高坝工程 深层放空系统 研究
成
果
报
告
小组名称：超深层放空 QC 小组 注册编号：
2015-06
课题类型：
创新型
二零一六年十二月
材 材 料 目 录
1.2017 年全国优秀质量管理小组申报表 2.QC 小组成果报告 3.QC 小组注册登记表
4.QC 小组成果申报表 5.QC 小组活动成果认证报告表 6.QC 小组活动统计表 7.QC 小组活动记录 8.中国电力规划设计协评审结果公布文件 9.贵阳院发表评审结果公布文件
资料 1：
资料 2: 高坝工程 深层放空系统 研究
成 果 报 告
小组名称：超深层放空 QC 小组 注册编号：
2015-06
课题类型：
创新型
中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 二零一六年十二月
高坝工程深层放空系统研究成果资料 I
目 目
录 一、QC 小组信息 ........................................................................................................ 1
二、选择课题 ............................................................................................................... 3
（一）问题的提出................................................................................................ 3
（二）课题筛选.................................................................................................... 5
（三）课题查新.................................................................................................... 6
（四）确定课题.................................................................................................... 8
三、目标设定 ............................................................................................................... 8
（一）目标值设定................................................................................................ 8
（二）目标值设定依据........................................................................................ 8
（三）目标可行性分析........................................................................................ 8
四、提出方案并确定最佳方案 ................................................................................. 10
（一）制定初步方案.......................................................................................... 10
（二）方案分析选择.......................................................................................... 12
（三）方案的分解及选择.................................................................................. 15
（四）确定最佳方案.......................................................................................... 22
五、制定对策 ............................................................................................................. 23
六、对策实施 ............................................................................................................. 27
七、效果检查 ............................................................................................................. 38
（一）目标检查.................................................................................................. 38
（二）效益分析.................................................................................................. 40
八、标准化 ................................................................................................................. 43
九、总结及下一步打算 ............................................................................................. 47
（一）总结.......................................................................................................... 47
（二）下一步打算.............................................................................................. 49
【名词解释】
............................................................................................................. 50
高坝工程深层放空系统研究成果资料 1
一、C QC 小组信息
单位名称：中国电建贵阳勘测设计研究院有限公司 小组名称：超深层放空 QC 小组 成立日期：2015 年 6 月 10 日 注册时间：2015 年 6 月 10 日 注册编号：2015-06 活动时间：2015 年 6 月 10 日~2016 年 12 月 31 日 课题名称：
高坝工程 深层放空系统 研究 课题类型：
创新型 表 表 1-1
QC 小组人员构成及分工 序号
姓名
性别
文化程度
职
称
行政职务
组内分工
1 1
杜帅群
女 本科 工程师 / 组长：课题选择、制定计划、设定目标、制定对策、总结 2 2
李晓彬
男 硕士 教授级高级工程师 总工 副组长：技术把关、参与活动、协调工作、总结 3 3
郑雪玉
女 硕士 助理工程师 / 组员：设定目标、提出最佳方案并确定最佳方案、对策实施及效果检查、对成果进行标准化
4 4
鲍伟
男 硕士 助理工程师 / 5 5
杨鹏
男 本科 高级工程师 室主任 6 6
孙卫
男 硕士 工程师 / 7 7
李浩田
男 硕士 助理工程师 / 组员：制定对策、对策实施及效果检查 8 8
申显柱
男 本科 高级工程师 室副主任 9 9
骆世威
男 硕士 助理工程师 / 制表人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2015-6-11
高坝工程深层放空系统研究成果资料 2
表 表 1-2
QC 小组活动进程表
制表人：鲍伟
校核人：李晓彬
时间
2016-12-20
图 图 1 1- -1 1 小 组成员工作 投入 时间 分配 柱状 图
制图人：鲍伟
校核人：李晓彬
时间
2016-12-20
小组 实际与 计划相符， 计划合理！
高坝工程深层放空系统研究成果资料 3
图 图 1 1- -2 2 小组 活动理念 图
制图人：鲍伟
校核人：李晓彬
时间
2016-12-20 二、 选择课题
（一）问题的提出 高土石坝工程为我国经济社会发展带来巨大能源效益，工程放空技术是其安全、稳定运行的重要保障。目前高坝工程通过溢洪道、泄洪洞、放空洞 只能放空到 到 105m m 水深，剩余库容水量巨大，受材料强度 及 金属结构制 造 工艺 影响 ， 难以实现 深层放空 ；加之国内很多水电站放空洞，使用过程中闸门无法打开，导致放空设施失效，这些使得整个工程存在巨大的潜在风险。国内部分高土石坝工程放空设施统计见表 2-1。小组活动理念
高坝工程深层放空系统研究成果资料 4
表 表 2-1
国内部分高 土石 坝工程放空特性表
制表人：杜帅群
校核人：杨鹏
时间
2015-6-16
图 图 2 2- -1 1 高坝放空 深度统计柱状 图
制图人：杜帅群
校核人：杨鹏
时间
2015-6-16 由以上分析可知，高坝工程急需开展更深层放空技术的研究。该技术需要在现有材料及金属结构技术水平下，实现深层放空，并确保放空设施全生命周期的使用能力，从而提高大坝安全性和抗风险能力。因此小组从实际工程设计出发，决定应用 PDCA 循环理念，研究解决高坝工程的深层放空问题。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 5
（二）课题筛选 小组分析讨论得出，深层放空必须同时满足材料属性、高水压差、大泄量条件。通过头脑风暴法，提出了同时满足以上条件的三个深层放空方案初步设想，并将其归纳为亲和图，如下所示：
图 图 2 2- -2 2 课题 选择亲和图
制图人：杜帅群
校核人：李晓彬
时间
2015-6-23
小组对课题进行了调研分析，结果如下：
表 表 2-2
课题 调研结果表
注 ：
反向水推力原理详见 名词解释
制表人：杜帅群
校核人：李晓彬
时间
2015-6-23
高坝工程深层放空系统研究成果资料 6
图 图 2 2- -3 3 专家及小组讨论 图
综上，课题 3 利用反向水推力原理从根本上解决了放空深度制约放空泄量的矛盾，可以满足各类工程放空深度及泄量的要求，设计原理简单，对枢纽建筑物布局影响不大，投资相对较少。因此小组决定将利用反向水推力原理的放空系统方案作为研究方向。
（三）课题查新 确定课题方向后，小组展开研究、产品、文献查新。如表 2-3 所示：
表 表 2-3
查新 情况表 查新 项目
利用反向水推力的分级挡水深层放空系统 查新 人
杜帅群 查新 机构
中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 查新 时间
2015.6.23 查新目的：项目查重 一 、 查新 范围：
中国专利数据库（见图 2-3）
中国期刊全文数据库（见图 2-4）
百度搜索（见图 2-5）
二 、 查新 点与查新要求：
查新点：深层放空、反向水推力放空、分级挡水、超深层挡水放空 查新要求：在 1987-2015 年时间段内对以上内容进行关键字检索、相关检索、模糊检索 三 、查新结论：
：
（ 详见 截图）
1、以上数据库里未查到类似专利； 2、百度搜索里发现“三峡分级船闸”，应用途径与本项目不符； 经查新，国内未见反向水推力分级放空系统相关设计文献、产品或报道。
制表人：杜帅群
校核人：杨鹏
时间
2015-6-23
高坝工程深层放空系统研究成果资料 7
小组在以上数据库（1987-2015）及百度网络进行检索，确定检索词为:深层放空/反向水推力放空/分级挡水/超深层挡水放空，结果未查到相关内容。如图2-4 图 2-6 所示：
图 图 2 2- -4 4 中国 专利 数据库 检索 结果
图 图 2 2- -5 5 中国 期刊全文 数据库 检索 结果 图 图 2 2- -6 6 百度搜索检索 结果
高坝工程深层放空系统研究成果资料 8
（四）确定课题 最终，小组确定本次活动课题：
高坝工程 深层放空 系统研究
三 、目标设定
（一）目标值设定 量化目标：
研究 出 枯期放空 深度 达到 m 170m 的高坝工程深层放空系统 。
图 图 3 3- -1 1 目标值设定 图
制图人：郑雪玉
校核人：李晓彬
时间
2015-7-15 （二）目标值设定依据 目前大多高坝工程放空洞闸门挡水水头一般控制在 105m 左右，放空深度有限，对高坝工程还有很深库水无法放空，剩余库容大，若发生地震等地质灾害将会引起溃坝，带来巨大经济损失。
综合考虑高坝工程事故破坏范围、检修条件、剩余水体安全等方面，通过测算，需要提高 60%的放空深度才能满足大坝安全运行及检修要求。
故量化目标：105+105 ×60%=168 ＜170，设定放空深度 170m 为目标值。
（三）目标可行性分析 小组从技术能力、人员能力和设备材料三方面进行目标可行性分析：
1 1 、 技术 能力 分析：
高坝工程深层放空系统研究成果资料 9
反向水推力放空原理是在各级闸门后充水提供反向水压力，使各级闸门承受的水推力在常规设计范围内，通过充排水辅助设施，维持各级水位高程。该原理从根本上解决了放空深度小、泄量小的难题，并且实现了任意深度、大泄量放空的目的，因此量化目标的设定在实际应用技术上是可行的。
图 图 3 3- -2 2 反向水推力 原理示意图
制图人：杜帅群
校核人：李晓彬
时间
2015-6-23 小组成员根据自身工作经验，通过对新原理、新专业的学习，掌握了高坝工程深层放空系统研究需要具备的技术经验储备，并可依托某水电站开展具体工程设计研究。因此，目标在技术上是可行的。
综上，目标具备技术可行性。
2 2 、 人员能力分析：
小组依托中国电建贵阳院及其堆石坝研究中心、贵州省工会专家劳模工作室等专业研究试验中心，开展多专业综合研究。研究方法包括理论研究、试验研究、数值模拟、模型验证等。同时以院内多专业“高精尖”技术人才的合作团队为支撑。小组成员整体工作素质高，具有 6 名硕士，3 名学士，1 名教授级高工，2名高工，多次参与放空系统相关设计施工，具有丰富的工程经验。小组成员拥有多个公开专利，具备创新研究能力，同时掌握水力学数值模拟、结构有限元计算、三维制图软件等使用技巧。因此目标具备人员能力可行性。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 10
图 图 3 3- -3 3 小组成员人才 分配比例图
制图人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2015-7-15
图 图 3 3- -4 4 小组成员 调研图
3 3 、 设备材料分析：
反向水推力原理合理避免结构承受高水头，故高坝工程深层放空系统的金属结构强度、水封、启闭设备均在工程常用范围内，因此目标具备设备材料可行性。
通过以上分析，我们相信：
四 、提出方案并确定最佳方 案
（一）制定初步方案 小组对高坝工程深层放空系统进行分析，基于反向水推力原理的放空系统方案初步示意图见图 4-1。
小组目标能够 实现！
！
高坝工程深层放空系统研究成果资料 11
图 图 4 4- -1 1 放空系统 方案初步示意图
制图人：孙卫
校核人：杜帅群
时间
2015-8-14
由图可知，∆ H 即为水压差，根据放空深度要求可设置多层结构来满足需求，其中∆ H 数值选定与闸门孔口尺寸有直接关系。小组经过讨论，首先考虑不同水压差的系统结构特性。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 12
（二）方案分析选择 方案一分析如下：
表 表 4-1
方案一分析 表
制表人：孙卫
校核人：杨鹏
时间
2015-8-16
方案一：∆H=80m，孔口尺寸 7m×9m 方案目标：
1、最低放空深度 170m；2、能够任意时段快速放空；3、放空效果均衡，结构利用率高。
结构设计：
第一层放空洞挡 173m 水头；第二层放空洞挡 253m 水头。弧形闸门启门水头 93m。
结构图：
效果分析：
序号 项目 试验效果 枯期 汛期 放空深度 （m）
历时 （天）
放空深度 （m）
历时 （天）
1 方案一 183 5 157 20 2 常规 102 7 80 27 3 差值 （方案一-常规）
81 2 77 7
从数据中发现，方案一枯期、汛期放空深度相差 26m，小组分析其原因为孔口尺寸较小，导致系统在没有开启第二层放空洞的时候已经与汛期流量达到出入平衡，水位无法继续下降。
方案分析：
优点 ：
1、最低放空深度 183m，大于 170m； 2、汛期能快速放空，放空深度达到 157m。
缺点 ：
1、放空深度在汛期、枯期相差较大，第二层放空洞在汛期放空中没有充分利用； 2、事故闸门需采用异形止水，增加闸门结构尺寸。
结论：
放空深度达到目标，但结构利用率不高。
不选择
高坝工程深层放空系统研究成果资料 13
小组接着考虑，∆H=60m，孔口尺寸 7×11，方案二分析如下：
表 表 4-2
方案二分析 表
方案二：∆H=60m，孔口尺寸 7m×11m 方案目标：
1、最低放空深度大于 170m；2、能够任意时段快速放空；3、放空效果均衡，结构利用率高。
结构设计：
第一层放空洞挡 150m 水头，第二层放空洞挡 173m 水头。弧形闸门启门水头 53m。
结构图：
效果分析：
序号 项目 试验效果 枯期 汛期 放空深度 （m）
历时 （天）
放空深度 （m）
历时 （天）
1 方案二 166 5 137 15 2 常规 102 7 80 27 3 差值 （方案一 -常规）
64 2 57 7 从数据中发现，方案二枯期、汛期放空深度相差 29m，小组分析其原因为孔口尺寸较小，导致系统在没有开启第二层放空洞的时候已经与汛期流量达到出入平衡，水位无法继续下降。
方案分析：
优点 ：
1、汛期放空深度137m，能快速放空。
2、事故闸门无需采用异形止水，无需增加闸门结构尺寸 缺点 ：
1、最低放空深度 166m，未达到目标要求； 2、第二层放空洞在汛期放空中没有充分利用。
结论：
放空深度未达到目标，结构利用率也不高。
不选择
制表人：孙卫
校核人：杨鹏
时间
2015-8-23
高坝工程深层放空系统研究成果资料 14
于是小组考虑∆H=45m，孔口尺寸 7×13， 表 表 4-3
方案 三 分析表 方案三：∆H=45m，孔口尺寸 7m×13m 方案目标：
1、最低放空深度大于 170m；2、能够任意时段快速放空；3、放空效果均衡，结构利用率高。
结构设计：
第一层放空洞挡 105m 水头；第二层放空洞挡 150m 水头，第三层放空洞挡 195m 水头。弧形闸门启门水头 60m。
结构图：
效果分析：
序号 项目 试验效果 枯期 汛期 放空深度 （m）
历时 （天）
放空深度 （m）
历时 （天）
1 方案三 179 5 100 11 2 常规 102 7 80 27 3 差值 （方案一 -常规）
77 2 20 16 从数据中发现，方案三枯期、汛期放空深度相差 79m，小组分析其原因为孔口尺寸限制，导致系统在没有开启第三层放空洞的时候已经与汛期流量达到出入平衡，水位无法继续下降。
方案分析：
优点 ：
1、最低放空深度 195m，远远大于 170m； 2、汛期能快速放空，放空深度达到 100m。
3、放空深度在汛期、枯期衔接较好，第二层放空洞在汛期放空中也得到充分利用。
4、事故闸门无需采用异形止水，无需增加闸门结构尺寸 缺点：系统操作复杂
结论：
放空深度达到目标，结构利用率高。
选择 制表人：孙卫
校核人：杜帅群
时间
2015-9-11
高坝工程深层放空系统研究成果资料 15
表 表 4-4
三 三 方案 对比分析表 表
制表人：孙卫
校核人：杜帅群
时间
2015-9-11
（三）方案的分解及选择 1 1 、 方案 Ⅰ级 分解
在选定初步方案后，小组成员将深层放空系统按照组成进行Ⅰ级分解，小组认为深层放空系统应具备反向水推力挡水系统、放水系统、平压充排水系统、自动化监控系统四部分，如下图所示：
图 图 4 4- -2 2 方案 Ⅰ级 分解 图
制图人：郑雪玉
校核人：李晓彬
时间
2015-9-13
高坝工程深层放空系统研究成果资料 16
（1）反向水推力挡水系统
图 图 4 4- -3 3 反向水推力 原理示意图
制图人：杜帅群
校核人：李晓彬
时间
2015-6-23 其中 P2 即为提供的反向水推力，P1-P2 之差为闸门承受的水推力总和，差值越小，闸门承受的水推力越小。反向水推力是保证金属闸门承受压力在现有制造水平范围内的关键因素。
（2）放水系统 水库储水，当有放空需求时，就需要放水，此时放水系统用来控制放水量及放水时间等。
（3）平压充排水系统 为满足系统在挡水、检修等工况时的水压稳定，需设置一套平压系统对门槽内水体进行调节。
（4）自动化监控系统 系统运行稳定，操控精准度高，根据国家《自动化操作规程》，需要实现自动化手段来远程操作并监控系统运行过程中出现的问题。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 17
图 图 4 4- -4 4 常用自动化系统 示意图
2 2 、方案Ⅱ级 分解
小组通过讨论分析，根据深层放空系统特点，得出各个分系统的主要组成结构，如下图所示：
图 图 4 4- -5 5 方案 Ⅱ 级 分解 图
制图人：鲍伟
校核人：杜帅群
时间
2015-9-14 （1）小组经过调查分析及讨论得出反向水推力挡水系统主要应由多级平板检修闸门及其启闭设备组成，根据水头进行分级，各级闸门挡水水头∆H 保持一
高坝工程深层放空系统研究成果资料 18
致。主要设计见下图所示：
图 图 4 4- -6 6 各级闸门 分级 挡水 示意 图
制图人：鲍伟
校核人：杜帅群
时间
2015-9-14 本设计中各级闸门平均分担了系统总水头，使得闸门承受的水压差在金属结构所能承受的范围内。
（2）小组经过调查分析及讨论得出放水系统主要由放水闸门及其启闭设备组成，放水闸门控制放水量和放水速度，启闭设备为放水闸门提供动力。
（3）小组经过研究分析，依据设计经验得出平压充排水系统主要应由充排水系统和备用补水系统组成，充排水系统在闸门运行中根据平压要求为闸门井充水排水，备用补水系统保证在充排水系统故障的情况下及时为闸门井补水。
（4）小组经过调查分析及讨论得出自动化监控系统主要由控制系统和监测系统组成，控制系统达到自动化能够大大解放人力，提高系统操作运行效率；监测系统自动化能使运行中的问题及时发现，达到高效、准确监测的目的。
3 3 、方案Ⅲ级 选择
方案经过Ⅱ级分解以后，就需要对各个分支进行选择。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 19
图 图 4 4- -7 7 方案Ⅲ级 选择 图
制图人：杨鹏
校核人：李晓彬 时间
2015-9-23 （1）多级平板闸门及放水闸门选择 多级平板闸门和放水闸门可选择平板闸门和弧形闸门，小组经过讨论，分析如下。
图 图 4 4- -8 8 闸门 选择 分解 图
制图人：杨鹏
校核人：李晓彬
时间
2015-9-23
高坝工程深层放空系统研究成果资料 20
表 表 4-5
闸门分析 选择表
制表人：杨鹏
校核人：李晓彬 时间
2015-9-23 最终选定多级挡水闸门、事故闸门为平板门，放水闸门为弧形闸门。
（2）平板闸门和弧形闸门启闭设备选择 小组查阅相关论文文献及生产厂家资料后发现，启闭机型式有很多种，根据闸门型式、尺寸、孔口数量及运行条件等因素，对满足课题需求的 3 种启闭机型式进行分析和选择。
图 图 4 4- -9 9 启闭设备 选择 分解 图
制图人：杨鹏 校核人：申显柱
时间
2019-9-25
高坝工程深层放空系统研究成果资料 21
表 表 4-6
启 启 闭设备分析 选择表
制表人：杨鹏
校核人：申显柱
时间
2015-9-25 通过对比分析，最终选择多级挡水闸门启闭机为固定卷扬机，弧形闸门启闭机为液压启闭机。
（3）充排水系统与备用补水系统设计与选择 要保证水压平衡，必须使闸门在运行工况或者故障工况下正常漏水时进行充水、排水。同时备用补水系统，充分保证充排水系统故障时水压差。
图 图 4 4- -0 10 平压充水系统 选择 分解 图
制图人：杨鹏
校核人：杜帅群
时间
2015-10-8 小组针对充排水系统设计了几种不同的方式，仅针对以下两种完备方式进行对比选择。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 22
表 表 4-7
充排水系统 设计 选择表
制表人：杨鹏
校核人：杜帅群
时间
2015-10-8 （4）为提高综合自动化水平，提高设备运行的安全可靠性，减轻运行维护工作量，同时方便值班人员及远方调度了解现场实时情况，小组经过讨论，考虑设置一套深层放空自动化监控系统，自动化监控系统包括控制系统和监测系统，监测控制范围包括：放空系统闸门及启闭设备、泄水系统平压充水阀等。
（四）确定最佳方案
图 图 4 4- -1 11 最佳方案分解 图
制图人：孙卫
校核人：杜帅群
时间
2015-10-12
高坝工程深层放空系统研究成果资料 23
五 、 制定对策
有了最佳方案，对应 8 条对策，根据系统运行安全需要，添加两条系统运行对策进行实施，共计 10 条对策。小组根据 5W1H 的原则制定了活动对策表，如表5-1 所示：
高坝工程深层放空系统研究成果资料 24
表 表 5-1
活 动 对 策 表 表
序号 对策 制定依据 目标 措施 地点 负责人 完成时间 1 多级平板闸门设计 1、《水电工程钢闸门设计规范》 （NB35055）； 2、《水工建筑物荷载设计规范》 （DL5077-1997）。
1 、 保 证 平 板 闸 门 水 推 力≤70000kN； 2、保证各个闸门承受水头差≤1m； 3、保证闸门能进行检修。
1、设置检修闸门，为挡水闸门提供检修条件； 2、均采用后止水形式，满足闸门检修时压差要求； 3、各级闸门间距 40m，可满足结构安全要求； 4、闸门与隧洞直连，避免布置渐变段。
办公室 骆世威 2015-11-10 2 选定多级挡水闸门卷扬式启闭机型式 1、《水电水利工程启闭机设计规范》 （DL/T5167）。
1、节省布置空间； 2、容量≤12000KN； 3、扬程 130m≤s≤200m。
1、采用双层布置，缩小闸门井结构尺寸； 2、计算各级闸门启闭机容量及扬程； 3、与各大厂家联系确认选定启闭机机型的合适性及结构尺寸要求。
劳模工作室 骆世威 2015-12-13 3 弧形闸门与平板事故闸门相关设计 1、《水电工程钢闸门设计规范》 （NB35055）。
1、拥有检修条件； 2、单铰受力≤48000kN、支铰轴承直径≤900mm。
1、设置事故闸门，为放水闸门提供检修条件； 2、设置平压竖井，满足前止水事故闸门检修时压差要求； 3、弧形工作闸门选用双主纵梁、直支臂结构型式； 4、弧形门后部采用突扩段，降低水面线，避免闸门后部空化并可减小无压洞断面。
办公室 骆世威 2015-12-15 4 选定液压启闭机与卷扬启闭机型式 1、《水电水利工程液压启闭机设计规范》 （ NB/T35020-2013）。
1、液压启闭机容量≤3200KN、扬程 10m≤s≤20m； 2、卷扬启闭机容量≤12000K、扬程 130m≤s≤200m。
1、计算各层弧形闸门、事故闸门及启闭机容量及扬程； 2、与各大厂家联系确认启闭机选型的合适性。
劳模工作室 申显柱 2015-12-28
高坝工程深层放空系统研究成果资料 25
序号 对策 制定依据 目标 措施 地点 负责人 完成时间 5 充排水系统设计 1、结构不允许出现空化空蚀问题； 2、充排水系统结构满足完备性和安全性要求。
1、保证多级闸门水头差≤1m； 2、保证闸门反向充水能力； 3、使结构有空间进行检修。
1、设置检修电梯井、检修廊道、检修闸阀室，满足运行维护要求； 2、设置溢水廊道（城门洞型尺寸 3m×2.5m），维持系统水压稳定，多余水体排出系统； 3、设置平压充排水管（直径 0.5m），一备一用； 4、两备一用阀门，阀门破坏后可及时检修、更换。
办公室 申显柱 2016-1-11 6 备用补水系统设计 1、保证充排水系统故障情况下仍然能正常运行。
1、保证闸门漏水时水量及时补充； 2、控制水流下落速度 v≤2m/s。
1、利用高位水池长线引水； 2、防止水流速度过大设置缓降措施。
办公室 申显柱 2016-2-10 7 控制系统设计 1、《水力发电厂计算机监控系统设计规范》 DL/T5065-2009。
1、及时、准确接受信息、反馈指令，达到自动化、准确控制放空系统运行； 2、系统操控安全、稳定，不受突发事故（停电、网络攻击）影响。
1、闸门设置功能完善的、独立可靠的 PLC 型控制装置； 2、阀门采用“手动（现地）/自动（远方）”控制方式。阀门控制柜/箱采用可编程控制器（PLC）； 3、控制系统具有独立电源和备用电源，并与互联网断开、单独运行。
办公室 李浩田 2016-3-7 8 监测系统设计 1、《泵站计算机监控与信息系统技术导则》SL583-2012。
1、为操控系统提供精准、实时监控数据及摄像； 2、系统操控安全、稳定，不受突发事故（停电、网络攻击）影响。
1、调研市场现有自动化系统的型式； 2、根据调研结果设置 1 套工业电视监控系统，采用网络化数字视频监控； 3、监测系统具有独立电源和备用电源，并与互联网断开、单独运行。
办公室 李浩田 2016-4-13
高坝工程深层放空系统研究成果资料 26
序号 对策 制定依据 目标 措施 地点 负责人 完成时间 9 系统水流流态模拟 1、系统不允许出现空化空蚀及水流不稳定状况。
1、模拟结构内水流运行状态； 2、确定各工况下系统的流量、流速。
1、运用 FLUENT 软件对系统水流流态进行模拟； 2、经验计算公式和模拟计算成果对比分析。
武汉大学实验室 李浩田 2016-5-16 10 系统各工况运行模拟 1、系统结构布置功能及运行检修条件的要求。
1、系统在各工况下运行顺畅； 2、系统运行设计与实际相符。
1、建立动画模拟系统各工况下的运行过程； 2、逐步模拟分解系统运行步骤。
劳模工作室 李浩田 2016-6-24 制表人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2015-11-3
高坝工程深层放空系统研究成果资料 27
六 、 对策实施
对策 实施 一 ：多级平板闸门设计 初步方案拟定后，小组根据现有金属结构制造水平并考虑各层放空系统之间闸门开启接力需要，各级闸门把总水头平均分配，保证了水头差≤1m，同时通过水力学计算分析得出各级闸门水推力均满足要求。
（1）为保证平板闸门的检修，在每级平板闸门前面均设置一扇检修闸门。
图 图 6 6- -1 1 多级平板闸门 设计图
制图人：骆世威
校核人：鲍伟
时间
2015-11-3 （2）闸门细部结构主要包括：闸门门槽及止水型式设计 A、门槽设计选型 表 表 6-1
门槽设计 选型表
方案目标：1、减少门槽在高速水流过流情况下的磨损及空蚀破坏；2、水力学条件优 待选门槽型式 优缺点分析 结论 Ⅰ 型门槽
优点：适用于低流速 缺点：高速水流下门槽较易发生冲刷及空蚀破坏 不选择
高坝工程深层放空系统研究成果资料 28
Ⅱ 型门槽
优点：相对减少门槽在高速水流过流情况下的磨损及空蚀破坏 缺点：过流面需采用复合钢板衬砌，费用稍高 选择
制表人：骆世威
校核人：杜帅群
时间
2015-11-5 B、止水设计选型
对于水封装置拟采用两种方案，一种方案采用滑道兼水封装置；另一种方案通过在水封下游侧设置进水管路。两种方案进行比较分析如下：
表 表 6-2
止水设计 选型表
方案目标：满足水封要求，闸门漏水可控。
待选方案 方案分析 结论 方案一：
采用滑道兼水封装置 1、水封材料：承压强度高的硬止水； 2、技术特征：硬度比橡胶大，强度较高，可作为支承材料用，但摩擦系数较小，摩擦阻力低，耐磨性能好，有一定的弹性，有一定的压缩变形可密封止水。
此方案通过对南京东润特种橡塑有限公司的调研，通过调整橡胶成分可以实现。
选择
方案二 ：
在水封下游侧设置进水管路 1、使下游水进入到水封内部上游侧，通过引下游水压至水封内部上游面； 2、能减小上游水压对水封的压力实现减小水封单侧变形过大的问题。
不选择
制表人：孙卫
校核人：李晓彬
时间
2015-11-6 同时为保证闸门连通及充水平压效果，门槽均采用后置止水方式。
图 图 6 6- -2 2 后止水型式 设计图
制图人：骆世威
校核人：杨鹏
时间
2015-11-10 对策 检查一：小组成员通过水力学计算结果表明各层放空洞水头衔接充分，后止水
高坝工程深层放空系统研究成果资料 29
通过止水设计保证了各级闸门的水头差，各级闸门水推力均不大于 70000KN。
门槽流态计算采用现今使用较多的数值模拟手段，小组成员在充分调研各大流体计算软件的基础上选定 FLUENT 软件，并进行初步自学，对门槽部分流态进行仿真模拟，得到如下成果：
图 图 6-3 门槽流体 及 计算 结果图 制图人：骆世威
校核人：杨鹏
时间
2015-11-10 结论 一：由分析数据得出如下结论：多级平板闸门拟定及设计均满足要求。
对策 实施 二 ：选定多级挡水闸门卷扬式启闭机型式
小组成员首先针对并排双闸门的卷扬机布置形式进行了研究讨论，如下表：
表 表 6-3
门槽设计 选型表
方案目标：节省布置空间，节省投资 待选门槽型式 优缺点分析 结论 单层并排布置启闭机 （18m×34m×11m）
优点：操作空间大，检修空间大，启闭机排架不用布置太高。
缺点：布置空间大引起下部闸门井空间增大，会极大增加井筒投资。
不选择
双层错开布置启闭机 （15m×40m×11m）
优点：节省布置空间，满足检修操作空间，大大缩小下部井筒体积，极大减少投资。
缺点：启闭机排架高，承受风荷载较大。
经计算得出本布置形式能承受较大风荷载 选择
制表人：骆世威
校核人：杜帅群
时间
2015-12-6
高坝工程深层放空系统研究成果资料 30
布置形式确定之后根据每级闸门的容量及扬程确定卷扬机型号如下表：
表 表 6-4
每级闸门 容量及扬程 表
制表人：骆世威 校核人：杜帅群
时间
2015-12-10 对策 检查 二：
：小组邀请金结专家针对所选启闭机进行鉴定，并联系启闭机生产厂家进行确认，得到专家和厂家的认可。
结论二：
：小组研究的启闭机型式及布置形式满足本系统需求。
对策 实施 三：
：弧形闸门与平板事故闸门相关设计 小组成员经计算研究讨论，事故闸门采用前止水，门槽型式同对策实施一，事故闸门设在弧形闸门前，用于弧形闸门故障检修时。经过大量讨论研究确定弧形闸门型式应为双主纵梁、直支臂结构型式，同时为保证水流流态，在弧形闸室后部采用突扩段，以此降低水面线，减小闸门后部空蚀破坏程度。
图 图 6-4 前止水型式 设计图 制图人：骆世威
校核人：李晓彬
时间
2015-12-13 前止水
高坝工程深层放空系统研究成果资料 31
对策 检查 三 ：邀请金结专家进行鉴定，并联系闸门生产厂商进行确认，设计合理。
结论三：小组设计的弧形闸门与平板事故们布置形式满足本系统需求。
对策 实施 四：
：选定液压启闭机型式与卷扬启闭机型式 小组调研多家生产商，经过对比筛选最终选定弧形闸门单缸摇摆式液压启闭机，平板事故闸门为固定卷扬式启闭机 所选启闭机型号如下表所示：
表 表 6-5
弧形及 事故闸门 容量及扬程 表
制表人：申显柱
校核人：杨鹏
时间
2015-12-27 对策 检查 四：
：小组邀请金结专家针对所选启闭机进行鉴定，并联系各大厂商确认，得到专家和厂家的认可。
图 图 6-5 小组成员厂家 参观调查
高坝工程深层放空系统研究成果资料 32
结论四：小组选定的启闭机型式满足本系统需求。
对策 实施 五 ：充排水系统设计 充排水系统设计如下图所示：
图 图 6-6 充排水系统 细部结构图 制图人：申显柱
校核人：杨鹏
时间
2016-1-11 对策 检查 五：
：小组对本套充排水系统进行验证检测，得出本系统能满足多级闸门水头差≤1m，闸门通过充排水管拥有反向充水能力，并设置充排水闸阀检修室使得阀门及管道结构拥有检修空间。
图 图 6-7 院内 相关专家针对小组研究的系统进行讨论评审 结论五 ：本充排水系统细部结构设计满足要求。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 33
对策 实施 六 ：备用补水系统设计 小组经过分析讨论，研究出如下备用补水系统：
图 图 6-8 备用补水系统 结构图 制图人：申显柱
校核人：杜帅群
时间
2016-2-8 对策 检查 六：
：小组对本套备用补水系统进行验证检测，得出本系统能保证闸门漏水时水量及时补充，设置的速度缓降措施能保证水流下落速度控制在 2m/s以内。
图 图 6-9 院内 相关专家针对小组研究的系统进行 把关
高坝工程深层放空系统研究成果资料 34
结论六 ：本备用补水系统达到及时补充漏水量并控制水流下落速度的目的，满足研究要求。
对策 实施 七：
：控制系统设计 小组成员针对整个计算机控制系统进行研究设计，保证独立电源，并设置备用电源。计算机监控系统拟采用全开放分层分布式结构，主控设置两台数据库主机及操作员工作站、一台工程师兼培训工作站、一台通信工作站。并设置一套网络设备、一套时钟同步系统设备、一套冗余的 UPS 电源装置。
图 图 6-10 自动化监控 系统图 制图人：李浩田
校核人：杨鹏
时间
2016-3-7 对策 检查 七 ：邀请专家进行鉴定，计算机控制系统完备。
结论七：达到自动化、准确化控制放空系统闸门及启闭设备、泄水系统平压充水阀的目的。
对策 实施 八：
：监测系统设计 小组人员针对监测系统进行讨论研究，最终决定设置 1 套工业电视监测系统，拟采用网络化数字视频监控方案，见图 6-11、6-12。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 35
图 图 6-11 自动化监测 系统图 制图人：李浩田
校核人：杜帅群
时间
2016-4-13
图 图 6-12 自动化系统 控制 界面 制图人：李浩田
校核人：杜帅群
时间
2016-4-13 对策 检查 八 ：邀请专家进行鉴定，监测系统完备。
结论八：方便值班人员及远方调度了解现场的实时情况，达到了精准监测闸门井、平压充水系统、备用补水系统水位的目的，提高了综合自动化水平。
对策 实施 九 ：全系统水流流态模拟 水流计算一般采用传统水力学计算，现今发展起来的数值模拟手段以计算成
高坝工程深层放空系统研究成果资料 36
果准确，计算周期短被众多研究人员广泛应用，为满足本小组研究需求，小组成员在充分调研各大流体计算软件的基础上选定 FLUENT 软件，在门槽初步模拟的基础上深入学习该计算手段，借用武汉大学计算机服务器，对本系统水流流态进行了全方位仿真模拟。结果如下图所示：
表 表 6-6
全系统水流流态模拟 成果分析 表
制表人：李浩田
校核人：申显柱
时间
2016-5-16
图 图 6-13 经验计算 公式和有限元计算成果报告 对策 检查 九：
：小组人员经过计算结果分析一致认为整个放空系统的水流流态
高坝工程深层放空系统研究成果资料 37
完好，未出现水流不均的情况。
结论九：放空系统整个设计满足流态要求。
对策 实施 十 ：系统各工况运行模拟 小组人员针对整个系统的所有闸门运行情况进行模拟，并设计出自动化控制系统对闸门及阀门进行控制。
表 表 6-7
系统各工况运行模拟 分析 表
系统各工况运行方式演示 运行工况 运行结果分析
单层蓄水过程演示 运行时闸门关闭开启准确无误
多级挡水闸门检修过程演示 运行时闸门具备检修条件，平压充水系统运行准确无误
弧形放水闸门检修过程演示 运行时弧形闸门具备检修条件，各级闸门运行准确无误
单层泄水过程演示 运行时闸门关闭开启准确无误
高坝工程深层放空系统研究成果资料 38
全系统蓄水过程演示 运行时闸门关闭开启准确无误
全系统放水过程演示 运行时闸门关闭开启准确无误 制表人：李浩田
校核人：杜帅群
时间
2016-6-24
图 图 6 6- -4 14 深层 放空系统 运行 工况 模型模拟
对策 检查 十 ：运行模拟成功，闸门有序开启关闭，未出现错误下落情况。
结论十：整个系统到此为止已经非常完备，目标实现。
七 、 效果 检查
（一）目标 检查
图 图 7 7- -1 1 深层 放空系统整体三维图
制图人：孙卫
校核人：杜帅群
时间
2016-7-5
高坝工程深层放空系统研究成果资料 39
采用深层放空系统放空水库，并对比枯期关键放空能力指标，如表 7-1 所示：
表 表 7-1
枯 枯 期放空能力对比表
制表人：郑雪玉
校核人：李晓彬
时间
2016-7-17
图 图 7 7- -2 2 活动后放空 深度对比柱状图
制图人：孙卫
校核人：李晓彬
时间
2016-7-17
高坝工程深层放空系统研究成果资料 40
图 图 7 7- -3 3 活动后枯期额外 收益柱状图
制图人：孙卫
校核人：李晓彬
时间
2016-7-17 可见深层放空系统突破了传统放空建筑物布置深度和放空深度的极限，成功将放空深度增加了 77.4m，达到 179.4m，并具备继续加大的空间，同时，由于显著增加了单洞的放空泄量，使得放空历时、放空率、大坝安全裕度均较活动前明显提升。
因此，小组研究的深层放空系统不仅完成了设定目标，还实现了工程放空能力的全面突破和创新。
（二）效益 分析
1、汛期综合效益 活动前，汛期由于来流量大，无法将库水位降低，只是保持库水位在死水位高程，采用深层放空系统以后，对比汛期关键放空能力指标，如表 7-2 所示：
高坝工程深层放空系统研究成果资料 41
表 表 7-2
汛期 放空能力对比表
注 ：研 究 前放空深度仅 在水库死水位 高程 ， 不能 有效 放空水库。
制表人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2016-7-17
图 图 7 7- -4 4 活动后汛期综合效益 柱状图
制图人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2016-7-17 深层放空系统突破了汛期不能放空水库的技术难题，成功降低库水高程达40.68m，为汛期大坝安全，枢纽建筑物运行检修提供了必要条件，整体提高了工程抵御风险的能力 2、安全效益: 水电站放空深度足够深，才能满足大坝超标渗漏检查与修补的要求，为工程各部位建筑物的补强加固创造有利条件，特别对重大灾难性事故发生后保障工程正常运行具有重要意义。同时，水电站放空设施达到任意时段都能放空，才能尽量减少非常情况（如地震等灾害）下次生灾害的影响。
深层放空系统在结构理念上的创新完全能满足以上两方面要求，且较低的放空水位使得大坝安全裕度提高了 18%。这些对工程安全效益具有重大贡献。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 42
图 图 7 7- -5 5 活动后大坝安全裕度对比 柱状图
制图人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2016-7-17
3、前景效益：
我国大坝高度的上升速度随着水电资源开发力度与速度的增加而增加，许多已建、在建工程的坝高已经接近或超过 300m，尤其是西部澜沧江、金沙江、怒江及雅鲁藏布江等流域内正在规划建设一批 300m 级高坝大库工程，多为西部地区特有的“高坝、大库、强地震”工程，设置高效的放空设施是保障工程安全的必然选择，深层放空系统创新地解决工程放空难题，极大地增加了工程运行安全性，促进了水电行业的技术创新。
图 图 7-6 超深层放空 QC 小组效益证明
高坝工程深层放空系统研究成果资料 43
八 、 标准化
表 表 8-1
标准化整理表 表
资料 归档 1、小组成员把高坝工程深层放空系统的设计图纸、计算成果报告整理归档。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 44
编制相关操作流程
2、小组成员针对高坝工程深层放空系统运行特点，编制蓄水、放水、平板门检修及弧形放水闸门检修操作流程。
复核 工况，发布命令
检查条件，反馈 信息
蓄水流程
放水流程 挡水闸门 检修 流程
放水闸门 检修 流程
高坝工程深层放空系统研究成果资料 45
通过 评审 3、针对高坝工程深层放空系统的工程应用价值，小组成员申请咨询公司、行业院士、专家进行咨询评审,其技术思路的创新、解决实际工程的能力、工程技术可行性得到专家认可，放空能力受到业内肯定。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 46
知识产权保护 4、小组将高坝工程深层放空系统研究过程中的技术成果进行国家发明专利的申报，已获得授权。并将发明专利转化为工程应用，在实践中总结申请更多专利。
制表人：郑雪玉
校核人：杜帅群
时间
2016-9-15
高坝工程深层放空系统研究成果资料 47
图 图 8-1 业内院士 、专家针对 放空系统的研究 进行评审 九 、总结及下一步打算
（一）总结
本次 QC 活动中，团队成员积极参与，团结协作，成功研究出一套高坝工程深层放空系统，不仅达到了设定的目标，而且在专业技术、QC 知识和创新意识等方面都得到了全面地提升，活动结束后，小组成员从专业技术、管理水平和综合素质三个方面进行了认真地总结。
1. 专业 技术方面
此次 QC 活动，该小组针对国内高坝工程不能全时段、深层放空的现状，创新性地提出了一种高坝工程深层放空系统，采用反向水推力原理，在不受金属结构制作水平限制的条件下，可以将放空系统结构高程设置到任意深度，突破了全时段、深层、快速放空水库的行业技术难题；并提出一套高坝大库放空评价体系及放空标准，填补了行业技术空白，推动了高坝放空技术的创新和发展。
2. 管理 水平方面
小组活动严格按照科学的 PDCA 循环，解决问题的思路环环相扣，具有严密的逻辑性。活动过程中，紧紧围绕工程设计的客观需求，熟练运用多种工具方法，在实践中逐步提升了小组成员分析问题、解决问题的能力。
3. 综合 素质方面
通过本次 QC 活动，小组成员的团队精神、逻辑思维能力等都得到了显著提升。过程中小组成员勇于创新、敢于创新的精神得到增强，大家都进一步掌握了多种科学有效的创新方法。
高坝工程深层放空系统研究成果资料 48
4. 自我 评价
通过此次QC 活动，小组成功应用反向水推力原理，顺利研究出一套高坝工程深层放空系统，以创新思路为起点，不断开拓，切实解决了高坝工程库水放不下去，汛期放不了的问题，同时缩短了放空时间。每位小组成员从本次 QC 活动中一路走来，创新求实与全面质量管理绽放出的光彩引领了我们前行的道路，也照亮了我们不断创新的希望。我们将继续高举“创新”大旗，迎接全面质量管理科学、严谨的洗礼与考验。
表 表 9-1
QC 活动前后自我评价对比表
制表人：鲍伟
校核人：李晓彬
时间
2016-11-24
图 图 9-1 自我评价雷达...
