基于多级闸门联合挡水的高坝大库快速深度放空技术研究

杨家修，杜帅群，湛正刚，李晓彬

（中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 研究背景

在水利水电枢纽中，放空设施可有效降低库水位，为工程检修、重大灾难应急抢险提供最直接有效的支持[1-2]。水利水电工程运维经验表明，放空设施在降低工程事故发生率、减少事故灾害影响、提高工程安全运行保障方面效益显著[3-5]。如紫坪铺面板坝震损后通过冲沙放空洞和泄洪排沙洞及时降低了大坝上游水位，为大坝混凝土面板及止水系统破损修复创造了施工条件[6]。炸开弃用导流洞封堵形成紧急泄水通道为工程放空开辟了一条新途径，但堵头修复困难[7]。学者们对高坝深水水库温度分布[8]、闸门及卷帘门的泄洪振动[9]和泄洪雾化[10]研究较多，但对高坝的深层放空及分层放空技术研究较少，目前放空能力不足已经成为高坝安全的重要威胁。松林水库运行20年后出现滑坡、坝基渗漏、白蚁病害，通过新建放空洞保障了老化工程整治的顺利进行[11]。俄罗斯的萨扬舒申斯克、奥地利的柯尔布莱恩和兹勒格伦特、瑞士的泽齐尔和圣地玛利亚以及西班牙的埃尔阿塔扎等大坝也均在坝踵发生开裂的情况下，通过放空大坝为工程大修提供了干地施工条件，极大地降低了溃坝事故风险[12]。法国已经明确规定，水库需通过定期放空进行大坝检修维护，以确保工程枢纽安全运行[13]。我国的三板溪、白云电站由于没有放空设施，至今仍带病运行[6]；水东混凝土坝也因未设置放空设施，以致坝体病害得不到彻底根治[5]。

为满足高坝大库工程安全、梯级联合运行管理、健康诊断、升级改造、工程事故抢险和防灾应急等需求，放空设施需具备以下功能特性：（1）空间上的垂向位置应尽可能低，以最大程度放空水库，为承受水压更高、破损风险更大的枢纽底部结构提供便利的检修维护条件[14]；（2）放空流量应尽可能大，以提高放空速度，缩短放空时长，进而减小因放空造成的时间消耗及间接发电效益损失；（3）放空设施的闸门系统在所有蓄水、放水和检修等相应工况下具备长期稳定挡水和必要的启闭条件。

文献[15-16]阐述了闸门无法完全落门并伴随爬行而振动的发生机制。在单闸门放空系统中，受钢闸门最大承载力限制，随着放空洞布置深度的增加，其泄量随之减小。一旦放空泄量小于上游来流量时，放空无法继续。受上述限制，高坝工程放空洞的放空深度一般在120 m 左右，仅约高坝的1/3～1/2 坝高，且放空流量一般只能大于枯水期特定时段水库来流量，因此放空时段单一。显然，对于高坝而言，单级闸门放空洞的放空深度、放空流量和速度难以与工程规模发展相匹配。我国不仅已建、在建、拟建的高坝数量居世界首位，并处于200 m 以上特高坝建设的快速发展阶段[17]，高坝设计已经超出现行规范的适用范围[18]，且我国高坝多分布在西部地质灾害高发区[19]，这显然对放空能力提出了更高的要求，因此与之相关技术瓶颈亟待突破[20]。

本文提出高坝工程快速深度放空技术[21]，该技术主要包括两大改进：（1）基于反向水推力平压原理，采用“连续多级闸门挡水”的方法，解除放空深度对钢闸门尺寸制约；（2）通过分层流道接力泄水，实现水库的连续快速放空。理论分析和某案例工程的初步设计表明：该技术相关的水动力学[22-23]、结构力学、金属结构、电气设备方面的技术指标均在常规工程设计和运行经验范围之内，此设计下放空设施的放空泄量、时段和放空深度满足高坝工程在流域调水、工程结构安全和突发灾害应急处理方面的技术要求。

2 基本原理

2.1 闸门最大承载力对放空设施布置的影响设闸门压力中心的水头为h0，放空设施断面面积为S，水的容重为γ，则闸门承受的水压力为：

由此可见，在闸门最大承载力F=Fmax的制约下，放空流量随着放空深度的增加而减小，这便是单级闸门放空系统无法继续加深的关键。

2.2 反向水推力和多级闸门挡水原理由上文分析可知，钢闸门承受水压力能力有限是不能在库底采用大过水面积闸门的根本原因，而提高过水面积又是提高放空洞泄流能力的必要手段。因此，减小深层放空洞闸门所承受的水压强是最为直接的技术手段和不可回避的关键问题。本文提出多级闸门分级承担放空洞总水头的方法来减小每一级闸门所承受的水头，其技术原理如图1所示。

图1 反向水推力和多级闸门挡水原理

图1以第四层放空洞设计为例，展示了第四层放空洞的第三级闸门利用反向水压力原理消减上游水压力的原理，以及各级闸门利用各自上、下游水位差来分担总水头h的原理。相关更具体的说明见图中注1和注2，在此不再赘述。不同层数的放空洞设置和不同闸门的受力情况与图1中的原理几乎相同，本文也不再另作说明。在此方案下，只要h1、h2、h3和h4分别满足各自闸门的水推力要求，此套系统就可以承担总水头为h的库水位。

应用此原理，在理论上实现了无论总水头h多大，均可以通过设置足够多的分级闸门，即满足各级闸门水推力要求来分担总水头h。同时，当放空泄量较大，即需要闸门面积较大时，可通过减小单级闸门的挡水水头来满足闸门水推力的要求；再通过增加闸门级数来满足系统承担总水头的要求。此原理实现了随着挡水深度的增加，闸门尺寸仍可根据泄流能力要求自由调整，从根本上解决了放空深度与泄量的矛盾。

2.3 分层流道接力泄水原理在分级挡水闸门下游设置弧形闸门，即可放水。但是由于弧形闸门的启门水头和水推力受金属结构制作水平限制更严格，所以只有弧形闸门上游水位达到其开启要求时，分级挡水流道才能满足开闸放水过流的要求。这也就意味着每层放空洞只能依靠各自弧形闸门来宣泄其进口底板高程以上一定高度的库水，而更高高程的库水则需要由上一层放空洞来宣泄。

通过合理布置各层流道的垂向位置，使各层流道的高程满足其弧形闸门启闭要求，上述“流道分层+接力放空”的方案即可以全面解决宣泄库水的问题。具体而言，在实际泄水时，各平板闸门根据水位下落依次平压提起，各放空洞中的弧形闸门则在达到设计起门水头时开启泄水，如图2所示。

图2 多级闸门深层放空系统多层流道接力泄水流程

3 深度放空系统设计

与常规的单级闸门放空洞相比，本文提出的多级闸门深层放空系统的设计略显复杂。从宏观设计流程来看，主要存在放空系统层数和各层特征水位的确定、分级挡水系统结构设计、系统操控运行三大部分差异，下文分别进行说明。

3.1 放空系统层数和各层特征水位的确定放空系统层数主要受放空深度H、最小放空流量Qmin和闸门承载力Fmax的影响。在以上三个参数已知的情况下，放空系统层数和特征水位的确定方法如下。

（1）步骤1。依据最小放空流量Qmin和闸门承载力Fmax确定不同孔口尺寸S下放空洞的启门水头h。

（2）步骤2。根据各层放空洞的结构形状参数确定水头损失系数，进而得到各层放空洞的泄流特性曲线Qi*=f(hi*)(i表示放空洞的层数)，并进而分别计算获得各Si*和hi*对应的最大放空流量Qi*，max、最小临界放空流量Qi*，min及其对应的最小临界启门水头hi*，min、以及与下级闸门最大重合放水高程Δhi*。

（3）步骤3。综合前两步不同的泄流曲线计算结果，以泄流能力最大和同样层数放空洞底板布置的更深为评价原则，进行微调，最终确定第i层放空洞的孔口尺寸Si、启门水头hi、最大重合放水高程Δhi、单个放空洞的最大放空深度为hi-hi，min。

（4）步骤4。假设库水位为Ztop，且第一层放空洞从库水位即可开闸泄水，则第一层底板高程为D1=Ztop-h1，第i层放空洞的底板高程第i层放空洞的启门控制水位Z（i，i）=则第i层放空洞的k级平板闸门的上游水位下游水位Z（i，κ）down=Z（i，κ+1）up=Ztop-挡水水头h（i，κ）=Z（i，κ）up-Z（i，k）down=hκ+1-Δhκ。第i层放空洞的总挡水水头H=Ztop-Di当第i层放空洞为最低层放空洞时，其总挡水水头即整个深层放空系统的挡水水头。

鉴于各层放空洞在挡水、放空过程中的功能及运行程序均相似；综合考虑各层放空洞设计、检修及金属结构、机电设备的选型替换，一般建议各层放空洞规格应尽量保持一致。则第一层底板高程为D1=Ztop-h，第i层放空洞的底板高程Di=Ztop-ih+（i-1）Δh，第i层放空洞的启门控制水位Zi=Ztop-（i-1）h+（i-1）Δh。则第i层放空洞的k级平板闸门的上游水位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；挡水水头h（i，k）=Z（i，k）up-Z（i，k）down=h-Δh。第i层放空洞的总挡水水头H=Ztop-Di=ih-（i-1）Δh=i（h-Δh）+Δh；当第i层放空洞为最低层放空洞时，其总挡水水头即整个深层放空系统的挡水水头。

（5）步骤5。当某层放空洞的泄量与放空时段内的上游来流量一致时，库水位停止降低，放空结束，此时的库水位即为该时段的放空高程。

3.2 分级挡水系统结构设计水电工程运行是一个漫长的过程，放空建筑物的运行要求较为复杂，工程结构布置应综合考虑各种运行需求。

3.2.1 分级挡水闸门设计 以单个第4层放空洞为例，采用四级闸门分级挡水（见图2）。其中前面三级闸门以挡水为主，设置平板工作闸门，考虑各平板工作闸门检修要求，分别在其上游设置平板检修闸门，共用一个闸门井，闸门井根据地形地质条件可以做成岸塔式或竖井式。平板工作闸门运行条件为静水启闭，均为后止水形式。最末一级为具备放水功能的弧形闸门，考虑其启闭过程中卡阻等紧急情况下快速封闭流道的需求，在其上游设置平板事故闸门。弧形闸门运行工况是动水启闭；弧形闸门的事故门运行工况是动水关闭静水平压开启，一般为前止水形式，采用充压Ω型水封和定轮支承型式，当事故门经历放空和充水过程时，其所在洞段为封闭洞段，需通过充水管和补气管进行充水补、排气。

3.2.2 溢水廊道设计 深层放空各类闸门随着运行时间的推移会因为水封老化、破坏等出现漏水的情况，导致个别闸门井筒内水位升高，放空系统分级挡水的平衡状态被打破。上述问题可通过设置溢水廊道来解决。具体措施是在各层放空洞从第二级（包括第二级）到最后一级闸门井（包括弧形工作门的事故闸门井）的下游设置溢水廊道。各级溢水廊道能够相互连通，并最终与弧形工作闸门后的无压段联通。廊道进口高程与该级闸门井下游控制水位相同；洞身一般设计为正坡；以保证各级闸门井筒内的多余水体可以顺利自流溢出。由于事故闸门为前止水，还需要在最后一级平板闸门井和事故闸门井之间设置平压竖井，确保事故闸门关闭时仍有空间为其上游闸门提供反向水推力。不言而喻，事故闸门平压竖井设计水位处也需布置溢水廊道。溢水廊道的工作原理及其中水流流动方向如图3中蓝色箭头所示。

3.2.3 连通管设计 溢水廊道的设置只能维持多级闸门井在挡水、蓄水工作过程中的系统平衡。检修时，由于平板工作闸门、检修闸门、事故闸门均需在平压下启闭；在承压闸门替换过程中，均需通过底部连通管充排工作闸门（事故闸门）井筒内的水体来满足平压要求。因此，底部连通管的高程应低于最后一级平板闸门的下游水位（弧形闸门的挡水水位），工作过程中可以通过压差从水库中自流充水或者释放某级工作闸门（事故闸门）井筒中的水体至下游。底部连通管的工作方式及其中水流方向如图3中红色箭头所示。

图3 分级挡水结构

3.3 运行控制设计

3.3.1 蓄水 蓄水过程可由上文2.3章节中介绍的放水过程反推。具体操作为先关闭各层放空洞的弧形闸门，然后从最后一层放空洞开始，随着库水位的上升，分别在库水位达到各级闸门下游水位及闸门平压状态下关闭平板闸门。如图4所示。

图4 多级闸门深层放空系统蓄水过程

3.3.2 放水 上文2.3节对多层放空洞的接力泄水过程进行了阐述。同时，对于多层流道中的一层放空洞而言（以第四层放空洞为例），其泄水过程也很简单，即先随着水位的下降，按顺序在特定水位即闸门达到平压状态时依次开启第一、二和第三级平板闸门，3级闸门开启后弧形闸门挡水、放水。整个泄水过程中，溢水廊道和连通管不参与工作。

3.3.3 检修设计 不同闸门运行方式不同，检修方式也略有差异，大体可以分为平板门检修和弧形门检修。检修过程中，主要涉及底部连通管的充排水和溢水廊道的排水。具体的水流路径与图3中的红色和蓝色箭头相似。

（1）平板门检修。以第四层放空洞第一级工作门检修为例（图3），首先平压状态下关闭第一级检修闸门；将工作门井筒内的水体通过开启底部连通管排放至第二级井筒，进而通过溢水廊道排向下游无压洞，使第一级工作门达到平压状态；提升工作门检修，完毕后继续平压状态下关闭工作门；开启与第一级检修门井筒相连的连通管阀门从水库为工作闸门井充水，使检修门前后平压后开启检修门；挡水工作交还给工作门承担。

（2）弧形闸门检修。因事故闸门采用前止水需设置上游平压竖井而略有不同。以第四层放空洞弧形闸门检修为例，首先在通气补水平压的条件下关闭第四层事故检修闸门，事故检修门井筒内多余水体通过充排水管（详见图3）与溢水廊道连接流向下游。开启第四层弧形闸门检修，事故检修门与弧形闸室间水体经隧洞流向下游。弧形闸门完成检修并关闭，开启第四层上游的各级平压充排水管充水，对第四层放空洞事故闸门井筒至弧形闸门间空间充水，待事故闸门井筒内水位上升至与第四层放空洞弧形闸门挡水水位一致时，在平压状态下开启第四层放空洞的平板事故检修闸门，该弧形闸门检修完成。

4 工程应用

某工程正常蓄水位为2895.0 m，最大坝高315.0 m，放空通过溢洪道、泄洪洞、第一、二层放空洞接力完成。溢洪道堰顶高程2873.0 m，孔口尺寸为15 m×22 m（宽×高），可首先通过溢洪道降低库水位至Ztop。以满足泄放汛期最大月平均流量1567 m3/s 作为最小放空流量Qmin。对于该工程，以常规设计水平的闸门承载力Fmax≤120 000 kN为条件，拟定多组放空洞的孔口尺寸S及启门水头h。

根据3.1节步骤4 相关内容，分别计算各放空系统的底板高程、弧形闸门启门水位、各级平板门上下游水位、泄流曲线等。通过比较，选择泄流能力最大一组。最终确定弧形工作门尺寸为7 m×13 m（宽×高），平板门孔口尺寸为7 m×15.5 m（宽×高），启门水头70 m，相关特性参数见表1。

表1 某工程各层放空洞闸门分级及挡水水头

（1）以工程校核水位至最底层放空洞底板高程计算的最高挡水水头达151.42 m，最大放空深度为134.4 m，溢洪洞和泄洪洞共同承担高水位泄洪放空，泄流曲线见图5。各放空洞运行期的单宽流量、出口流速均为正常水平。总泄流曲线中最小流量均大于工程汛期最大月平均流量1567 m3/s，满足汛期、枯期均能放空水库的要求。

（2）通过调洪计算，深度快速放空技术枯期放空平衡水位2760.6 m，历时13 d，放空深度为134.4 m，剩余库容4.96亿m3，放空库容87%，水位降幅6.87 m/d，死水位以下建筑物检修时段为72 d。汛期放空平衡水位2779.21 m，平均历时28 d，放空深度为115.79 m，平均剩余库容7.28亿m3，平均放空库容80.92%，平均水位降幅3.4 m/d，平均死水位以下建筑物检修时段为28 d。放空运行满足大坝安全运行要求。

（3）与常规放空方案比较。该工程应用深度快速放空技术后，枯期放空平衡水位降低32.4 m，平均历时也有所减少；汛期平均放空平衡水位降低31.8 m，平均历时仍减少。

图5 放空系统泄流曲线

图6 某工程枢纽平面布置

（4）深度快速放空技术工程投资主要在闸门井，平压竖井，过水廊道，交通竖井，水平向检修通道及检修室等部位，其静态投资较常规放空方案的增量占其静态投资的0.83%；放空效果显著，工程投资可控。

最终，根据坝址处水文、地质等条件，确定工程平面布置如图6所示，深度快速放空系统布置于右岸。第一层深度快速放空系统为泄洪洞，进口底板高程为2827.0 m。第一层放空洞由二级闸门组成，进水口底板高程2786.0 m，其进口布置见图7。

图7 某工程第一层放空洞首部结构布置

第二层放空洞由三级闸门组成，第二层放空系统底板高程2745.0 m，其进口布置见图8。承受水压力最大的为第二层放空洞事故闸门，总水压力约88 600 kN，满足金属结构设计水平要求。

图8 某工程第二层放空洞首部结构布置

5 结论及建议

本文分析了深层放空技术的限制因素，针对放空深度与泄量受闸门水推力限制的这一主要矛盾，提出了“分级挡水分担总水头+流道分层接力放空”的系统解决方案，并结合工程蓄水、放水、检修的实际运行需求，进行工程结构及安全保障体系的具体深化设计，形成了一套完备的工程技术方案。工程设计实践和初步理论计算表明：较传统放空方案，高坝深度快速放空技术在满足金属结构常规运行的前提下，实现了高坝大库的任意时段、大泄量、深层、快速放空。同时，该技术可应用于低层导流洞封堵、深层取水、大泄量水电水利工程中孔、底孔、生态取水设计。对保证梯级电站流域安全意义重大。

工程设计中，放空能力评价指标多样，本文提出的方案虽然在技术上实现了多个放空指标自由选择的可能，但高坝大库工程放空设计是一个多目标优化的过程，且目前尚无相关规范。作者认为未来有必要展开多个工程放空能力对比的横向分析研究，并探索选取单个工程最优放空能力的方法。同时，本文提出的技术在具体工程应用中新引入的双向挡水闸门及水封技术，连续多级门槽的水力学问题也值得深入探索。

致谢：感谢武汉大学周伟和董宗师对本文的指导与帮助。