黃國兵，楊 偉，侯冬梅，胡 晗，李會平，張陸陳，吳 雙

(1.長江科學院 水力學研究所，武漢 430010； 2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；3.南京水利科學研究院 水工水力學研究所，南京 210029)

1 研究背景

長江上中游已建或擬建的水利水電樞紐大多具有水頭高、泄量大、泄洪功率高、地形地質(zhì)條件復雜等特點，泄洪運行過程中泄洪消能防沖建筑物產(chǎn)生的沖刷[1]、失穩(wěn)[2]、蝕損[3-4]、振動[5]以及壩區(qū)周邊場地振動[6]、泄洪霧化[7-8]及低頻聲波[9]等安全問題十分突出，有必要進行系統(tǒng)深入研究。

通過調(diào)研國內(nèi)外30多個出現(xiàn)泄洪破壞的工程發(fā)現(xiàn)，破壞大多發(fā)生在運行初期[10-13]，例如俄羅斯的薩揚舒申斯克、巴基斯坦的塔貝拉，中國的五強溪、金安橋、安康等。其原因除了施工質(zhì)量問題和體型設計不合理外，跟實際泄洪運行條件及運行方式的改變、調(diào)控技術落后、泄洪致災機理不清或控制指標安全度低等關系密切。以往研究多是針對工程施工設計階段開展的，對工程建成后泄洪運行過程中出現(xiàn)的安全問題研究較少。為滿足樞紐長期安全運行的需求，結合國家重點研發(fā)計劃課題《樞紐泄洪運行安全實時調(diào)控技術》(2016YFC0401904)對樞紐調(diào)控與安全運行進行了系統(tǒng)研究[14-15]。

本文介紹該課題的主要研究成果，重點是針對水利樞紐泄洪運行中出現(xiàn)的安全問題，采用10多個典型工程(如錦屏、向家壩、金安橋等)原型觀測及調(diào)控、大比尺物理模型試驗復演(如三峽1∶20、向家壩1∶59、金安橋1∶50模型等)以及數(shù)值模擬預測等方法，研究泄洪運行各種調(diào)控工況下的水力響應特性，即通過揭示泄洪運行致災機理，明確泄洪閘門運行調(diào)控方式對樞紐運行安全的影響，進行閘門啟閉順序、開啟組合、開啟程度等實時精細調(diào)控，提出安全調(diào)度方式。在此基礎上，建立智能快速評估體系，集成泄洪安全監(jiān)測預警及實時調(diào)控系統(tǒng)，完善與改進樞紐運行方式，保障泄洪運行安全。

2 泄洪運行安全調(diào)控響應特性

泄洪運行安全調(diào)控響應特性涉及泄洪消能防沖建筑物在泄洪運行中出現(xiàn)的有害漩渦、摻氣水流噴濺、結構振動、底板失穩(wěn)、溢流面空蝕、壩下基巖沖刷以及壩區(qū)周邊場地振動、泄洪霧化、低頻聲波等問題的形成原因、破壞機理以及在各種調(diào)控工況下的響應特性。本文重點闡述了摻氣水流紊動噴濺和閘門振動的致災機理，通過泄洪閘門精細調(diào)控提出了改善水流紊動噴濺、消減進口漩渦、減小場地振動和減弱低頻聲波的安全調(diào)度方式。

2.1 泄洪運行致災機理

2.1.1 摻氣水流紊動噴濺

某工程深孔在高水位泄洪運行時摻氣水體發(fā)生了陣發(fā)性噴濺并引發(fā)了壩體振動[16]，復演試驗研究表明：摻氣挑坎紊動噴濺與運行水頭、壩前進流條件、摻氣空腔瞬變流特性等影響因子相關，尤其是在高水頭運行時，摻氣坎水舌挑距加大(最高水頭時接近泄槽反弧段起點)且與泄槽碰撞夾角加大，摻氣空腔回水上溯強烈且前后擺動幅度較大，摻氣水體及水翅大幅度抬升且周期性變化；而斜向進流會加劇摻氣底空腔回水前后擺動幅度，使泄槽水流紊動噴濺加劇。研究提出了在高水位運行時采用先表孔后深孔及不同表深孔組合的調(diào)度方式，可明顯改善深孔進流流態(tài)，使挑坎水舌抬升、底部空腔擺動、壁面壓力紊動等不安全隱患降低30%以上，保障了工程泄洪運行安全。

2.1.2 閘門“伴生振動”

某高拱壩中孔在閘門局部開啟運行時誘發(fā)了表孔閘門振動，即“伴生振動”現(xiàn)象，針對這一不良水力特性，通過原型觀測并結合壩體-閘門耦聯(lián)體系動力學模型計算分析表明，中孔閘門振動傳遞到表孔閘門的路徑是拱壩壩身結構，而表孔堰頂是拱壩壩體振動能量釋放的薄弱部位，振動在該處得到了一定程度的放大[17]，并且由于表孔閘門沒有頂部水封約束，振動比中孔閘門自身振動更加明顯。在表孔閘門完全關閉時，“伴生振動”值最大，振動強度隨表孔閘門開度增大而減小：閘門開度從0增加到25%時，閘門底緣與堰頂分開，伴生振動路徑被部分隔斷使“伴生振動”減小；閘門開度增加到75%時，閘門底緣基本脫離下泄水流，振動進一步減??；閘門開度繼續(xù)加大至敞泄時，由于荷載條件幾乎不變，故閘門振動量沒有變化。要避免薄高拱壩表孔閘門發(fā)生“伴生振動”，在調(diào)度時應避免中孔閘門局部開啟，或避開局部開啟振動較大的開度，以消除或降低“伴生振動”影響。

2.1.3 閘門“爬行振動”

高壩事故閘門在動水閉門過程發(fā)生爬行振動(簡稱“爬振”)而無法完全落門的問題時有發(fā)生，輕則不利于啟閉設備和閘門的長期安全運行，重則造成工程失事。某工程泄洪洞事故閘門在動水閉門過程中發(fā)生“爬振”使閘門無法順利關閉，研究發(fā)現(xiàn)當事故閘門運行至小開度(0.7 m)時，作用在閘門上的垂直向下的動水荷載偏小，閉門持住力接近為0，而閘門底緣水流脈動荷載較大，導致閘門出現(xiàn)時停、時走的“爬振”現(xiàn)象[5,18]。研究提出了綜合考慮運行工作參數(shù)、支承結構、閘門底緣型式等影響因素的減振抑振措施，可增加閘門小開度時的門頂水柱荷載、減小閘門底緣脈動荷載，實現(xiàn)事故閘門在高水頭作用下的平穩(wěn)關閉。

2.2 泄洪運行精細調(diào)控

2.2.1 消減進口漩渦

向家壩水電站表孔局部開啟(簡稱“局開”)運行時表孔閘首產(chǎn)生了有害漩渦并引發(fā)閘門振動，不利于閘門及相關結構安全。研究表明閘首漩渦主要與電站上游河道河勢、泄洪建筑物布置形成的斜向進流條件、表孔寬扁形閘墩體型以及表孔閘門控泄等因素相關[19]。在無法改變已建工程布置及體型的條件下，提出了消減漩渦改善流態(tài)的優(yōu)化泄洪調(diào)度方案，如優(yōu)先開啟左區(qū)表孔，或適當增大中孔閘門開度，同時減小表孔閘門開度，可減弱表孔閘首前的漩渦強度，表孔閘首未出現(xiàn)有害漩渦的泄洪流量可從4 600 m3/s以下提升至8 600 m3/s以下，同時結合采用消渦浮排、透水式弧形閘墩等工程措施，可進一步減弱甚至消除漩渦。

2.2.2 減小場地振動

向家壩水電站泄洪運行后在壩區(qū)及下游縣城居民區(qū)發(fā)生了一定程度的場地振動現(xiàn)象，振動影響范圍廣、持續(xù)時間長，危及建筑物的結構安全和人的身心健康。研究揭示了泄洪誘發(fā)場地振動的“運行方式-流態(tài)特征-激勵特性-振動響應”影響鏈，發(fā)現(xiàn)壩區(qū)及周邊場地振動與泄洪調(diào)度方式密切相關[20-21]，通過200多組次調(diào)度方式優(yōu)化試驗，提出了各級下泄流量條件下的減振優(yōu)化調(diào)度原則，即優(yōu)先開啟表孔，盡量雙池(左池和右池閘門同步對稱開啟)、多孔運行，相同泄量下宜采用380 m庫水位。通過對閘門的精細調(diào)控(圖1)[15,22]，現(xiàn)場觀測表明，實際泄量8 000～11 000 m3/s，較未采用安全調(diào)控方式時增大15%～55%，振動較同區(qū)域最大值平均減小了約30%以上，人群基本無振感，減振抑振效果顯著。

圖1 向家壩水電站不同工況下的場地振動加速度比值與消力池流量關系[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 減弱低頻聲波

低頻聲波會在一定區(qū)域內(nèi)引起房屋門窗振動及居民不良生理反應等問題，并且傳播時聲強大、衰減速度慢、影響范圍廣。研究發(fā)現(xiàn)某電站泄洪誘發(fā)的低頻聲波強度與泄洪流量、開孔數(shù)量以及開孔方式有一定的關系。當開孔方式相同時，隨著泄洪流量的增大，空氣中低頻聲波強度隨之增大；當泄洪流量相近時，開孔數(shù)量越多，泄洪水流更加均勻平順，有利于減小低頻聲波的強度；當開孔數(shù)量和泄洪流量確定時，對稱的開孔方式更有利于減小低頻聲波的強度；建議在泄洪流量一定時，啟用更多的泄洪孔，并盡可能采用對稱均泄的方式，可有效減小低頻聲波的影響。

3 泄洪安全智能快速評估方法

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)雖可實時預警，但需后期分析才能給出工程調(diào)度運行建議，時間滯后而且優(yōu)化目標單一。對比研究概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學、權重分析、專家判定等多種評估方法，研究提出了一種能快速診斷、識別樞紐泄洪消能設施(泄洪洞、消力池、水墊塘等)、近壩區(qū)其它建筑物運行狀態(tài)和優(yōu)化調(diào)度方式的智能評估方法。

3.1 監(jiān)測指標

選取能夠準確反映工程運行狀態(tài)，且對狀態(tài)變化比較敏感的控制指標，例如空化數(shù)、脈動壓強、上舉力、消能率、流速、水深等水動力學指標，振動位移、振幅、振動加速度等結構動力學指標，建立水流-結構耦合動態(tài)監(jiān)測指標體系，根據(jù)不同工程的預警指標閾值對樞紐運行中出現(xiàn)的底板失穩(wěn)、結構與場地振動、空蝕、霧化、低頻聲波等危害進行綜合評估。

消能防沖建筑物安全控制指標沒有統(tǒng)一的標準，本文重點將脈動壓強均方根作為底流和挑跌流消能工底板穩(wěn)定的控制指標[23]進行論述。研究發(fā)現(xiàn)消力塘底板最大脈動壓強均方根、最大單位上舉力均與單位水體消能率之間呈正相關關系，底板破壞概率隨這三者的增大而增大。建議消力塘脈動壓強均方根控制在50 kPa以內(nèi)(約5 m水頭)、單位水體消能率控制在25 kW/m3以內(nèi)，水電站消能防護結構不易發(fā)生泄流消能破壞。對于護坡不護底消能結構，其水墊塘單位消能率控制在14 kW/m3以下是安全的。

3.2 總體框架

該智能快速評估方法的總體框架見圖2，總體思路如下：

圖2 泄洪安全智能快速評估方法總體框架Fig.2 General framework of intelligent and fastevaluation method for flood discharge safety

(1)通過原型觀測，輔助物理模型試驗、數(shù)值模擬及BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測獲得滿足安全評估控制指標的泄洪運行工況原始數(shù)據(jù)庫。

(2)對當前調(diào)度方案下的流速、脈動壓力、結構振動、場地振動、低頻聲波、泄洪霧化等多種監(jiān)測項目同步實時監(jiān)測。

(3)根據(jù)當前工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對選定的監(jiān)測指標參數(shù)進行計算求解，并對選定的所有監(jiān)測指標進行安全判定。

(4)監(jiān)測指標在安全閾值內(nèi)給出“正常狀態(tài)”的評估結論并更新數(shù)據(jù)庫；當超過安全閾值則顯示“異常狀態(tài)”，進而根據(jù)來流條件從數(shù)據(jù)庫里搜索能降低超閾值指標的優(yōu)化調(diào)控方案。

3.3 工程應用

本研究提出的泄洪安全智能評估方法，通過多種傳感器匯接、組網(wǎng)對多種監(jiān)測項目進行同步實時監(jiān)測,結合信號可用性檢測、濾波降噪等方法分析監(jiān)測指標與安全閾值的差異，實現(xiàn)了多種監(jiān)測指標的協(xié)同快速分析，可對工程運行安全進行多維度綜合評判。

以采用高低跌坎式消力池消能的向家壩水電站為例，其工程布置見圖3。綜合考慮泄洪運行中的安全問題以及其他影響因素，結合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、樞紐調(diào)度信息、氣象條件等相關基礎資料，構建了向家壩泄洪安全智能快速評估模型。該模型主要對消力池、導隔墻和周邊場地進行安全評估，重點監(jiān)測評估的指標有消力池底板振動位移均方根、消力池底板脈動壓強均方根、導墻振動位移均方根、場地晝間振動加速度均方根和低頻聲波聲壓級等。

圖3 向家壩水電站樞紐布置Fig.3 Layout of Xiangjiaba Hydropower Station

4 泄洪安全監(jiān)測及實時調(diào)控系統(tǒng)

考慮多種監(jiān)測指標的協(xié)同影響，結合泄洪安全智能快速評估方法，構建適用于不同消能型式工程、可對泄洪運行操作智能評估并推薦優(yōu)化調(diào)度方式的泄洪安全監(jiān)測與實時調(diào)控系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)架構

泄洪安全監(jiān)測與實時調(diào)控系統(tǒng)總體架構設計見圖4，可劃分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、服務層、業(yè)務應用層和用戶層5個層級。

圖4 泄洪安全監(jiān)測與實時調(diào)控系統(tǒng)總體架構Fig.4 General architecture of flood discharge safetymonitoring and real-time operation system

(1)數(shù)據(jù)采集層：為樞紐泄洪安全監(jiān)測現(xiàn)場前置監(jiān)測采集設施，主要包括安全監(jiān)測儀器設備以及水文氣象、閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)控和其他采集設備。

(2)數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎，主要為整個系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，為業(yè)務應用提供數(shù)據(jù)，包括儲存整個系統(tǒng)基礎信息的系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫、存儲安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、存儲文檔資料、視頻語音資料等的非結構化數(shù)據(jù)庫。

(3)服務層：主要包括數(shù)據(jù)采集服務以及數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)分析計算、系統(tǒng)集成和各類功能調(diào)用服務。

(4)業(yè)務應用層：由儀器管理、數(shù)據(jù)管理、閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)控以及其他業(yè)務應用組成，并且預留接口滿足后期擴充需求，也可以根據(jù)用戶實際需求進行系統(tǒng)業(yè)務功能定制開發(fā)。

(5)用戶層：系統(tǒng)用戶主要是樞紐的管理部門、設計單位、開發(fā)單位以及其他用戶。

4.2 業(yè)務應用層簡介

業(yè)務應用層是系統(tǒng)的核心部分，簡要介紹包含的儀器管理、數(shù)據(jù)管理、閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)控、安全調(diào)控等業(yè)務應用模塊：

(1)儀器管理模塊主要是對水電站安裝的脈動壓力傳感器、流速傳感器、振動傳感器、雨量計、強震儀等各類儀器信息、布置圖、埋設位置等信息的管理。

(2)數(shù)據(jù)管理是對脈動壓力、流速、振動、低頻聲波、霧化降雨等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理，用戶可根據(jù)儀器編號等查詢數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息以過程線圖和數(shù)據(jù)表的形式展示。

(3)閘門監(jiān)控可顯示上游水位、泄洪流量、電站出力等運行信息以及各閘門開度情況，并根據(jù)閘門調(diào)控指令對閘門啟閉、開度進行調(diào)控。

(4)視頻監(jiān)控通過接入現(xiàn)場各工程部位視頻設備，對工程關鍵部位進行視頻信息展示。

(5)安全調(diào)控模塊分為關鍵參數(shù)獲取、智能快速評估和閘門實時調(diào)控3個部分，其中關鍵參數(shù)獲取模塊和閘門實時調(diào)控模塊見圖5。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到泄洪安全智能快速評估模型中，對運行狀態(tài)進行評價和預警，提出優(yōu)化調(diào)度方案，將閘門參數(shù)輸入到閘門實時調(diào)控模塊對當前調(diào)度方案進行調(diào)整，實現(xiàn)調(diào)度運行方案的快速多目標優(yōu)化。

圖5 安全調(diào)控模塊Fig.5 Security operation module

5 結 語

本文系統(tǒng)闡述了樞紐泄洪運行安全實時調(diào)控技術研究的主要成果，包括泄洪建筑物產(chǎn)生進口漏斗漩渦、摻氣水流紊動噴濺等不良水流流態(tài)的關鍵影響因素及調(diào)控響應特性；消減不良水流流態(tài)出現(xiàn)頻次或減弱其強度的優(yōu)化調(diào)控措施；高水頭水工閘門“伴生”和“爬行”振動響應機理及減弱或消除振動的調(diào)度方式；跌坎底流消能誘發(fā)場地振動及低頻聲波的主要影響因素及減輕場地振動危害和減弱低頻聲波強度的精細調(diào)控技術?；谝陨涎芯砍晒?，建立了水流-結構耦合動態(tài)監(jiān)測指標體系，提出了泄洪安全智能快速評估方法，集成了樞紐泄洪安全監(jiān)測預警及實時調(diào)控系統(tǒng)，對泄洪消能防護、空蝕、結構和場地振動、霧化等安全調(diào)控響應特性進行實時監(jiān)測、預報、評估和優(yōu)化調(diào)度，實時解決樞紐運行安全問題。