水利枢纽工程的运行管理与维护策略

摘要：对于大型水利枢纽长期运行过程中所出现的复杂的流道特点及机电耦合特点，在其优化运行调度和技术维护方面有较大意义。根据枢纽工程处在不同的汛限水位时过流情况，研究金属结构应力及机组振动频率之间的关系，以便建立以准确的物理检测结果和工况信息为基础的控制系统。主要工作内容为泄洪设施防腐磨损、启闭机润滑检查、水位计零点调整等。采用标准预防性检查方法可以提高枢纽建筑物在遭受大洪水等不利工况时的稳定性，保证水库调度时水流平顺以及能量转换率，对类似枢纽工程的安全可靠运行起着良好的借鉴作用。

关键词：水利枢纽；运行控制；设备检修；水力特性

水利工程精细化管理，是适应经济社会和水利现代化的必要需求，水利工程精细化、现代化管理的理念与方法对水利现代化具有极大的推进作用。而枢纽内部存在众多过流建筑物、精密设备及测量仪器等，一旦发生轻微磨损或者水力振动都会引起一系列连锁反应最终造成枢纽效率降低。经过长时间水流侵蚀以及金属疲劳现象发生以后，如何利用精确参数调节以及物理手段进行修复代替传统经验式保养成为当前水利行业一大难题。当前工程实际应用中更多采用高频率的物理参数检测来判断枢纽的工作情况并据此提出合理的运行调度方案以及机械部件的更换周期等以使枢纽工程在复杂的水文中工作在较好状态。

一、水利枢纽运行工况的动态调控与水位衔接

枢纽工程日常运行主要是通过对各级闸门启闭程度进行控制达到对不同河段水流进行合理分配目的，在运行中要满足上、下游水位基本一致要求，在运行过程中操作人员要依据实际观测水位差情况，每次开启或关闭闸门高度不能大于0.15m到0.30m以防短时间内大量水流冲刷造成近坝区空蚀发生。若下游水位变动速率高于每小时0.5m，则需要开启消能设备配合工作，改变消力池进水量使其处于稳定远驱水跃状态^[1]。另外，为了满足季节性调沙要求，在一定水位条件下枢纽底层泄沙孔开启，出口流速大于或等于12m/s以保证泥沙受到较大剪切力而顺利排出而不致产生局部淤积，在水位连接中应注意上下游的压力传感器数值一致，当两端压差变化小于等于2KPa时才可以进行大规模负荷转换以免对大坝造成过大负担而影响整个枢纽的安全稳定运行。

二、枢纽金属结构与机电设备的预防性维护方案

（一）闸门启闭设备的润滑系统与应力检测

启闭机的工作性能很大程度上取决于液压系统的压力稳定性和传动部分的润滑情况，在长时间停运之后应对液压油粘度以及其中所含杂质进行检查。当液压系统的工作压力为25MPa时，活塞杆的位移不得超过2mm以免造成不均匀受力而使侧向导轨过度磨损。而对于闸门支承铰座之类的高应力部位应定期利用超声波无损探伤法检查其钢材料内部微小裂纹的发展情况保证主梁的屈服强度满足设计要求。另外对于一直处于水中环境中的滑块、止水等部件要根据它们之间的摩擦系数变化适时地对其施加一定的预紧力避免由于渗水造成闸后背水区水流扰动。

（二）泄洪消能设施的磨蚀监测与表层修复

泄洪隧洞、消力池表面由于长时间受高速含砂水流冲刷而容易发生剥蚀、坑洼等问题，这将对过流能力造成不良影响，在流速大于35m/s的泄洪断面上应采取掺气减蚀措施，在侧墙上设置一定形状、大小挑流坎使水体掺气形成掺气层以减少空蚀损坏^[2]；在检修期间应利用三维激光扫描仪对过流面平整情况进行检查，若局部剥蚀深度大于10mm时，则需要用高强度环氧砂浆对其表面进行精细打磨使之平滑，使其表面粗糙度小于0.1mm；对于消力池底部排水孔处也应定期清除其内部杂物以免扬压力过大造成底板滑移。通过对不同季节冲磨数据进行比较研究，可以对混凝土表面衰减做出合理预测从而调整修补材料配比及施工时间等.

（三）机组振动频率的实时监测与动平衡校正

而在枢纽内部水轮发电机组工作期间由于水力不平衡以及电磁干扰的影响，其轴系振动幅值是评估其工作情况的一个重要参数，在一般情况下，机组上机架的径向振动位移不应大于0.05mm，如果发现振动频率与机组固有频率相同，则应迅速改变导叶开度避免进入这一不利区域；另外还可以在轴承盖处布置一个高精度的加速度计来捕捉主轴转动时所发出的谐波信号并据此判断出转子动平衡的偏角，在机组转速为150r/min时，如果轴承温度上升速度大于每小时5℃，则应该检查冷却水循环系统中的水量是否足够，严重时可对油水热交换器进行反洗。对磨损较为严重的止推瓦要进行研刮或者直接更换，使接触面积大于等于85%。

三、枢纽水文监测系统与辅助设施的精准运行

（一）流量测算精度的校验与感应元件调校

水文监测数据可靠性是枢纽科学调度基础，在流速分布不均匀情况下，应该使用多声道超声波测流方法求出不同层次流速矢量后取其加权平均值，使总流量误差不超过3%，对于位于水库中的浮子式水位计要经常观察其管道内有无杂物堵塞现象并以当地的海拔高程为基准点每月对其零点进行一次校正。在强降水期间要加大水文传感器观测频率，一般情况下是每15分钟一次，但是要改为每5分钟一次，以便及时掌握洪水波变化情况。通过比较水文特征值历史数据，能够判断感应膜片是否已经发生机械疲劳或者电路漂移等故障问题而及时更换损坏高精度元器件。

（二）备用供电系统的响应参数设置与周期测试

枢纽工程的闸门启闭以及监控系统的电力需求是非常高的，在停电的情况下备用柴油发电机组需要时刻处于准备状态，在进行停电试验中，发电机组从启动到带满负荷应在15s以内完成，以保证一旦失去外接电源后重要负载可以立即投入工作^[3]。同时对蓄电池组的内阻及端电压也要定期检测，以免由于电池老化造成在必要时刻电压过低而不能使继电器动作。相关配套设施也应监视它们的工作油温，当绕组温度达到85℃以上时应自动投运强冷。如表一所示就是枢纽的主要辅助设备在不同状态下所应达到的要求。

表1：枢纽辅助发电设备运行响应参数表

（三）枢纽建筑物沉降位移的观测与基准点闭合

大坝、厂房以及溢洪道等永久性建筑物的空间位置稳定性是判断枢纽结构好坏的重要标准，需要建立严密的变形监测系统。在坝顶和廊道上布设倒垂线和静力水准仪，可及时获取坝体受水压影响而产生的径向位移以及垂直方向下沉情况，位移变化速度应在每年一个毫米以内。对于人工精密水准测量，在基准点的选择上要尽可能选在离坝址较远的地方坚实岩石上，而且每测一次都要构成闭合图形，使得在测量过程中产生的误差小于0.1毫米。由于外界气温的变化造成建筑物伸缩缝开口程度的变化，要用测缝计测得其差值从而消除温差的影响得到真正意义上的建筑变形。若出现非线性位移增大的情况，则要增加观测次数并且对地基承载力进行复核。

四、结语

综上所述，水利枢纽工程运行控制及设备检修工作是一项非常复杂的工作。对过流建筑物水位进行合理衔接，在此基础上做好金属结构以及机电组群预防性检查，可以有效避免水力冲刷、机械疲劳造成的影响。而在实施过程中，以数据为基础进行水文监测校准及建筑物位移观测，也是给枢纽建立了一道严密健康的防护网。而对于辅助设施参数调整以及渗流水力分析，则是加强了枢纽基础以及主体的安全性。未来的道路就是进一步加强对于物理参数的研究以及维护方法上的改进，在不断的运转过程中提高对水文变化的认识和对枢纽建筑物使用寿命延长，使大型水利枢纽在复杂的河流环境中始终保持高效稳定的工作状态。

参考文献：

[1]程麒安,曹春阳. 引滦枢纽工程安全运行管理水平提升初探[J].海河水利,2024,(S1):22-25.

[2]蔡勇. 数字孪生峡江水利枢纽工程建设探索实践[J].水利发展研究,2024,24(09):38-43.

[3]罗琳,李冲,李香云,等. 小浪底水利枢纽工程运行管理的经验和启示[J].水利发展研究,2021,21(11):96-99.