進水口疊梁門分層取水設計研究

游 湘，何月萍，王希成

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 進水口分層取水技術(shù)的研究背景

分層取水作為減免水庫下泄低溫水的措施，在國內(nèi)研究不多，目前尚無工程實踐。水庫形成后，水庫對水量的調(diào)蓄及水體對熱量存儲等條件的變化，將對庫區(qū)及下游河段水溫分布造成影響，從而對水生生物環(huán)境造成影響。鑒于水庫下泄低溫水對下游水環(huán)境與水生生物的不利影響，設計須調(diào)整優(yōu)化取水建筑物的形式，保證取水口在不同工況下均能取到上層水，減輕下泄低溫水的不利環(huán)境影響。

目前，分層取水建筑物型式主要有多層取水口、翻板門等形式。多層取水口布置方式的特點是將水道進水口沿豎向按取水高度分別設成幾個進口，每個進口都能滿足取水能力，水位較高時關(guān)閉下部進水口閘門，水位較低時開啟下部進水口閘門(見圖1)。該布置方式取水口層數(shù)越多結(jié)構(gòu)越復雜，結(jié)構(gòu)尺寸越大，適合于引用流量小、水庫水深不大、取水口處場地較開闊的工程。翻板門式布置的特點是在常規(guī)進水口引水渠的前面設置一道翻板門式閘門，閘門隨水位的升降自動升高或降低。該方式運行簡單，但閘門的檢修較為困難，水深較大時結(jié)構(gòu)設計難度較大，目前僅在少數(shù)小型水利工程上有應用。另外，也有工程采用高低進水口布置型式實現(xiàn)分層取水，即某幾臺機組進水口設置為不同的底板高程，根據(jù)水庫年運行方式開啟不同底板高程的進水口。此型式對電站發(fā)電量影響較大，且給運行、調(diào)度帶來一定的不便。

2 疊梁門分層取水技術(shù)

疊梁門這種閘門型式在國內(nèi)外水利水電工程中均有大量的應用實例和成熟的經(jīng)驗。但利用疊梁門實現(xiàn)分層取水技術(shù)是2006年在雅礱江錦屏一級工程中的首次應用。分層取水結(jié)構(gòu)是在取水塔內(nèi)設置一節(jié)或多節(jié)可沿塔身的高度方向升降的疊梁門，每節(jié)疊梁門均通過液壓自動抓梁與提升機構(gòu)連接。用疊梁門擋住水庫中下層低溫水，通過對疊梁門的操作，使水庫表層水通過疊梁門頂部孔口進入發(fā)電或灌溉的輸水系統(tǒng)，根據(jù)水庫運行水位變化，提起或放下相應節(jié)數(shù)的疊梁門，從而達到引用水庫表層水、提高下泄水溫的目的。為了便于疊梁門的升降控制，在取水塔的塔身上分別設有沿塔身的高度方向布置的疊梁門槽，疊梁門設置在疊梁門槽中。為適應不同壩高、庫深、水溫和水電站流量的需要，在疊梁門槽中沿塔身的高度方向?qū)盈B排列有多節(jié)疊梁門。為了防止水庫中的漂浮物等進入后面的發(fā)電進水口而損壞發(fā)電設備，在進水口處設置有攔污柵，攔污柵的寬度和高度按過流流速不大于0.8～1.2m/s確定，疊梁門一般布置在攔污柵的后側(cè)(見圖1)。疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)從上游到下游依次為:從攔污柵1到疊梁門2之間的攔污柵及隔水疊梁門段、疊梁門2到檢修閘門3之間的取水前池段、檢修閘門3到快速事故閘門4之間的發(fā)電取水塔段。

疊梁門分層取水技術(shù)適用于水利水電工程的各種分層取水建筑物，降低了工程對場地的要求，尤其解決了高壩、深庫、大流量、場地狹小的水電站的分層取水問題。該技術(shù)具有布置簡單，運行靈活方便，可靠性較好且投資省、對樞紐布置影響小、對電站動能指標影響小等優(yōu)點。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容及方法

3.1 分層取水水溫研究

3.1.1 下游魚類情況及對水溫要求的研究

目前，針對魚類的水溫適應性專門研究尚屬空白，無法得到每一種魚類確切的適宜水溫范圍。在研究中假定本江段天然水溫的變化范圍即魚類的適宜水溫范圍，超過這個范圍即認為魚類將會受到不同程度的影響，即評價水溫的依據(jù)采用天然河道歷年水溫變幅(以月平均水溫為代表)。

3.1.2 水庫下泄水溫預測研究

水庫下泄水溫預測方法有數(shù)值模型模擬和物理模型試驗兩種。

由于物理模型的許多邊界條件不相似性，通常采用立面二維水溫數(shù)值模型模擬豐水年、平水年、枯水年單層進水口和疊梁門分層取水方案的庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫過程，利用水動力學方程與溫度方程耦合求解。并對多個疊梁門多層取水方案下泄水溫進行預測、對比，分析分層取水效果。

在采用數(shù)值模型進行大型深水庫水溫預測前，由于水庫巨大的計算區(qū)域和極大的縱深比給數(shù)值計算的穩(wěn)定性、收斂性帶來很大困難，因此需要利用已建類似水庫實測資料對立面二維水溫模型進行模型驗證，并對水庫水溫模型預測結(jié)果進行對比驗證。

3.2 分層取水進水口的水力特性研究

疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)取水水流條件較原單層進水口發(fā)生變化，水頭損失較原單層進水口有所增加，取水前池段為水流過渡區(qū)，主要作用是使從水庫取得的表層水在通過閘門后能平順地進入發(fā)電進水口。該段結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)水流狀態(tài)確定，需要深入研究池內(nèi)流態(tài)及機組負荷變化時的池內(nèi)水位變動情況和動水壓力，尤其是在機組負荷變化時池內(nèi)的“調(diào)壓室”效應。需通過引水系統(tǒng)水力學模型試驗論證進水口的水力特性。模型按重力相似準則設計，模型范圍包括進水塔、疊梁擋水閘門、快速事故閘門及門槽、引水壓力鋼管段及尾端快速啟閉閥。

模型試驗的主要研究內(nèi)容有:(1)觀測不同運行條件下進水塔內(nèi)的水流流態(tài)，分析正常運行過程中進水塔的水力特性，提出每層疊梁門可能運行的最低水位;(2)在恒定水流和非恒定水流條件下，研究疊梁門、閘墩門槽段及鄰近區(qū)域的時均壓力、脈動壓力;(3)針對進水口疊梁門分層取水方案的布置，測量不同運行條件下的進水口段的水頭損失;(4)測量控制運行工況下進水塔內(nèi)典型斷面的水流速度;(5)研究下游快速事故閉門過程中，非恒定水流對擋水疊梁門的影響;(6)研究進水口檢修閘門、快速事故閘門門槽段及鄰近區(qū)域的水力特征，提供門槽段及鄰近區(qū)域的壓力分布、脈動壓力及能譜等，分析判斷發(fā)生空蝕的可能性。

3.3 分層取水進水口結(jié)構(gòu)的安全性研究

疊梁門分層取水進水口攔污柵框架及塔體胸墻等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸和配筋設計需結(jié)合機組負荷變化時池內(nèi)的“調(diào)壓室”效應情況綜合考慮后確定。通常根據(jù)水力特性研究中引水系統(tǒng)水力學模型試驗測量的在恒定水流和非恒定水流條件下作用對疊梁門的沖擊壓力荷載情況，采用三維有限元分析方法計算塔體的應力和變形，評價其對結(jié)構(gòu)安全的影響，尤其是對攔污柵框架的影響。

3.4 疊梁門及啟閉設備研究

疊梁門通常主要在靜水條件下啟閉，作為檢修閘門為下游流道的工作閘門創(chuàng)造檢修條件，其特點是利用自動抓梁分節(jié)起吊，可減輕起吊設備的容量和高度，從而降低設備造價。在動水條件下啟閉，還沒有正常應用實例，但在非常情況下(如處理某些事故，臨時采用疊梁門擋水)還是有一些實例。在水流流速較低時，疊梁門的操作也是可靠的。

啟閉設備為設置在塔身(11)頂部的雙向門式啟閉機(10)(見圖1(c))。雙向門式啟閉機由門架、主起升機構(gòu)、上游回轉(zhuǎn)吊起升機構(gòu)、上游回轉(zhuǎn)吊回轉(zhuǎn)機構(gòu)、大車運行機構(gòu)、小車運行機構(gòu)等部分組成，可以起吊電站進水口檢修閘門、電站進水口事故閘門和液壓啟閉機、取水口工作攔污柵、取水口備用攔污柵、取水口分層取水疊梁門、壩面零星物品等，其中疊梁門采用回轉(zhuǎn)起升機構(gòu)通過液壓自動抓梁起吊，起吊出壩面的疊梁門由門式啟閉機的大車運行機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)移至門庫內(nèi)存放。

3.5 水溫監(jiān)測設計研究

鑒于水庫建成后水溫變化對環(huán)境的各種影響，因此需采取一系列的監(jiān)測措施對水庫及下游水溫作出較準確的判斷，為環(huán)保評估提供可靠數(shù)據(jù)并為工程運行積累寶貴經(jīng)驗。

監(jiān)測項目通常包括上游庫水溫、壩前水溫、壩面水溫，以及電站進水口、尾水出口和泄洪洞進出口水溫的多斷面監(jiān)測。

4 效益及推廣前景

(1)經(jīng)濟效益明顯:利用疊梁門實現(xiàn)分層取水與達到同樣目的的其他分層取水方式相比，可大幅度降低工程量和工程投資。以錦屏一級水電站為例:多層取水疊梁門方案工程投資較單層取水口方案增加投資0.62億元，多層取水疊梁門方案比常規(guī)的雙層取水口方案節(jié)約投資約2.7億元。

(2)社會效益顯著:利用疊梁門實現(xiàn)分層取水是在工程中首次應用，該分層取水結(jié)構(gòu)已于2008年獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局實用新型專利證書。該技術(shù)適用于水利水電工程的各種分層取水建筑物，降低了工程對場地的要求，尤其解決了高壩、深庫、大流量、場地狹小的水電站的分層取水問題。該技術(shù)具有布置簡單、運行靈活方便、可靠性較好且投資省、對樞紐布置影響小、對電站動能指標影響小等優(yōu)點，近年來已在光照、溪洛渡、兩河口、雙江口、糯扎渡等大、中型水電站中推廣使用。

［1］蔣紅，盧紅偉，游湘，等.雅礱江錦屏一級水電站水溫特性及分層取水方案研究，水電2006國際研討會，2006:878－885.

［2］章晉雄，張東，吳一紅，等.錦屏一級水電站進水口疊梁閘門分層取水試驗研究報告［R］.北京:中國水利水電科學研究院，2006.

［3］楊欣先，李彥碩主編.水電站進水口設計［M］.大連:大連理工大學出版社，1990.

［4］徐遠杰，等.錦屏一級水電站廠房進水口分層取水設計專題報告附件三進水口三維有限元靜動力分析報告［R］.武漢:武漢大學，2007.

［5］游湘，劉平祿，等.錦屏一級水電站廠房進水口分層取水設計專題報告［D］.成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2006.