大型水利枢纽泄洪运行安全实时调控技术

黄国兵，杨 伟，侯冬梅，胡 晗，李会平，张陆陈，吴 双

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010； 2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.南京水利科学研究院 水工水力学研究所，南京 210029)

1 研究背景

长江上中游已建或拟建的水利水电枢纽大多具有水头高、泄量大、泄洪功率高、地形地质条件复杂等特点，泄洪运行过程中泄洪消能防冲建筑物产生的冲刷[1]、失稳[2]、蚀损[3-4]、振动[5]以及坝区周边场地振动[6]、泄洪雾化[7-8]及低频声波[9]等安全问题十分突出，有必要进行系统深入研究。

通过调研国内外30多个出现泄洪破坏的工程发现，破坏大多发生在运行初期[10-13]，例如俄罗斯的萨扬舒申斯克、巴基斯坦的塔贝拉，中国的五强溪、金安桥、安康等。其原因除了施工质量问题和体型设计不合理外，跟实际泄洪运行条件及运行方式的改变、调控技术落后、泄洪致灾机理不清或控制指标安全度低等关系密切。以往研究多是针对工程施工设计阶段开展的，对工程建成后泄洪运行过程中出现的安全问题研究较少。为满足枢纽长期安全运行的需求，结合国家重点研发计划课题《枢纽泄洪运行安全实时调控技术》(2016YFC0401904)对枢纽调控与安全运行进行了系统研究[14-15]。

本文介绍该课题的主要研究成果，重点是针对水利枢纽泄洪运行中出现的安全问题，采用10多个典型工程(如锦屏、向家坝、金安桥等)原型观测及调控、大比尺物理模型试验复演(如三峡1∶20、向家坝1∶59、金安桥1∶50模型等)以及数值模拟预测等方法，研究泄洪运行各种调控工况下的水力响应特性，即通过揭示泄洪运行致灾机理，明确泄洪闸门运行调控方式对枢纽运行安全的影响，进行闸门启闭顺序、开启组合、开启程度等实时精细调控，提出安全调度方式。在此基础上，建立智能快速评估体系，集成泄洪安全监测预警及实时调控系统，完善与改进枢纽运行方式，保障泄洪运行安全。

2 泄洪运行安全调控响应特性

泄洪运行安全调控响应特性涉及泄洪消能防冲建筑物在泄洪运行中出现的有害漩涡、掺气水流喷溅、结构振动、底板失稳、溢流面空蚀、坝下基岩冲刷以及坝区周边场地振动、泄洪雾化、低频声波等问题的形成原因、破坏机理以及在各种调控工况下的响应特性。本文重点阐述了掺气水流紊动喷溅和闸门振动的致灾机理，通过泄洪闸门精细调控提出了改善水流紊动喷溅、消减进口漩涡、减小场地振动和减弱低频声波的安全调度方式。

2.1 泄洪运行致灾机理

2.1.1 掺气水流紊动喷溅

某工程深孔在高水位泄洪运行时掺气水体发生了阵发性喷溅并引发了坝体振动[16]，复演试验研究表明：掺气挑坎紊动喷溅与运行水头、坝前进流条件、掺气空腔瞬变流特性等影响因子相关，尤其是在高水头运行时，掺气坎水舌挑距加大(最高水头时接近泄槽反弧段起点)且与泄槽碰撞夹角加大，掺气空腔回水上溯强烈且前后摆动幅度较大，掺气水体及水翅大幅度抬升且周期性变化；而斜向进流会加剧掺气底空腔回水前后摆动幅度，使泄槽水流紊动喷溅加剧。研究提出了在高水位运行时采用先表孔后深孔及不同表深孔组合的调度方式，可明显改善深孔进流流态，使挑坎水舌抬升、底部空腔摆动、壁面压力紊动等不安全隐患降低30%以上，保障了工程泄洪运行安全。

2.1.2 闸门“伴生振动”

某高拱坝中孔在闸门局部开启运行时诱发了表孔闸门振动，即“伴生振动”现象，针对这一不良水力特性，通过原型观测并结合坝体-闸门耦联体系动力学模型计算分析表明，中孔闸门振动传递到表孔闸门的路径是拱坝坝身结构，而表孔堰顶是拱坝坝体振动能量释放的薄弱部位，振动在该处得到了一定程度的放大[17]，并且由于表孔闸门没有顶部水封约束，振动比中孔闸门自身振动更加明显。在表孔闸门完全关闭时，“伴生振动”值最大，振动强度随表孔闸门开度增大而减小：闸门开度从0增加到25%时，闸门底缘与堰顶分开，伴生振动路径被部分隔断使“伴生振动”减小；闸门开度增加到75%时，闸门底缘基本脱离下泄水流，振动进一步减小；闸门开度继续加大至敞泄时，由于荷载条件几乎不变，故闸门振动量没有变化。要避免薄高拱坝表孔闸门发生“伴生振动”，在调度时应避免中孔闸门局部开启，或避开局部开启振动较大的开度，以消除或降低“伴生振动”影响。

2.1.3 闸门“爬行振动”

高坝事故闸门在动水闭门过程发生爬行振动(简称“爬振”)而无法完全落门的问题时有发生，轻则不利于启闭设备和闸门的长期安全运行，重则造成工程失事。某工程泄洪洞事故闸门在动水闭门过程中发生“爬振”使闸门无法顺利关闭，研究发现当事故闸门运行至小开度(0.7 m)时，作用在闸门上的垂直向下的动水荷载偏小，闭门持住力接近为0，而闸门底缘水流脉动荷载较大，导致闸门出现时停、时走的“爬振”现象[5,18]。研究提出了综合考虑运行工作参数、支承结构、闸门底缘型式等影响因素的减振抑振措施，可增加闸门小开度时的门顶水柱荷载、减小闸门底缘脉动荷载，实现事故闸门在高水头作用下的平稳关闭。

2.2 泄洪运行精细调控

2.2.1 消减进口漩涡

向家坝水电站表孔局部开启(简称“局开”)运行时表孔闸首产生了有害漩涡并引发闸门振动，不利于闸门及相关结构安全。研究表明闸首漩涡主要与电站上游河道河势、泄洪建筑物布置形成的斜向进流条件、表孔宽扁形闸墩体型以及表孔闸门控泄等因素相关[19]。在无法改变已建工程布置及体型的条件下，提出了消减漩涡改善流态的优化泄洪调度方案，如优先开启左区表孔，或适当增大中孔闸门开度，同时减小表孔闸门开度，可减弱表孔闸首前的漩涡强度，表孔闸首未出现有害漩涡的泄洪流量可从4 600 m3/s以下提升至8 600 m3/s以下，同时结合采用消涡浮排、透水式弧形闸墩等工程措施，可进一步减弱甚至消除漩涡。

2.2.2 减小场地振动

向家坝水电站泄洪运行后在坝区及下游县城居民区发生了一定程度的场地振动现象，振动影响范围广、持续时间长，危及建筑物的结构安全和人的身心健康。研究揭示了泄洪诱发场地振动的“运行方式-流态特征-激励特性-振动响应”影响链，发现坝区及周边场地振动与泄洪调度方式密切相关[20-21]，通过200多组次调度方式优化试验，提出了各级下泄流量条件下的减振优化调度原则，即优先开启表孔，尽量双池(左池和右池闸门同步对称开启)、多孔运行，相同泄量下宜采用380 m库水位。通过对闸门的精细调控(图1)[15,22]，现场观测表明，实际泄量8 000～11 000 m3/s，较未采用安全调控方式时增大15%～55%，振动较同区域最大值平均减小了约30%以上，人群基本无振感，减振抑振效果显著。

图1 向家坝水电站不同工况下的场地振动加速度比值与消力池流量关系[15,22]Fig.1 Relationship between field vibration accelerationratio and flow of energy dissipation pool under differentworking conditions of Xiangjiaba Hydropower Station[15,22]

2.2.3 减弱低频声波

低频声波会在一定区域内引起房屋门窗振动及居民不良生理反应等问题，并且传播时声强大、衰减速度慢、影响范围广。研究发现某电站泄洪诱发的低频声波强度与泄洪流量、开孔数量以及开孔方式有一定的关系。当开孔方式相同时，随着泄洪流量的增大，空气中低频声波强度随之增大；当泄洪流量相近时，开孔数量越多，泄洪水流更加均匀平顺，有利于减小低频声波的强度；当开孔数量和泄洪流量确定时，对称的开孔方式更有利于减小低频声波的强度；建议在泄洪流量一定时，启用更多的泄洪孔，并尽可能采用对称均泄的方式，可有效减小低频声波的影响。

3 泄洪安全智能快速评估方法

传统监测系统虽可实时预警，但需后期分析才能给出工程调度运行建议，时间滞后而且优化目标单一。对比研究概率统计、模糊数学、权重分析、专家判定等多种评估方法，研究提出了一种能快速诊断、识别枢纽泄洪消能设施(泄洪洞、消力池、水垫塘等)、近坝区其它建筑物运行状态和优化调度方式的智能评估方法。

3.1 监测指标

选取能够准确反映工程运行状态，且对状态变化比较敏感的控制指标，例如空化数、脉动压强、上举力、消能率、流速、水深等水动力学指标，振动位移、振幅、振动加速度等结构动力学指标，建立水流-结构耦合动态监测指标体系，根据不同工程的预警指标阈值对枢纽运行中出现的底板失稳、结构与场地振动、空蚀、雾化、低频声波等危害进行综合评估。

消能防冲建筑物安全控制指标没有统一的标准，本文重点将脉动压强均方根作为底流和挑跌流消能工底板稳定的控制指标[23]进行论述。研究发现消力塘底板最大脉动压强均方根、最大单位上举力均与单位水体消能率之间呈正相关关系，底板破坏概率随这三者的增大而增大。建议消力塘脉动压强均方根控制在50 kPa以内(约5 m水头)、单位水体消能率控制在25 kW/m3以内，水电站消能防护结构不易发生泄流消能破坏。对于护坡不护底消能结构，其水垫塘单位消能率控制在14 kW/m3以下是安全的。

3.2 总体框架

该智能快速评估方法的总体框架见图2，总体思路如下：

图2 泄洪安全智能快速评估方法总体框架Fig.2 General framework of intelligent and fastevaluation method for flood discharge safety

(1)通过原型观测，辅助物理模型试验、数值模拟及BP神经网络预测获得满足安全评估控制指标的泄洪运行工况原始数据库。

(2)对当前调度方案下的流速、脉动压力、结构振动、场地振动、低频声波、泄洪雾化等多种监测项目同步实时监测。

(3)根据当前工况下的监测数据，对选定的监测指标参数进行计算求解，并对选定的所有监测指标进行安全判定。

(4)监测指标在安全阈值内给出“正常状态”的评估结论并更新数据库；当超过安全阈值则显示“异常状态”，进而根据来流条件从数据库里搜索能降低超阈值指标的优化调控方案。

3.3 工程应用

本研究提出的泄洪安全智能评估方法，通过多种传感器汇接、组网对多种监测项目进行同步实时监测,结合信号可用性检测、滤波降噪等方法分析监测指标与安全阈值的差异，实现了多种监测指标的协同快速分析，可对工程运行安全进行多维度综合评判。

以采用高低跌坎式消力池消能的向家坝水电站为例，其工程布置见图3。综合考虑泄洪运行中的安全问题以及其他影响因素，结合安全监测数据、枢纽调度信息、气象条件等相关基础资料，构建了向家坝泄洪安全智能快速评估模型。该模型主要对消力池、导隔墙和周边场地进行安全评估，重点监测评估的指标有消力池底板振动位移均方根、消力池底板脉动压强均方根、导墙振动位移均方根、场地昼间振动加速度均方根和低频声波声压级等。

图3 向家坝水电站枢纽布置Fig.3 Layout of Xiangjiaba Hydropower Station

4 泄洪安全监测及实时调控系统

考虑多种监测指标的协同影响，结合泄洪安全智能快速评估方法，构建适用于不同消能型式工程、可对泄洪运行操作智能评估并推荐优化调度方式的泄洪安全监测与实时调控系统。

4.1 系统架构

泄洪安全监测与实时调控系统总体架构设计见图4，可划分为数据采集层、数据存储层、服务层、业务应用层和用户层5个层级。

图4 泄洪安全监测与实时调控系统总体架构Fig.4 General architecture of flood discharge safetymonitoring and real-time operation system

(1)数据采集层：为枢纽泄洪安全监测现场前置监测采集设施，主要包括安全监测仪器设备以及水文气象、闸门监控、视频监控和其他采集设备。

(2)数据层：数据层为系统的数据基础，主要为整个系统存储数据，为业务应用提供数据，包括储存整个系统基础信息的系统基础数据库、存储安全监测数据的监测数据库、存储文档资料、视频语音资料等的非结构化数据库。

(3)服务层：主要包括数据采集服务以及数据操作、数据分析计算、系统集成和各类功能调用服务。

(4)业务应用层：由仪器管理、数据管理、闸门监控、视频监控以及其他业务应用组成，并且预留接口满足后期扩充需求，也可以根据用户实际需求进行系统业务功能定制开发。

(5)用户层：系统用户主要是枢纽的管理部门、设计单位、开发单位以及其他用户。

4.2 业务应用层简介

业务应用层是系统的核心部分，简要介绍包含的仪器管理、数据管理、闸门监控、视频监控、安全调控等业务应用模块：

(1)仪器管理模块主要是对水电站安装的脉动压力传感器、流速传感器、振动传感器、雨量计、强震仪等各类仪器信息、布置图、埋设位置等信息的管理。

(2)数据管理是对脉动压力、流速、振动、低频声波、雾化降雨等各类监测数据进行管理，用户可根据仪器编号等查询数据信息，数据信息以过程线图和数据表的形式展示。

(3)闸门监控可显示上游水位、泄洪流量、电站出力等运行信息以及各闸门开度情况，并根据闸门调控指令对闸门启闭、开度进行调控。

(4)视频监控通过接入现场各工程部位视频设备，对工程关键部位进行视频信息展示。

(5)安全调控模块分为关键参数获取、智能快速评估和闸门实时调控3个部分，其中关键参数获取模块和闸门实时调控模块见图5。实时监测数据输入到泄洪安全智能快速评估模型中，对运行状态进行评价和预警，提出优化调度方案，将闸门参数输入到闸门实时调控模块对当前调度方案进行调整，实现调度运行方案的快速多目标优化。

图5 安全调控模块Fig.5 Security operation module

5 结 语

本文系统阐述了枢纽泄洪运行安全实时调控技术研究的主要成果，包括泄洪建筑物产生进口漏斗漩涡、掺气水流紊动喷溅等不良水流流态的关键影响因素及调控响应特性；消减不良水流流态出现频次或减弱其强度的优化调控措施；高水头水工闸门“伴生”和“爬行”振动响应机理及减弱或消除振动的调度方式；跌坎底流消能诱发场地振动及低频声波的主要影响因素及减轻场地振动危害和减弱低频声波强度的精细调控技术。基于以上研究成果，建立了水流-结构耦合动态监测指标体系，提出了泄洪安全智能快速评估方法，集成了枢纽泄洪安全监测预警及实时调控系统，对泄洪消能防护、空蚀、结构和场地振动、雾化等安全调控响应特性进行实时监测、预报、评估和优化调度，实时解决枢纽运行安全问题。