三峽大壩排沙孔原型觀測及通氣管閥門操作優(yōu)化研究

耿峻　胡晗　童廣勤　丁宇

摘要：三峽大壩排沙孔工作門在高水頭條件下啟閉，且閘門后為有壓流，閘門啟閉過程中的水力特性復(fù)雜，水流空化等問題一直受到各方關(guān)注。研究介紹了三峽大壩排沙孔工作閘門啟閉的水力學(xué)原型觀測成果，三峽大壩設(shè)有7個排沙孔、2個沖沙孔和1個排沙洞，以左廠1號、2號排沙孔為監(jiān)測對象，重點(diǎn)監(jiān)測了通氣孔風(fēng)速、空氣噪聲、工作閘門區(qū)水下空化噪聲。觀測結(jié)果顯示：當(dāng)閘門處于開高3.8 m以上位置時，通氣管被水流充滿而不能補(bǔ)氣，并開始成為分流通道，而且排沙孔工作閘門后通氣管在大開度和全開狀態(tài)下的分流會造成局部空化和聲振的問題。經(jīng)研究制定了合理的排沙孔工作閘門與通氣管閥門適時配合操作原則。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，采用該優(yōu)化操作原則，初步解決了排沙孔工作閘門區(qū)的局部空化問題及閘門啟閉過程中的聲振問題。

關(guān)鍵詞：排沙孔； 通氣管； 水流空化； 聲振； 三峽大壩

中圖法分類號：TV663 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.017

文章編號：1006-0081（2024）04-0106-05

0 引 言

三峽大壩泄水建筑物具有下泄流量大、泄洪落差大、孔口數(shù)量多、運(yùn)行水頭高、庫水位變幅大等特點(diǎn)，其泄洪運(yùn)行備受關(guān)注［1-3］。在多次三峽水力學(xué)原型觀測中，重點(diǎn)考察了表孔、深孔、排沙孔和排漂孔水流流態(tài)、動水壓強(qiáng)、水流流速、水流空化噪聲、通氣風(fēng)速、水流摻氣濃度、壩下沖刷等問題［4-6］。三峽大壩自2003年建庫蓄水以來，泄洪消能建筑物經(jīng)歷了多場大洪水考驗(yàn)，各泄水建筑物運(yùn)行調(diào)度正常［7-8］。

由于上游來沙量較大，為保證水庫的有效庫容和水質(zhì)，減少泥沙對電站設(shè)備和船閘的磨損，改善下游河道的沖淤平衡和生態(tài)環(huán)境，三峽大壩設(shè)有7個排沙孔、2個沖沙孔和1個排沙洞［9］。

鑒于排沙孔工作門在高水頭條件下啟閉，且閘門后為有壓流，閘門啟閉過程中的水力特性復(fù)雜，水流空化等問題一直受到各方關(guān)注。長江科學(xué)院于2003年7月對三峽大壩排沙孔進(jìn)行了水力學(xué)監(jiān)測。根據(jù)左廠排沙孔布置特點(diǎn)，選擇左廠1號、2號排沙孔為監(jiān)測對象，重點(diǎn)監(jiān)測了排沙孔工作門啟閉過程中的水流特性。

1 三峽排沙孔布置及體型

1.1 排沙孔總體布置情況

三峽大壩的7個排沙孔分別為左非18號壩段的1號排沙孔、左安Ⅲ壩段的2號和3號排沙孔、右廠排壩段的4號排沙孔、右安Ⅲ壩段的5號和6號排沙孔、右廠26號壩段的7號排沙孔［9］。

三峽大壩的7個排沙孔中，1號、7號排沙孔進(jìn)口底高程為90.0 m，出口底板高程為60.5 m；2～6號排沙孔進(jìn)口底高程為75.0 m，出口底板高程為57.5 m；排沙孔進(jìn)口尺寸5.0 m×7.0 m（寬×高），出口尺寸2.8 m×4.0 m（寬×高），排沙孔圓管段直徑為5.0 m，采用鋼襯結(jié)構(gòu)。

排沙孔在壩軸線下游4.3 m處設(shè)1道擋水事故平板閘門，閘門槽直通壩頂，閘門啟閉由壩頂門機(jī)（與廠房壩段共用門機(jī)）操作。

1號排沙孔和8號排沙洞出口段布置在靠近邊坡的壩段，其余排沙孔均布置在電站中部。排沙孔最高運(yùn)行庫水位為150.0 m，出口采用淹沒出流，下游水深較大，水墊較厚，未采取特別的消能防沖措施。左岸電站1號排沙孔及地下電站8號排沙洞因靠近邊坡，為確保護(hù)坡及進(jìn)廠公路安全，1號排沙孔出口段向右偏轉(zhuǎn)10°，8號排沙洞出口段向左偏轉(zhuǎn)15°。

1.2 排沙孔總體布置情況

三峽大壩左右岸電廠壩段的7個排沙孔承擔(dān)著廠前排沙泄洪任務(wù)，根據(jù)三峽電站排沙運(yùn)用條件，若工作閘門布置在上游進(jìn)口段，閘門在開啟（或關(guān)閉）過程中，洞內(nèi)將出現(xiàn)明滿流交替、洞內(nèi)封閉水躍及高速水流等問題［10］，故將工作閘門布置在排沙洞的出口段。具體布置方案：左岸1號排沙孔進(jìn)口段為“龍?zhí)ь^”型，其排沙洞水平投影長度190.4 m，進(jìn)口底高程90.0 m；洞身下游水平圓管段（D＝5.0 m，底高程60.5 m）之后為24.05 m長的閘門控制段，包括12.0 m長的圓變方段、3.8 m長的門槽段以及8.25 m 長的門后收縮段。為避免1號排沙水流頂沖左岸邊坡，將1號排沙孔門后收縮段在平面上向河心方向右偏轉(zhuǎn)10°。2～7號排沙孔的進(jìn)口體型與1號排沙孔相同，也為“龍?zhí)ь^”型，其排沙洞水平投影長度190.4 m，進(jìn)口底高程75.0 m；洞身下游水平圓管段（D＝5.0 m，底高程57.5 m）之后為24.2 m長的閘門控制段，包括12.0 m長的圓變方段、3.8 m長的門槽段以及8.4 m長的門后收縮段；2～7號排沙孔門后收縮段在平面上為直線布置。

各排沙孔工作閘門均為垂直升降的平板閘門，閘門啟閉過程中具有運(yùn)行水頭高（70～90 m）、門區(qū)流速大（最大流速達(dá)38 m／s）、水流挾沙等特點(diǎn)。在工作閘門全開運(yùn)用工況下，工作門槽前后均為有壓流；在閘門開啟或關(guān)閉過程中，閘門有10多分鐘的時間處于局部開啟狀態(tài)，閘門后流態(tài)隨閘門開度變化及門后孔頂通氣效果等而呈現(xiàn)淹沒漩滾流、具有自由水面的管內(nèi)封閉水躍、滿管流等。門槽區(qū)的水力特性非常復(fù)雜，空化空蝕問題及閘門振動問題尤為突出。

在工程設(shè)計階段通過水力學(xué)試驗(yàn)研究，得出在閘門全開運(yùn)行條件下，工作閘門區(qū)的管道流速小于19 m/s，門槽區(qū)水流空化數(shù)為1.78～2.22，大于該型門槽初生空化數(shù)，空化安全系數(shù)大于3.0，門槽區(qū)不會出現(xiàn)空蝕問題［10］。但是，在工作閘門啟閉過程中，門后底部高速射流和表層旋滾流剪切作用強(qiáng)烈，閘門區(qū)最大負(fù)壓接近真空值，門區(qū)水流脈動均方根最大值為5.9×9.81 kPa，工作閘門振動強(qiáng)烈，會危及閘門結(jié)構(gòu)安全，尤以閘門在相對開度n=0.4～0.6時為甚，因此門后必須設(shè)置通氣管［10］。為了避免閘門區(qū)發(fā)生空蝕與聲振，在1號、2號排沙底孔工作閘門后的管頂均布置了兩根直徑為0.7 m的通氣管，其作用是在工作閘門啟閉過程中向門后負(fù)壓區(qū)補(bǔ)氣。以1號排沙孔為例，展示了排沙孔工作閘門和門后通氣管布置情況。

在工作閘門完全開啟后通氣管可能會充滿水產(chǎn)生分流，因此需要設(shè)置閥門予以避免［11］。排沙孔通氣管閥門在實(shí)際應(yīng)用中的開合需要和工作閘門的啟閉密切配合協(xié)調(diào)才能保證排沙孔既不會在工作閘門啟閉過程中產(chǎn)生空化空蝕問題，也不會充滿水產(chǎn)生分流。排沙孔通氣管閥門的具體操作策略需要通過原型試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

2 三峽大壩排沙孔原型觀測成果

2.1 觀測內(nèi)容及工況

如前文所述，在三峽大壩排沙孔原型觀測中重點(diǎn)關(guān)注了工作閘門在啟閉過程中，其門后有壓管段底部淹沒射流引起的剪切流空化特性及門后通氣管的通氣效果，這是水力學(xué)原型觀測的主要內(nèi)容，為此重點(diǎn)測量和分析了通氣孔風(fēng)速、閘門啟閉機(jī)室和排沙孔通氣管進(jìn)氣口附近空氣噪聲、工作閘門區(qū)水下噪聲。

2003年7月分別對左岸電廠1號、2號排沙孔進(jìn)行了水力學(xué)監(jiān)測，排沙孔運(yùn)行監(jiān)測時段的庫水位為135.00 m，下游水位為69.40 m。原型觀測期間重點(diǎn)關(guān)注了排沙孔通氣管閥門啟閉過程中的通氣孔風(fēng)速、空氣噪聲和水流空化噪聲?？栈肼暅y點(diǎn)布置包括了工作門下游側(cè)墻（測點(diǎn)1）、通氣孔后管頂（測點(diǎn)2）、門后側(cè)墻（測點(diǎn)3）和排沙孔出口管頂（測點(diǎn)4）等部位，如圖1所示。

2.2 通氣孔風(fēng)速原型觀測成果

1號排沙孔在作閘門開啟過程中，通氣管在閘門開高約3.8 m以下可正常補(bǔ)氣，當(dāng)閘門處于開高3.8 m以上位置時，通氣管被水流充滿而不能補(bǔ)氣，并開始成為分流通道；在閘門開高1.5～3.3 m范圍，通氣管風(fēng)速超過40 m/s，最大風(fēng)速值達(dá)48 m/s。

2號排沙孔工作閘門開啟過程中，通氣管在閘門開高4 m以下可正常補(bǔ)氣；在閘門開高1.6～3.2 m 范圍，通氣管風(fēng)速超過30 m/s，通氣管最大風(fēng)速為41 m/s；當(dāng)閘門在開高4 m以上時，隨著閘門后空腔消失，通氣管被水流充滿并向外排水。

排沙孔工作閘門開啟過程中的通氣孔風(fēng)速與閘門開度關(guān)系見圖2。

通氣孔風(fēng)速原型觀測結(jié)果顯示：在工作閘門開啟過程中，通氣管內(nèi)首先出現(xiàn)水面下降，進(jìn)而形成吸氣現(xiàn)象；隨著閘門開度增大，閘門后空腔逐步增大并大量摻氣，當(dāng)閘門開至一定程度后，隨著閘門進(jìn)一步開啟，閘門后空腔又逐步縮小直至在排沙底孔閘門區(qū)形成完全壓力流，此時，通氣管停止進(jìn)氣，若不及時關(guān)閉閥門，會成為分流通道。在工作閘門閉門過程中，通氣管工作過程與啟門時相反。

2.3 空氣噪聲原型觀測成果

排沙孔工作閘門在啟閉過程中由于排沙孔通氣管的分流，還會產(chǎn)生環(huán)境噪聲。原型觀測重點(diǎn)關(guān)注了排沙孔工作閘門啟閉機(jī)室和排沙孔通氣管進(jìn)氣口附近（尾水平臺）的環(huán)境噪聲。

啟閉機(jī)房和尾水平臺的背景總聲級分別為82 dB 和71 dB。在排沙孔通氣管保持開啟狀態(tài)的情況下，排沙孔總聲級在閘門開高4.6 m以上均明顯增大，直到排沙孔工作閘門全開，啟閉機(jī)房和尾水平臺的環(huán)境噪聲維持在100 dB和90 dB左右。啟閉機(jī)房最大聲級達(dá)110 dB，尾水平臺最大聲級達(dá)95 dB。在較大噪聲階段，啟閉機(jī)房內(nèi)可聞較強(qiáng)烈的爆裂聲，噪聲主要從通氣管內(nèi)傳出。此現(xiàn)象稱之為聲振。經(jīng)分析，通氣管在工作閘門接近全開后開始的過流狀態(tài)及由此產(chǎn)生的強(qiáng)空化是出現(xiàn)強(qiáng)烈聲振的原因。

2.4 水流空化噪聲原型觀測成果

通過水下噪聲測量和分析可監(jiān)測空化的初生和發(fā)展，分析空化特性并確定空化產(chǎn)生的部位［12-14］。水流空化噪聲具有高頻特性，工程上常用水流空化產(chǎn)生的寬頻帶隨機(jī)性噪聲信號作為空化發(fā)展不同階段的判據(jù)，因此運(yùn)用空化噪聲探測技術(shù)研究水流空化問題是一種有效的技術(shù)手段。

對1號排沙孔進(jìn)行試驗(yàn)觀測，工作閘門在完整的啟、閉操作后，通氣管閥門一直處于全開狀態(tài)。1號排沙孔開門過程中各測點(diǎn)的水下噪聲譜級圖如圖3所示。

從工作門下游側(cè)墻所設(shè)水聽器（測點(diǎn)1）的測量結(jié)果看，在開門過程中，開門80 s以內(nèi)高頻段噪聲譜級較靜水背景值上升約20 dB，開門150 s（閘門開高1.1 m）時，噪聲譜級較背景值上升約40 dB，開門220 s后噪聲譜級較背景值上升50 dB，在其后的一段時間內(nèi)噪聲譜級隨閘門開度增大緩慢升高。結(jié)合模型試驗(yàn)資料分析可知，開門過程中閘門下游的水流剪切區(qū)存在較明顯的空化現(xiàn)象。開門215 s后噪聲譜級變化不大，在閘門全開穩(wěn)態(tài)時，空化噪聲尚未消失，但有所減弱。

通氣孔后管頂所設(shè)水聽器（測點(diǎn)2）的測量結(jié)果表明：在閘門開高小于4 m時（開門瞬間除外），噪聲譜級幾乎與背景重合，表明管頂通氣孔附近區(qū)域噪聲量級極低（此區(qū)域摻氣濃度很高）。在閘門開高大于4 m后，噪聲譜級在整個分析頻段有明顯增大，表明有明顯空化產(chǎn)生，且閘門全開時，空化強(qiáng)度仍未降低，此空化顯然因通氣孔（未封閉）分流引起。

排沙孔出口管頂（測點(diǎn)4）的噪聲譜級表明，在閘門開高小于4 m（開門時間小于420 s）時其高頻段與背景差別不到20 dB，在閘門開高大于4 m后，譜級明顯增大，反映出類似通氣孔后管頂部位（測點(diǎn)2）的空化特性。根據(jù)此處的流態(tài)特性和水下噪聲特性分析可知，排沙孔通氣管的分流是工作閘門接近和達(dá)到全開后仍存在強(qiáng)空化的原因，需適時關(guān)閉通氣管閥門以阻止其分流。

2號排沙孔的水聽器布置及水下噪聲規(guī)律同1號排沙孔基本一致。

3 通氣管閥門操作優(yōu)化研究

3.1 通氣管閥門操作優(yōu)化

從原型觀測成果可知，工作閘門后設(shè)置通氣孔是降低啟、閉門過程中空化現(xiàn)象的一項(xiàng)重要措施，但啟、閉門過程中的空化現(xiàn)象難以完全避免。在工作閘門啟閉過程中，閘門后水流剪切區(qū)存在明顯空化現(xiàn)象，通氣孔的設(shè)置在大部分啟閉門過程中及門后一定范圍內(nèi)能起到減弱空化的作用，避免了更為劇烈的空化和聲振發(fā)生。

然而，在排沙孔閘門運(yùn)行到大開度區(qū)間時，由于水壓力升高，通氣管會出現(xiàn)分流的現(xiàn)象，并會產(chǎn)生局部空化。為了既滿足消除啟、閉門過程中門后水流摻氣減蝕的需要，又避免閘門在大開度及全開運(yùn)行條件下通氣管分流引起的強(qiáng)空化現(xiàn)象，須適時啟、閉通氣管閥門。

排沙孔工作閘門和通氣管閥門的適時聯(lián)動要求較為嚴(yán)格，在工作閘門開啟過程中，通氣管閥門首先須全開，以保證工作閘門區(qū)的補(bǔ)氣增壓，防止強(qiáng)空化的產(chǎn)生，當(dāng)工作閘門開啟到一定位置后，隨著閘門后水壓的快速上升，通氣管不再向閘門區(qū)補(bǔ)氣，此時必須關(guān)閉通氣管閥門，否則，排沙孔中的高速水流將從通氣管中分流并產(chǎn)生強(qiáng)空化和聲振；相反，在排沙孔工作閘門閉門過程中，也必須適時打開通氣管閥門，否則，在閘門區(qū)亦會因負(fù)壓過大而產(chǎn)生強(qiáng)空化和聲振現(xiàn)象。

經(jīng)過研究和現(xiàn)場調(diào)試，制定了合理的排沙孔工作閘門與通氣管閥門適時配合操作原則，初步解決了排沙孔工作閘門區(qū)的空化空蝕問題及閘門啟閉過程中的聲振問題。排沙洞工作門后通氣孔控制閥操作原則如下。

（1） 閘門開啟過程，在排沙孔工作閘門由全關(guān)到完全開啟的過程中，當(dāng)開啟至1/3行程時開始關(guān)閉通氣閥，直至完全關(guān)閉。

（2） 閘門關(guān)閉過程，在排沙孔工作閘門由全開到完全關(guān)閉的過程中，當(dāng)關(guān)閉至1/3行程時開始關(guān)閉通氣閥，直至完全關(guān)閉，如圖4所示。

2004年汛前進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)，采用該優(yōu)化操作流程，排沙孔啟閉運(yùn)行過程中，除局部區(qū)間有短時空化噪聲和振動外，高速水流空化問題得到了極大改善，初步解決了排沙孔工作閘門區(qū)的空化空蝕問題及閘門啟閉過程中的聲振問題。

3.2 優(yōu)化操作效果現(xiàn)場驗(yàn)證

研究人員在現(xiàn)場驗(yàn)證了排沙孔工作閘門與通氣管閥門適時配合操作原則的實(shí)施效果。經(jīng)驗(yàn)證，采用優(yōu)化操作原則能避免工作閘門大開度和全開狀態(tài)下的通氣管分流問題。

從排沙孔工作閘門啟閉機(jī)室和尾水平臺出的空氣噪聲來看，當(dāng)工作閘門接近和達(dá)到全開時，連續(xù)不斷的爆裂聲消失，代之以強(qiáng)度大大減弱且持續(xù)時間明顯縮短的振動聲。

從水流空化噪聲檢測結(jié)果來看，在工作閘門開啟過程中，各部位均未發(fā)生明顯空化現(xiàn)象。僅在工作閘門區(qū)，對應(yīng)于閘門約2.7 m以上開高的噪聲譜級具有一定強(qiáng)度的空化特征，在閘門全開穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，空化特征基本消失。

通氣管在工作閘門接近全開后開始的過流狀態(tài)及由此產(chǎn)生的空化是出現(xiàn)強(qiáng)烈聲振的原因，適時啟、閉通氣管閥門是保持通氣效果又避免分流產(chǎn)生空化的有效手段。

4 結(jié) 論

（1） 三峽大壩1號和2號排沙孔原型觀測結(jié)果顯示，工作閘門后通氣管在閘門開高約3.8 m以下可正常補(bǔ)氣，當(dāng)閘門處于開高3.8 m以上位置時，通氣管被水流充滿而不能補(bǔ)氣，并開始成為分流通道。

（2） 排沙孔工作閘門后通氣管在大開度和全開狀態(tài)下的分流會造成局部空化和聲振的問題。

（3） 經(jīng)研究制定了合理的排沙孔工作閘門與通氣管閥門適時配合操作原則。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，采用該優(yōu)化操作原則，初步解決了排沙孔工作閘門區(qū)的局部空化問題及閘門啟閉過程中的聲振問題。

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（編輯：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(xiàng)目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CKSF2023312/SL）;中國三峽集團(tuán)有限公司資助（SXSN/4982）

作者簡介：耿 峻，男，高級工程師，碩士，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。E-mail：genjun1@ctgpc.com.cn

通信作者：胡 晗，男，高級工程師，博士，主要從事高壩樞紐泄洪安全方面的工作。E-mail：huhan@mail.crsri.cn