游 湘，何月萍，王希成

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 进水口分层取水技术的研究背景

分层取水作为减免水库下泄低温水的措施，在国内研究不多，目前尚无工程实践。水库形成后，水库对水量的调蓄及水体对热量存储等条件的变化，将对库区及下游河段水温分布造成影响，从而对水生生物环境造成影响。鉴于水库下泄低温水对下游水环境与水生生物的不利影响，设计须调整优化取水建筑物的形式，保证取水口在不同工况下均能取到上层水，减轻下泄低温水的不利环境影响。

目前，分层取水建筑物型式主要有多层取水口、翻板门等形式。多层取水口布置方式的特点是将水道进水口沿竖向按取水高度分别设成几个进口，每个进口都能满足取水能力，水位较高时关闭下部进水口闸门，水位较低时开启下部进水口闸门(见图1)。该布置方式取水口层数越多结构越复杂，结构尺寸越大，适合于引用流量小、水库水深不大、取水口处场地较开阔的工程。翻板门式布置的特点是在常规进水口引水渠的前面设置一道翻板门式闸门，闸门随水位的升降自动升高或降低。该方式运行简单，但闸门的检修较为困难，水深较大时结构设计难度较大，目前仅在少数小型水利工程上有应用。另外，也有工程采用高低进水口布置型式实现分层取水，即某几台机组进水口设置为不同的底板高程，根据水库年运行方式开启不同底板高程的进水口。此型式对电站发电量影响较大，且给运行、调度带来一定的不便。

2 叠梁门分层取水技术

叠梁门这种闸门型式在国内外水利水电工程中均有大量的应用实例和成熟的经验。但利用叠梁门实现分层取水技术是2006年在雅砻江锦屏一级工程中的首次应用。分层取水结构是在取水塔内设置一节或多节可沿塔身的高度方向升降的叠梁门，每节叠梁门均通过液压自动抓梁与提升机构连接。用叠梁门挡住水库中下层低温水，通过对叠梁门的操作，使水库表层水通过叠梁门顶部孔口进入发电或灌溉的输水系统，根据水库运行水位变化，提起或放下相应节数的叠梁门，从而达到引用水库表层水、提高下泄水温的目的。为了便于叠梁门的升降控制，在取水塔的塔身上分别设有沿塔身的高度方向布置的叠梁门槽，叠梁门设置在叠梁门槽中。为适应不同坝高、库深、水温和水电站流量的需要，在叠梁门槽中沿塔身的高度方向层叠排列有多节叠梁门。为了防止水库中的漂浮物等进入后面的发电进水口而损坏发电设备，在进水口处设置有拦污栅，拦污栅的宽度和高度按过流流速不大于0.8～1.2m/s确定，叠梁门一般布置在拦污栅的后侧(见图1)。叠梁门分层取水结构从上游到下游依次为:从拦污栅1到叠梁门2之间的拦污栅及隔水叠梁门段、叠梁门2到检修闸门3之间的取水前池段、检修闸门3到快速事故闸门4之间的发电取水塔段。

叠梁门分层取水技术适用于水利水电工程的各种分层取水建筑物，降低了工程对场地的要求，尤其解决了高坝、深库、大流量、场地狭小的水电站的分层取水问题。该技术具有布置简单，运行灵活方便，可靠性较好且投资省、对枢纽布置影响小、对电站动能指标影响小等优点。

3 关键技术研究内容及方法

3.1 分层取水水温研究

3.1.1 下游鱼类情况及对水温要求的研究

目前，针对鱼类的水温适应性专门研究尚属空白，无法得到每一种鱼类确切的适宜水温范围。在研究中假定本江段天然水温的变化范围即鱼类的适宜水温范围，超过这个范围即认为鱼类将会受到不同程度的影响，即评价水温的依据采用天然河道历年水温变幅(以月平均水温为代表)。

3.1.2 水库下泄水温预测研究

水库下泄水温预测方法有数值模型模拟和物理模型试验两种。

由于物理模型的许多边界条件不相似性，通常采用立面二维水温数值模型模拟丰水年、平水年、枯水年单层进水口和叠梁门分层取水方案的库区水温结构和下泄水温过程，利用水动力学方程与温度方程耦合求解。并对多个叠梁门多层取水方案下泄水温进行预测、对比，分析分层取水效果。

在采用数值模型进行大型深水库水温预测前，由于水库巨大的计算区域和极大的纵深比给数值计算的稳定性、收敛性带来很大困难，因此需要利用已建类似水库实测资料对立面二维水温模型进行模型验证，并对水库水温模型预测结果进行对比验证。

3.2 分层取水进水口的水力特性研究

叠梁门分层取水结构取水水流条件较原单层进水口发生变化，水头损失较原单层进水口有所增加，取水前池段为水流过渡区，主要作用是使从水库取得的表层水在通过闸门后能平顺地进入发电进水口。该段结构尺寸主要根据水流状态确定，需要深入研究池内流态及机组负荷变化时的池内水位变动情况和动水压力，尤其是在机组负荷变化时池内的“调压室”效应。需通过引水系统水力学模型试验论证进水口的水力特性。模型按重力相似准则设计，模型范围包括进水塔、叠梁挡水闸门、快速事故闸门及门槽、引水压力钢管段及尾端快速启闭阀。

模型试验的主要研究内容有:(1)观测不同运行条件下进水塔内的水流流态，分析正常运行过程中进水塔的水力特性，提出每层叠梁门可能运行的最低水位;(2)在恒定水流和非恒定水流条件下，研究叠梁门、闸墩门槽段及邻近区域的时均压力、脉动压力;(3)针对进水口叠梁门分层取水方案的布置，测量不同运行条件下的进水口段的水头损失;(4)测量控制运行工况下进水塔内典型断面的水流速度;(5)研究下游快速事故闭门过程中，非恒定水流对挡水叠梁门的影响;(6)研究进水口检修闸门、快速事故闸门门槽段及邻近区域的水力特征，提供门槽段及邻近区域的压力分布、脉动压力及能谱等，分析判断发生空蚀的可能性。

3.3 分层取水进水口结构的安全性研究

叠梁门分层取水进水口拦污栅框架及塔体胸墙等钢筋混凝土结构尺寸和配筋设计需结合机组负荷变化时池内的“调压室”效应情况综合考虑后确定。通常根据水力特性研究中引水系统水力学模型试验测量的在恒定水流和非恒定水流条件下作用对叠梁门的冲击压力荷载情况，采用三维有限元分析方法计算塔体的应力和变形，评价其对结构安全的影响，尤其是对拦污栅框架的影响。

3.4 叠梁门及启闭设备研究

叠梁门通常主要在静水条件下启闭，作为检修闸门为下游流道的工作闸门创造检修条件，其特点是利用自动抓梁分节起吊，可减轻起吊设备的容量和高度，从而降低设备造价。在动水条件下启闭，还没有正常应用实例，但在非常情况下(如处理某些事故，临时采用叠梁门挡水)还是有一些实例。在水流流速较低时，叠梁门的操作也是可靠的。

启闭设备为设置在塔身(11)顶部的双向门式启闭机(10)(见图1(c))。双向门式启闭机由门架、主起升机构、上游回转吊起升机构、上游回转吊回转机构、大车运行机构、小车运行机构等部分组成，可以起吊电站进水口检修闸门、电站进水口事故闸门和液压启闭机、取水口工作拦污栅、取水口备用拦污栅、取水口分层取水叠梁门、坝面零星物品等，其中叠梁门采用回转起升机构通过液压自动抓梁起吊，起吊出坝面的叠梁门由门式启闭机的大车运行机构和回转机构移至门库内存放。

3.5 水温监测设计研究

鉴于水库建成后水温变化对环境的各种影响，因此需采取一系列的监测措施对水库及下游水温作出较准确的判断，为环保评估提供可靠数据并为工程运行积累宝贵经验。

监测项目通常包括上游库水温、坝前水温、坝面水温，以及电站进水口、尾水出口和泄洪洞进出口水温的多断面监测。

4 效益及推广前景

(1)经济效益明显:利用叠梁门实现分层取水与达到同样目的的其他分层取水方式相比，可大幅度降低工程量和工程投资。以锦屏一级水电站为例:多层取水叠梁门方案工程投资较单层取水口方案增加投资0.62亿元，多层取水叠梁门方案比常规的双层取水口方案节约投资约2.7亿元。

(2)社会效益显著:利用叠梁门实现分层取水是在工程中首次应用，该分层取水结构已于2008年获得国家知识产权局实用新型专利证书。该技术适用于水利水电工程的各种分层取水建筑物，降低了工程对场地的要求，尤其解决了高坝、深库、大流量、场地狭小的水电站的分层取水问题。该技术具有布置简单、运行灵活方便、可靠性较好且投资省、对枢纽布置影响小、对电站动能指标影响小等优点，近年来已在光照、溪洛渡、两河口、双江口、糯扎渡等大、中型水电站中推广使用。

［1］蒋红，卢红伟，游湘，等.雅砻江锦屏一级水电站水温特性及分层取水方案研究，水电2006国际研讨会，2006:878－885.

［2］章晋雄，张东，吴一红，等.锦屏一级水电站进水口叠梁闸门分层取水试验研究报告［R］.北京:中国水利水电科学研究院，2006.

［3］杨欣先，李彦硕主编.水电站进水口设计［M］.大连:大连理工大学出版社，1990.

［4］徐远杰，等.锦屏一级水电站厂房进水口分层取水设计专题报告附件三进水口三维有限元静动力分析报告［R］.武汉:武汉大学，2007.

［5］游湘，刘平禄，等.锦屏一级水电站厂房进水口分层取水设计专题报告［D］.成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2006.