游 湘，何月萍，王希成

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 進(jìn)水口分層取水技術(shù)的研究背景

分層取水作為減免水庫(kù)下泄低溫水的措施，在國(guó)內(nèi)研究不多，目前尚無工程實(shí)踐。水庫(kù)形成后，水庫(kù)對(duì)水量的調(diào)蓄及水體對(duì)熱量存儲(chǔ)等條件的變化，將對(duì)庫(kù)區(qū)及下游河段水溫分布造成影響，從而對(duì)水生生物環(huán)境造成影響。鑒于水庫(kù)下泄低溫水對(duì)下游水環(huán)境與水生生物的不利影響，設(shè)計(jì)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(diǎn)是將水道進(jìn)水口沿豎向按取水高度分別設(shè)成幾個(gè)進(jìn)口，每個(gè)進(jìn)口都能滿足取水能力，水位較高時(shí)關(guān)閉下部進(jìn)水口閘門，水位較低時(shí)開啟下部進(jìn)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(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸越大，適合于引用流量小、水庫(kù)水深不大、取水口處場(chǎng)地較開闊的工程。翻板門式布置的特點(diǎn)是在常規(guī)進(jìn)水口引水渠的前面設(shè)置一道翻板門式閘門，閘門隨水位的升降自動(dòng)升高或降低。該方式運(yùn)行簡(jiǎn)單，但閘門的檢修較為困難，水深較大時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，目前僅在少數(shù)小型水利工程上有應(yīng)用。另外，也有工程采用高低進(jìn)水口布置型式實(shí)現(xiàn)分層取水，即某幾臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口設(shè)置為不同的底板高程，根據(jù)水庫(kù)年運(yùn)行方式開啟不同底板高程的進(jìn)水口。此型式對(duì)電站發(fā)電量影響較大，且給運(yùn)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(guó)內(nèi)外水利水電工程中均有大量的應(yīng)用實(shí)例和成熟的經(jīng)驗(yàn)。但利用疊梁門實(shí)現(xiàn)分層取水技術(shù)是2006年在雅礱江錦屏一級(jí)工程中的首次應(yīng)用。分層取水結(jié)構(gòu)是在取水塔內(nèi)設(shè)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(dòng)抓梁與提升機(jī)構(gòu)連接。用疊梁門擋住水庫(kù)中下層低溫水，通過對(duì)疊梁門的操作，使水庫(kù)表層水通過疊梁門頂部孔口進(jìn)入發(fā)電或灌溉的輸水系統(tǒng)，根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行水位變化，提起或放下相應(yīng)節(jié)數(shù)的疊梁門，從而達(dá)到引用水庫(kù)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(shè)有沿塔身的高度方向布置的疊梁門槽，疊梁門設(shè)置在疊梁門槽中。為適應(yīng)不同壩高、庫(kù)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(kù)中的漂浮物等進(jìn)入后面的發(fā)電進(jìn)水口而損壞發(fā)電設(shè)備，在進(jìn)水口處設(shè)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(duì)場(chǎng)地的要求，尤其解決了高壩、深庫(kù)、大流量、場(chǎng)地狹小的水電站的分層取水問題。該技術(shù)具有布置簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈活方便，可靠性較好且投資省、對(duì)樞紐布置影響小、對(duì)電站動(dòng)能指標(biāo)影響小等優(yōu)點(diǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?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(duì)水溫要求的研究

目前，針對(duì)魚類的水溫適應(yīng)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(gè)范圍即認(rèn)為魚類將會(huì)受到不同程度的影響，即評(píng)價(jià)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(kù)下泄水溫預(yù)測(cè)研究

水庫(kù)下泄水溫預(yù)測(cè)方法有數(shù)值模型模擬和物理模型試驗(yàn)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?cái)?shù)值模型模擬豐水年、平水年、枯水年單層進(jìn)水口和疊梁門分層取水方案的庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫過程，利用水動(dòng)力學(xué)方程與溫度方程耦合求解。并對(duì)多個(gè)疊梁門多層取水方案下泄水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)、對(duì)比，分析分層取水效果。

在采用數(shù)值模型進(jìn)行大型深水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)前，由于水庫(kù)巨大的計(jì)算區(qū)域和極大的縱深比給數(shù)值計(jì)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(kù)實(shí)測(cè)資料對(duì)立面二維水溫模型進(jìn)行模型驗(yàn)證，并對(duì)水庫(kù)水溫模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

3.2 分層取水進(jìn)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(jìn)水口發(fā)生變化，水頭損失較原單層進(jìn)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(kù)取得的表層水在通過閘門后能平順地進(jìn)入發(fā)電進(jìn)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(jī)組負(fù)荷變化時(shí)的池內(nèi)水位變動(dòng)情況和動(dòng)水壓力，尤其是在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)池內(nèi)的“調(diào)壓室”效應(yīng)。需通過引水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)論證進(jìn)水口的水力特性。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型范圍包括進(jìn)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(yàn)的主要研究?jī)?nèi)容有:(1)觀測(cè)不同運(yùn)行條件下進(jìn)水塔內(nèi)的水流流態(tài)，分析正常運(yùn)行過程中進(jìn)水塔的水力特性，提出每層疊梁門可能運(yùn)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(shí)均壓力、脈動(dòng)壓力;(3)針對(duì)進(jìn)水口疊梁門分層取水方案的布置，測(cè)量不同運(yùn)行條件下的進(jìn)水口段的水頭損失;(4)測(cè)量控制運(yùn)行工況下進(jìn)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(duì)擋水疊梁門的影響;(6)研究進(jìn)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(dòng)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(jìn)水口結(jié)構(gòu)的安全性研究

疊梁門分層取水進(jìn)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(shè)計(jì)需結(jié)合機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)池內(nèi)的“調(diào)壓室”效應(yīng)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(xué)模型試驗(yàn)測(cè)量的在恒定水流和非恒定水流條件下作用對(duì)疊梁門的沖擊壓力荷載情況，采用三維有限元分析方法計(jì)算塔體的應(yīng)力和變形，評(píng)價(jià)其對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響，尤其是對(duì)攔污柵框架的影響。

3.4 疊梁門及啟閉設(shè)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(diǎn)是利用自動(dòng)抓梁分節(jié)起吊，可減輕起吊設(shè)備的容量和高度，從而降低設(shè)備造價(jià)。在動(dòng)水條件下啟閉，還沒有正常應(yīng)用實(shí)例，但在非常情況下(如處理某些事故，臨時(shí)采用疊梁門擋水)還是有一些實(shí)例。在水流流速較低時(shí)，疊梁門的操作也是可靠的。

啟閉設(shè)備為設(shè)置在塔身(11)頂部的雙向門式啟閉機(jī)(10)(見圖1(c))。雙向門式啟閉機(jī)由門架、主起升機(jī)構(gòu)、上游回轉(zhuǎn)吊起升機(jī)構(gòu)、上游回轉(zhuǎn)吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等部分組成，可以起吊電站進(jìn)水口檢修閘門、電站進(jìn)水口事故閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、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(jī)構(gòu)通過液壓自動(dòng)抓梁起吊，起吊出壩面的疊梁門由門式啟閉機(jī)的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)移至門庫(kù)內(nèi)存放。

3.5 水溫監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)研究

鑒于水庫(kù)建成后水溫變化對(duì)環(huán)境的各種影響，因此需采取一系列的監(jiān)測(cè)措施對(duì)水庫(kù)及下游水溫作出較準(zhǔn)確的判斷，為環(huán)保評(píng)估提供可靠數(shù)據(jù)并為工程運(yùn)行積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目通常包括上游庫(kù)水溫、壩前水溫、壩面水溫，以及電站進(jìn)水口、尾水出口和泄洪洞進(jìn)出口水溫的多斷面監(jiān)測(cè)。

4 效益及推廣前景

(1)經(jīng)濟(jì)效益明顯:利用疊梁門實(shí)現(xiàn)分層取水與達(dá)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(jí)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(huì)效益顯著:利用疊梁門實(shí)現(xiàn)分層取水是在工程中首次應(yīng)用，該分層取水結(jié)構(gòu)已于2008年獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局實(shí)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(duì)場(chǎng)地的要求，尤其解決了高壩、深庫(kù)、大流量、場(chǎng)地狹小的水電站的分層取水問題。該技術(shù)具有布置簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活方便、可靠性較好且投資省、對(duì)樞紐布置影響小、對(duì)電站動(dòng)能指標(biāo)影響小等優(yōu)點(diǎn)，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(jí)水電站水溫特性及分層取水方案研究，水電2006國(guó)際研討會(huì)，2006:878－885.

［2］章晉雄，張東，吳一紅，等.錦屏一級(jí)水電站進(jìn)水口疊梁閘門分層取水試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2006.

［3］楊欣先，李彥碩主編.水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1990.

［4］徐遠(yuǎn)杰，等.錦屏一級(jí)水電站廠房進(jìn)水口分層取水設(shè)計(jì)專題報(bào)告附件三進(jìn)水口三維有限元靜動(dòng)力分析報(bào)告［R］.武漢:武漢大學(xué)，2007.

［5］游湘，劉平祿，等.錦屏一級(jí)水電站廠房進(jìn)水口分層取水設(shè)計(jì)專題報(bào)告［D］.成都:中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.