放空洞的啟門水頭h。

（2）步驟2。根據(jù)各層放空洞的結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)確定水頭損失系數(shù)，進而得到各層放空洞的泄流特性曲線Qi*=f(hi*)(i表示放空洞的層數(shù))，并進而分別計算獲得各Si*和hi*對應(yīng)的最大放空流量Qi*，max、最小臨界放空流量Qi*，min及其對應(yīng)的最小臨界啟門水頭hi*，min、以及與下級閘門最大重合放水高程Δhi*。

（3）步驟3。綜合前兩步不同的泄流曲線計算結(jié)果，以泄流能力最大和同樣層數(shù)放空洞底板布置的更深為評價原則，進行微調(diào)，最終確定第i層放空洞的孔口尺寸Si、啟門水頭hi、最大重合放水高程Δhi、單個放空洞的最大放空深度為hi-hi，min。

（4）步驟4。假設(shè)庫水位為Ztop，且第一層放空洞從庫水位即可開閘泄水，則第一層底板高程為D1=Ztop-h1，第i層放空洞的底板高程第i層放空洞的啟門控制水位Z（i，i）=則第i層放空洞的k級平板閘門的上游水位下游水位Z（i，κ）down=Z（i，κ+1）up=Ztop-擋水水頭h（i，κ）=Z（i，κ）up-Z（i，k）down=hκ+1-Δhκ。第i層放空洞的總擋水水頭H=Ztop-Di當(dāng)?shù)趇層放空洞為最低層放空洞時，其總擋水水頭即整個深層放空系統(tǒng)的擋水水頭。

鑒于各層放空洞在擋水、放空過程中的功能及運行程序均相似；綜合考慮各層放空洞設(shè)計、檢修及金屬結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備的選型替換，一般建議各層放空洞規(guī)格應(yīng)盡量保持一致。則第一層底板高程為D1=Ztop-h，第i層放空洞的底板高程Di=Ztop-ih+（i-1）Δh，第i層放空洞的啟門控制水位Zi=Ztop-（i-1）h+（i-1）Δh。則第i層放空洞的k級平板閘門的上游水位Z（i，k）up=Ztop-kh+（k-1）Δh；下游水位Z（i，k）down=Z（i，k+1）up=Ztop-（k+1）h+kΔh；擋水水頭h（i，k）=Z（i，k）up-Z（i，k）down=h-Δh。第i層放空洞的總擋水水頭H=Ztop-Di=ih-（i-1）Δh=i（h-Δh）+Δh；當(dāng)?shù)趇層放空洞為最低層放空洞時，其總擋水水頭即整個深層放空系統(tǒng)的擋水水頭。

（5）步驟5。當(dāng)某層放空洞的泄量與放空時段內(nèi)的上游來流量一致時，庫水位停止降低，放空結(jié)束，此時的庫水位即為該時段的放空高程。

3.2 分級擋水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計水電工程運行是一個漫長的過程，放空建筑物的運行要求較為復(fù)雜，工程結(jié)構(gòu)布置應(yīng)綜合考慮各種運行需求。

3.2.1 分級擋水閘門設(shè)計 以單個第4層放空洞為例，采用四級閘門分級擋水（見圖2）。其中前面三級閘門以擋水為主，設(shè)置平板工作閘門，考慮各平板工作閘門檢修要求，分別在其上游設(shè)置平板檢修閘門，共用一個閘門井，閘門井根據(jù)地形地質(zhì)條件可以做成岸塔式或豎井式。平板工作閘門運行條件為靜水啟閉，均為后止水形式。最末一級為具備放水功能的弧形閘門，考慮其啟閉過程中卡阻等緊急情況下快速封閉流道的需求，在其上游設(shè)置平板事故閘門。弧形閘門運行工況是動水啟閉；弧形閘門的事故門運行工況是動水關(guān)閉靜水平壓開啟，一般為前止水形式，采用充壓Ω型水封和定輪支承型式，當(dāng)事故門經(jīng)歷放空和充水過程時，其所在洞段為封閉洞段，需通過充水管和補氣管進行充水補、排氣。

3.2.2 溢水廊道設(shè)計 深層放空各類閘門隨著運行時間的推移會因為水封老化、破壞等出現(xiàn)漏水的情況，導(dǎo)致個別閘門井筒內(nèi)水位升高，放空系統(tǒng)分級擋水的平衡狀態(tài)被打破。上述問題可通過設(shè)置溢水廊道來解決。具體措施是在各層放空洞從第二級（包括第二級）到最后一級閘門井（包括弧形工作門的事故閘門井）的下游設(shè)置溢水廊道。各級溢水廊道能夠相互連通，并最終與弧形工作閘門后的無壓段聯(lián)通。廊道進口高程與該級閘門井下游控制水位相同；洞身一般設(shè)計為正坡；以保證各級閘門井筒內(nèi)的多余水體可以順利自流溢出。由于事故閘門為前止水，還需要在最后一級平板閘門井和事故閘門井之間設(shè)置平壓豎井，確保事故閘門關(guān)閉時仍有空間為其上游閘門提供反向水推力。不言而喻，事故閘門平壓豎井設(shè)計水位處也需布置溢水廊道。溢水廊道的工作原理及其中水流流動方向如圖3中藍色箭頭所示。

3.2.3 連通管設(shè)計 溢水廊道的設(shè)置只能維持多級閘門井在擋水、蓄水工作過程中的系統(tǒng)平衡。檢修時，由于平板工作閘門、檢修閘門、事故閘門均需在平壓下啟閉；在承壓閘門替換過程中，均需通過底部連通管充排工作閘門（事故閘門）井筒內(nèi)的水體來滿足平壓要求。因此，底部連通管的高程應(yīng)低于最后一級平板閘門的下游水位（弧形閘門的擋水水位），工作過程中可以通過壓差從水庫中自流充水或者釋放某級工作閘門（事故閘門）井筒中的水體至下游。底部連通管的工作方式及其中水流方向如圖3中紅色箭頭所示。

圖3 分級擋水結(jié)構(gòu)

3.3 運行控制設(shè)計

3.3.1 蓄水 蓄水過程可由上文2.3章節(jié)中介紹的放水過程反推。具體操作為先關(guān)閉各層放空洞的弧形閘門，然后從最后一層放空洞開始，隨著庫水位的上升，分別在庫水位達到各級閘門下游水位及閘門平壓狀態(tài)下關(guān)閉平板閘門。如圖4所示。

圖4 多級閘門深層放空系統(tǒng)蓄水過程

3.3.2 放水 上文2.3節(jié)對多層放空洞的接力泄水過程進行了闡述。同時，對于多層流道中的一層放空洞而言（以第四層放空洞為例），其泄水過程也很簡單，即先隨著水位的下降，按順序在特定水位即閘門達到平壓狀態(tài)時依次開啟第一、二和第三級平板閘門，3級閘門開啟后弧形閘門擋水、放水。整個泄水過程中，溢水廊道和連通管不參與工作。

3.3.3 檢修設(shè)計 不同閘門運行方式不同，檢修方式也略有差異，大體可以分為平板門檢修和弧形門檢修。檢修過程中，主要涉及底部連通管的充排水和溢水廊道的排水。具體的水流路徑與圖3中的紅色和藍色箭頭相似。

（1）平板門檢修。以第四層放空洞第一級工作門檢修為例（圖3），首先平壓狀態(tài)下關(guān)閉第一級檢修閘門；將工作門井筒內(nèi)的水體通過開啟底部連通管排放至第二級井筒，進而通過溢水廊道排向下游無壓洞，使第一級工作門達到平壓狀態(tài)；提升工作門檢修，完畢后繼續(xù)平壓狀態(tài)下關(guān)閉工作門；開啟與第一級檢修門井筒相連的連通管閥門從水庫為工作閘門井充水，使檢修門前后平壓后開啟檢修門；擋水工作交還給工作門承擔(dān)。

（2）弧形閘門檢修。因事故閘門采用前止水需設(shè)置上游平壓豎井而略有不同。以第四層放空洞弧形閘門檢修為例，首先在通氣補水平壓的條件下關(guān)閉第四層事故檢修閘門，事故檢修門井筒內(nèi)多余水體通過充排水管（詳見圖3）與溢水廊道連接流向下游。開啟第四層弧形閘門檢修，事故檢修門與弧形閘室間水體經(jīng)隧洞流向下游?；⌒伍l門完成檢修并關(guān)閉，開啟第四層上游的各級平壓充排水管充水，對第四層放空洞事故閘門井筒至弧形閘門間空間充水，待事故閘門井筒內(nèi)水位上升至與第四層放空洞弧形閘門擋水水位一致時，在平壓狀態(tài)下開啟第四層放空洞的平板事故檢修閘門，該弧形閘門檢修完成。

4 工程應(yīng)用

某工程正常蓄水位為2895.0 m，最大壩高315.0 m，放空通過溢洪道、泄洪洞、第一、二層放空洞接力完成。溢洪道堰頂高程2873.0 m，孔口尺寸為15 m×22 m（寬×高），可首先通過溢洪道降低庫水位至Ztop。以滿足泄放汛期最大月平均流量1567 m3/s 作為最小放空流量Qmin。對于該工程，以常規(guī)設(shè)計水平的閘門承載力Fmax≤120 000 kN為條件，擬定多組放空洞的孔口尺寸S及啟門水頭h。

根據(jù)3.1節(jié)步驟4 相關(guān)內(nèi)容，分別計算各放空系統(tǒng)的底板高程、弧形閘門啟門水位、各級平板門上下游水位、泄流曲線等。通過比較，選擇泄流能力最大一組。最終確定弧形工作門尺寸為7 m×13 m（寬×高），平板門孔口尺寸為7 m×15.5 m（寬×高），啟門水頭70 m，相關(guān)特性參數(shù)見表1。

表1 某工程各層放空洞閘門分級及擋水水頭

（1）以工程校核水位至最底層放空洞底板高程計算的最高擋水水頭達151.42 m，最大放空深度為134.4 m，溢洪洞和泄洪洞共同承擔(dān)高水位泄洪放空，泄流曲線見圖5。各放空洞運行期的單寬流量、出口流速均為正常水平?？傂沽髑€中最小流量均大于工程汛期最大月平均流量1567 m3/s，滿足汛期、枯期均能放空水庫的要求。

（2）通過調(diào)洪計算，深度快速放空技術(shù)枯期放空平衡水位2760.6 m，歷時13 d，放空深度為134.4 m，剩余庫容4.96億m3，放空庫容87%，水位降幅6.87 m/d，死水位以下建筑物檢修時段為72 d。汛期放空平衡水位2779.21 m，平均歷時28 d，放空深度為115.79 m，平均剩余庫容7.28億m3，平均放空庫容80.92%，平均水位降幅3.4 m/d，平均死水位以下建筑物檢修時段為28 d。放空運行滿足大壩安全運行要求。

（3）與常規(guī)放空方案比較。該工程應(yīng)用深度快速放空技術(shù)后，枯期放空平衡水位降低32.4 m，平均歷時也有所減少；汛期平均放空平衡水位降低31.8 m，平均歷時仍減少。

圖5 放空系統(tǒng)泄流曲線

圖6 某工程樞紐平面布置

（4）深度快速放空技術(shù)工程投資主要在閘門井，平壓豎井，過水廊道，交通豎井，水平向檢修通道及檢修室等部位，其靜態(tài)投資較常規(guī)放空方案的增量占其靜態(tài)投資的0.83%；放空效果顯著，工程投資可控。

最終，根據(jù)壩址處水文、地質(zhì)等條件，確定工程平面布置如圖6所示，深度快速放空系統(tǒng)布置于右岸。第一層深度快速放空系統(tǒng)為泄洪洞，進口底板高程為2827.0 m。第一層放空洞由二級閘門組成，進水口底板高程2786.0 m，其進口布置見圖7。

圖7 某工程第一層放空洞首部結(jié)構(gòu)布置

第二層放空洞由三級閘門組成，第二層放空系統(tǒng)底板高程2745.0 m，其進口布置見圖8。承受水壓力最大的為第二層放空洞事故閘門，總水壓力約88 600 kN，滿足金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計水平要求。

圖8 某工程第二層放空洞首部結(jié)構(gòu)布置

5 結(jié)論及建議

本文分析了深層放空技術(shù)的限制因素，針對放空深度與泄量受閘門水推力限制的這一主要矛盾，提出了“分級擋水分擔(dān)總水頭+流道分層接力放空”的系統(tǒng)解決方案，并結(jié)合工程蓄水、放水、檢修的實際運行需求，進行工程結(jié)構(gòu)及安全保障體系的具體深化設(shè)計，形成了一套完備的工程技術(shù)方案。工程設(shè)計實踐和初步理論計算表明：較傳統(tǒng)放空方案，高壩深度快速放空技術(shù)在滿足金屬結(jié)構(gòu)常規(guī)運行的前提下，實現(xiàn)了高壩大庫的任意時段、大泄量、深層、快速放空。同時，該技術(shù)可應(yīng)用于低層導(dǎo)流洞封堵、深層取水、大泄量水電水利工程中孔、底孔、生態(tài)取水設(shè)計。對保證梯級電站流域安全意義重大。

工程設(shè)計中，放空能力評價指標(biāo)多樣，本文提出的方案雖然在技術(shù)上實現(xiàn)了多個放空指標(biāo)自由選擇的可能，但高壩大庫工程放空設(shè)計是一個多目標(biāo)優(yōu)化的過程，且目前尚無相關(guān)規(guī)范。作者認(rèn)為未來有必要展開多個工程放空能力對比的橫向分析研究，并探索選取單個工程最優(yōu)放空能力的方法。同時，本文提出的技術(shù)在具體工程應(yīng)用中新引入的雙向擋水閘門及水封技術(shù)，連續(xù)多級門槽的水力學(xué)問題也值得深入探索。

致謝：感謝武漢大學(xué)周偉和董宗師對本文的指導(dǎo)與幫助。