三峡大坝排沙孔原型观测及通气管阀门操作优化研究

耿峻　胡晗　童广勤　丁宇

摘要：三峡大坝排沙孔工作门在高水头条件下启闭，且闸门后为有压流，闸门启闭过程中的水力特性复杂，水流空化等问题一直受到各方关注。研究介绍了三峡大坝排沙孔工作闸门启闭的水力学原型观测成果，三峡大坝设有7个排沙孔、2个冲沙孔和1个排沙洞，以左厂1号、2号排沙孔为监测对象，重点监测了通气孔风速、空气噪声、工作闸门区水下空化噪声。观测结果显示：当闸门处于开高3.8 m以上位置时，通气管被水流充满而不能补气，并开始成为分流通道，而且排沙孔工作闸门后通气管在大开度和全开状态下的分流会造成局部空化和声振的问题。经研究制定了合理的排沙孔工作闸门与通气管阀门适时配合操作原则。经过现场验证，采用该优化操作原则，初步解决了排沙孔工作闸门区的局部空化问题及闸门启闭过程中的声振问题。

关键词：排沙孔； 通气管； 水流空化； 声振； 三峡大坝

中图法分类号：TV663 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.017

文章编号：1006-0081（2024）04-0106-05

0 引 言

三峡大坝泄水建筑物具有下泄流量大、泄洪落差大、孔口数量多、运行水头高、库水位变幅大等特点，其泄洪运行备受关注［1-3］。在多次三峡水力学原型观测中，重点考察了表孔、深孔、排沙孔和排漂孔水流流态、动水压强、水流流速、水流空化噪声、通气风速、水流掺气浓度、坝下冲刷等问题［4-6］。三峡大坝自2003年建库蓄水以来，泄洪消能建筑物经历了多场大洪水考验，各泄水建筑物运行调度正常［7-8］。

由于上游来沙量较大，为保证水库的有效库容和水质，减少泥沙对电站设备和船闸的磨损，改善下游河道的冲淤平衡和生态环境，三峡大坝设有7个排沙孔、2个冲沙孔和1个排沙洞［9］。

鉴于排沙孔工作门在高水头条件下启闭，且闸门后为有压流，闸门启闭过程中的水力特性复杂，水流空化等问题一直受到各方关注。长江科学院于2003年7月对三峡大坝排沙孔进行了水力学监测。根据左厂排沙孔布置特点，选择左厂1号、2号排沙孔为监测对象，重点监测了排沙孔工作门启闭过程中的水流特性。

1 三峡排沙孔布置及体型

1.1 排沙孔总体布置情况

三峡大坝的7个排沙孔分别为左非18号坝段的1号排沙孔、左安Ⅲ坝段的2号和3号排沙孔、右厂排坝段的4号排沙孔、右安Ⅲ坝段的5号和6号排沙孔、右厂26号坝段的7号排沙孔［9］。

三峡大坝的7个排沙孔中，1号、7号排沙孔进口底高程为90.0 m，出口底板高程为60.5 m；2～6号排沙孔进口底高程为75.0 m，出口底板高程为57.5 m；排沙孔进口尺寸5.0 m×7.0 m（宽×高），出口尺寸2.8 m×4.0 m（宽×高），排沙孔圆管段直径为5.0 m，采用钢衬结构。

排沙孔在坝轴线下游4.3 m处设1道挡水事故平板闸门，闸门槽直通坝顶，闸门启闭由坝顶门机（与厂房坝段共用门机）操作。

1号排沙孔和8号排沙洞出口段布置在靠近边坡的坝段，其余排沙孔均布置在电站中部。排沙孔最高运行库水位为150.0 m，出口采用淹没出流，下游水深较大，水垫较厚，未采取特别的消能防冲措施。左岸电站1号排沙孔及地下电站8号排沙洞因靠近边坡，为确保护坡及进厂公路安全，1号排沙孔出口段向右偏转10°，8号排沙洞出口段向左偏转15°。

1.2 排沙孔总体布置情况

三峡大坝左右岸电厂坝段的7个排沙孔承担着厂前排沙泄洪任务，根据三峡电站排沙运用条件，若工作闸门布置在上游进口段，闸门在开启（或关闭）过程中，洞内将出现明满流交替、洞内封闭水跃及高速水流等问题［10］，故将工作闸门布置在排沙洞的出口段。具体布置方案：左岸1号排沙孔进口段为“龙抬头”型，其排沙洞水平投影长度190.4 m，进口底高程90.0 m；洞身下游水平圆管段（D＝5.0 m，底高程60.5 m）之后为24.05 m长的闸门控制段，包括12.0 m长的圆变方段、3.8 m长的门槽段以及8.25 m 长的门后收缩段。为避免1号排沙水流顶冲左岸边坡，将1号排沙孔门后收缩段在平面上向河心方向右偏转10°。2～7号排沙孔的进口体型与1号排沙孔相同，也为“龙抬头”型，其排沙洞水平投影长度190.4 m，进口底高程75.0 m；洞身下游水平圆管段（D＝5.0 m，底高程57.5 m）之后为24.2 m长的闸门控制段，包括12.0 m长的圆变方段、3.8 m长的门槽段以及8.4 m长的门后收缩段；2～7号排沙孔门后收缩段在平面上为直线布置。

各排沙孔工作闸门均为垂直升降的平板闸门，闸门启闭过程中具有运行水头高（70～90 m）、门区流速大（最大流速达38 m／s）、水流挟沙等特点。在工作闸门全开运用工况下，工作门槽前后均为有压流；在闸门开启或关闭过程中，闸门有10多分钟的时间处于局部开启状态，闸门后流态随闸门开度变化及门后孔顶通气效果等而呈现淹没漩滚流、具有自由水面的管内封闭水跃、满管流等。门槽区的水力特性非常复杂，空化空蚀问题及闸门振动问题尤为突出。

在工程设计阶段通过水力学试验研究，得出在闸门全开运行条件下，工作闸门区的管道流速小于19 m/s，门槽区水流空化数为1.78～2.22，大于该型门槽初生空化数，空化安全系数大于3.0，门槽区不會出现空蚀问题［10］。但是，在工作闸门启闭过程中，门后底部高速射流和表层旋滚流剪切作用强烈，闸门区最大负压接近真空值，门区水流脉动均方根最大值为5.9×9.81 kPa，工作闸门振动强烈，会危及闸门结构安全，尤以闸门在相对开度n=0.4～0.6时为甚，因此门后必须设置通气管［10］。为了避免闸门区发生空蚀与声振，在1号、2号排沙底孔工作闸门后的管顶均布置了两根直径为0.7 m的通气管，其作用是在工作闸门启闭过程中向门后负压区补气。以1号排沙孔为例，展示了排沙孔工作闸门和门后通气管布置情况。

在工作闸门完全开启后通气管可能会充满水产生分流，因此需要设置阀门予以避免［11］。排沙孔通气管阀门在实际应用中的开合需要和工作闸门的启闭密切配合协调才能保证排沙孔既不会在工作闸门启闭过程中产生空化空蚀问题，也不会充满水产生分流。排沙孔通气管阀门的具体操作策略需要通过原型试验进行优化。

2 三峡大坝排沙孔原型观测成果

2.1 观测内容及工况

如前文所述，在三峡大坝排沙孔原型观测中重点关注了工作闸门在启闭过程中，其门后有压管段底部淹没射流引起的剪切流空化特性及门后通气管的通气效果，这是水力学原型观测的主要内容，为此重点测量和分析了通气孔风速、闸门启闭机室和排沙孔通气管进气口附近空气噪声、工作闸门区水下噪声。

2003年7月分别对左岸电厂1号、2号排沙孔进行了水力学监测，排沙孔运行监测时段的库水位为135.00 m，下游水位为69.40 m。原型观测期间重点关注了排沙孔通气管阀门启闭过程中的通气孔风速、空气噪声和水流空化噪声。空化噪声测点布置包括了工作门下游侧墙（测点1）、通气孔后管顶（测点2）、门后侧墙（测点3）和排沙孔出口管顶（测点4）等部位，如图1所示。

2.2 通气孔风速原型观测成果

1号排沙孔在作闸门开启过程中，通气管在闸门开高约3.8 m以下可正常补气，当闸门处于开高3.8 m以上位置时，通气管被水流充满而不能补气，并开始成为分流通道；在闸门开高1.5～3.3 m范围，通气管风速超过40 m/s，最大风速值达48 m/s。

2号排沙孔工作闸门开启过程中，通气管在闸门开高4 m以下可正常补气；在闸门开高1.6～3.2 m 范围，通气管风速超过30 m/s，通气管最大风速为41 m/s；当闸门在开高4 m以上时，随着闸门后空腔消失，通气管被水流充满并向外排水。

排沙孔工作闸门开启过程中的通气孔风速与闸门开度关系见图2。

通气孔风速原型观测结果显示：在工作闸门开启过程中，通气管内首先出现水面下降，进而形成吸气现象；随着闸门开度增大，闸门后空腔逐步增大并大量掺气，当闸门开至一定程度后，随着闸门进一步开启，闸门后空腔又逐步缩小直至在排沙底孔闸门区形成完全压力流，此时，通气管停止进气，若不及时关闭阀门，会成为分流通道。在工作闸门闭门过程中，通气管工作过程与启门时相反。

2.3 空气噪声原型观测成果

排沙孔工作闸门在启闭过程中由于排沙孔通气管的分流，还会产生环境噪声。原型观测重点关注了排沙孔工作闸门启闭机室和排沙孔通气管进气口附近（尾水平台）的环境噪声。

启闭机房和尾水平台的背景总声级分别为82 dB 和71 dB。在排沙孔通气管保持开启状态的情况下，排沙孔总声级在闸门开高4.6 m以上均明显增大，直到排沙孔工作闸门全开，启闭机房和尾水平台的环境噪声维持在100 dB和90 dB左右。启闭机房最大声级达110 dB，尾水平台最大声级达95 dB。在较大噪声阶段，启闭机房内可闻较强烈的爆裂声，噪声主要从通气管内传出。此现象称之为声振。经分析，通气管在工作闸门接近全开后开始的过流状态及由此产生的强空化是出现强烈声振的原因。

2.4 水流空化噪声原型观测成果

通过水下噪声测量和分析可监测空化的初生和发展，分析空化特性并确定空化产生的部位［12-14］。水流空化噪声具有高频特性，工程上常用水流空化产生的宽频带随机性噪声信号作为空化发展不同阶段的判据，因此运用空化噪声探测技术研究水流空化问题是一种有效的技术手段。

对1号排沙孔进行试验观测，工作闸门在完整的启、闭操作后，通气管阀门一直处于全开状态。1号排沙孔开门过程中各测点的水下噪声谱级图如图3所示。

从工作门下游侧墙所设水听器（测点1）的测量结果看，在开门过程中，开门80 s以内高频段噪声谱级较静水背景值上升约20 dB，开门150 s（闸门开高1.1 m）时，噪声谱级较背景值上升约40 dB，开门220 s后噪声谱级较背景值上升50 dB，在其后的一段时间内噪声谱级随闸门开度增大缓慢升高。结合模型试验资料分析可知，开门过程中闸门下游的水流剪切区存在较明显的空化现象。开门215 s后噪声谱级变化不大，在闸门全开稳态时，空化噪声尚未消失，但有所减弱。

通气孔后管顶所设水听器（测点2）的测量结果表明：在闸门开高小于4 m時（开门瞬间除外），噪声谱级几乎与背景重合，表明管顶通气孔附近区域噪声量级极低（此区域掺气浓度很高）。在闸门开高大于4 m后，噪声谱级在整个分析频段有明显增大，表明有明显空化产生，且闸门全开时，空化强度仍未降低，此空化显然因通气孔（未封闭）分流引起。

排沙孔出口管顶（测点4）的噪声谱级表明，在闸门开高小于4 m（开门时间小于420 s）时其高频段与背景差别不到20 dB，在闸门开高大于4 m后，谱级明显增大，反映出类似通气孔后管顶部位（测点2）的空化特性。根据此处的流态特性和水下噪声特性分析可知，排沙孔通气管的分流是工作闸门接近和达到全开后仍存在强空化的原因，需适时关闭通气管阀门以阻止其分流。

2号排沙孔的水听器布置及水下噪声规律同1号排沙孔基本一致。

3 通气管阀门操作优化研究

3.1 通气管阀门操作优化

从原型观测成果可知，工作闸门后设置通气孔是降低启、闭门过程中空化现象的一项重要措施，但启、闭门过程中的空化现象难以完全避免。在工作闸门启闭过程中，闸门后水流剪切区存在明显空化现象，通气孔的设置在大部分启闭门过程中及门后一定范围内能起到减弱空化的作用，避免了更为剧烈的空化和声振发生。

然而，在排沙孔闸门运行到大开度区间时，由于水压力升高，通气管会出现分流的现象，并会产生局部空化。为了既满足消除启、闭门过程中门后水流掺气减蚀的需要，又避免闸门在大开度及全开运行条件下通气管分流引起的强空化现象，须适时启、闭通气管阀门。

排沙孔工作闸门和通气管阀门的适时联动要求较为严格，在工作闸门开启过程中，通气管阀门首先须全开，以保证工作闸门区的补气增压，防止强空化的产生，当工作闸门开启到一定位置后，随着闸门后水压的快速上升，通气管不再向闸门区补气，此时必须关闭通气管阀门，否则，排沙孔中的高速水流将从通气管中分流并产生强空化和声振；相反，在排沙孔工作闸门闭门过程中，也必须适时打开通气管阀门，否则，在闸门区亦会因负压过大而产生强空化和声振现象。

经过研究和现场调试，制定了合理的排沙孔工作閘门与通气管阀门适时配合操作原则，初步解决了排沙孔工作闸门区的空化空蚀问题及闸门启闭过程中的声振问题。排沙洞工作门后通气孔控制阀操作原则如下。

（1） 闸门开启过程，在排沙孔工作闸门由全关到完全开启的过程中，当开启至1/3行程时开始关闭通气阀，直至完全关闭。

（2） 闸门关闭过程，在排沙孔工作闸门由全开到完全关闭的过程中，当关闭至1/3行程时开始关闭通气阀，直至完全关闭，如图4所示。

2004年汛前进行复核试验，采用该优化操作流程，排沙孔启闭运行过程中，除局部区间有短时空化噪声和振动外，高速水流空化问题得到了极大改善，初步解决了排沙孔工作闸门区的空化空蚀问题及闸门启闭过程中的声振问题。

3.2 优化操作效果现场验证

研究人员在现场验证了排沙孔工作闸门与通气管阀门适时配合操作原则的实施效果。经验证，采用优化操作原则能避免工作闸门大开度和全开状态下的通气管分流问题。

从排沙孔工作闸门启闭机室和尾水平台出的空气噪声来看，当工作闸门接近和达到全开时，连续不断的爆裂声消失，代之以强度大大减弱且持续时间明显缩短的振动声。

从水流空化噪声检测结果来看，在工作闸门开启过程中，各部位均未发生明显空化现象。仅在工作闸门区，对应于闸门约2.7 m以上开高的噪声谱级具有一定强度的空化特征，在闸门全开稳态运行时，空化特征基本消失。

通气管在工作闸门接近全开后开始的过流状态及由此产生的空化是出现强烈声振的原因，适时启、闭通气管阀门是保持通气效果又避免分流产生空化的有效手段。

4 结 论

（1） 三峡大坝1号和2号排沙孔原型观测结果显示，工作闸门后通气管在闸门开高约3.8 m以下可正常补气，当闸门处于开高3.8 m以上位置时，通气管被水流充满而不能补气，并开始成为分流通道。

（2） 排沙孔工作闸门后通气管在大开度和全开状态下的分流会造成局部空化和声振的问题。

（3） 经研究制定了合理的排沙孔工作闸门与通气管阀门适时配合操作原则。经过现场验证，采用该优化操作原则，初步解决了排沙孔工作闸门区的局部空化问题及闸门启闭过程中的声振问题。

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（编辑：李 晗）

Study on prototype observation of Three Gorges Dam sediment outlets and operation optimization of ventilation valve

GENG Jun1，HU Han2，TONG Guangqin1，DING Yu1

（1.China Three Gorges Corporation，Yichang 443000，China； 2.Institute of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：The working gates of the sediment outlets of Three Gorges Dam work under high head conditions，and there was a pressure flow behind the gate.The hydraulic characteristics during the opening and closing of the gate were complex，and the problems such as water flow cavitation had been concerned by all parties.We introduced the hydraulic prototype observation results of the opening and closing of the working gate of Three Gorges Dam sediment outlet.The Three Gorges Dam was equipped with seven sediment outlets，two flushing outlets and a sand duct.The No.1 and No.2 sediment outlets of left powerhouse were taken as the monitoring objects，and the air velocity，air noise and underwater cavitation noise in the working gate area were mainly monitored.The observation results showed that when the gate was at a height of more than 3.8 m，the vent pipe was filled with water and cannot be replenished，and began to become a diversion channel.Moreover，the diversion of the vent pipe after the working gate of the sediment outlet in the large opening and fully open state would cause a local cavitation and acoustic vibration problems.A reasonable operation principle of timely cooperation between the working gate of the sediment outlet and the valve of the ventilation pipe was formulated.After field verification，the local cavitation problem in the working gate area of the sediment outlet and acoustic vibration in the opening and closing process of the gate were preliminarily solved by using the optimized operation principle.

Key words： sediment outlet； ventilation outlet； water flow cavitation； acoustic vibration； Three Gorges Dam

收稿日期：2023-10-13

基金項目：中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2023312/SL）;中国三峡集团有限公司资助（SXSN/4982）

作者简介：耿 峻，男，高级工程师，硕士，主要从事大坝安全监测工作。E-mail：genjun1@ctgpc.com.cn

通信作者：胡 晗，男，高级工程师，博士，主要从事高坝枢纽泄洪安全方面的工作。E-mail：huhan@mail.crsri.cn