實例談水電站水閘閘門改造設計

□ 羅景弘

底流式消能工程一般比較常見于低水頭水閘結構，我們在進行該型式消力池設計時，確定消力池尺寸的控制條件情況是比較復雜的，它與水閘上、下水位差，過閘單寬流量、下游水深、閘門開啟方式，閘門開啟速度和下游水位能否迅速抬高等因素有關，還與啟閉機的選擇有關。如果我們能設計一種合理的、簡便易操作的閘門操作型式，則有可能大大節(jié)省消能工程的工程量。

某水電站閘壩為該電站的主要擋、泄水建筑物，閘壩設有15孔閘孔，單孔凈寬12m，正常工作水頭為6.5m，水頭6.10m， 堰面是寬頂堰型式，在閘門全部打開或閘門開度超過e/H=0.65時， 水流呈寬頂堰型式過流， 在閘門相對開度為e/H=0.65時，水流呈閘孔出流型式。原設計采用4臺移動式啟閉機控制水閘調度。

由于該樞紐是低水頭工程，且堰頂高程較低( 河床平均高程為7.78m，堰頂高程為8.20m)， 當上游水位為正常蓄水位△14.5m時，閘門在任何開度下控泄流量，下游水深都不具備形成面流的條件。因此，閘壩確定選用底流消能的方式。

閘壩的運行方式必須滿足整個樞紐的運行條件。根據(jù)分析，有如下四種情況:

（一）當天然來水小于機組引用發(fā)電流量時， 全部來水用于發(fā)電，閘壩閘門不開啟。

（二）當天然來水超過引用發(fā)電流量時， 多余部分由閘壩宣泄。

（三）當天然流量大于1 000m3/s時，停止發(fā)電，閘門全開泄洪。

（四）當電站可能出現(xiàn)突然停機事故， 為確保下游不至斷水停航和不至使上游水位上升而造成閘門漫頂，必須緊急開啟閘門，放泄當時的發(fā)電流量。

一、閘壩消力池的控制尺寸

表一

根據(jù)表一知，當單孔閘門開啟時，消力池的控制尺寸為4×25.5m。如此規(guī)模的消力池不但工程量大，而且施工非常困難，因為整個閘壩和消力池都是建在沙基上的，多深挖1米， 都會使圍堰和防滲的工程量大幅度增加，那么，如何才能使消力池尺寸盡可能地減少呢?

對表一進行分析可以發(fā)現(xiàn)，閘門開啟的高度越小，則消力池的深度越淺，長度也越小，但下泄流量也相應地減少。通過對整個樞紐運行調度情況及江河流量～水位關系曲線進行分析，當天然來水流量超過1 000m3/s時，電站閘下水位將達到10.88m以上，這時電站不發(fā)電，全部水量都由閘壩宣泄。我們假如將閘壩閘門全部都開啟e/H=0.1的開度， 此時整個閘壩的下泄流量將接近1 000m3/s的流量，而此時下游水位將會迅速地抬高，增加下游水深，對消力池的影響亦會隨下泄流量的增加而減少。此時，再將閘門開度加大，宣泄1 000m3/s或更大的流量，消力池的結構也不會受到破壞。通過對閘壩閘門統(tǒng)一開度、不同孔數(shù)泄洪的水力計算得出：當所有閘門開度都統(tǒng)一為e=0.1H的情況下，閘壩閘門開9孔以上，下泄水流將發(fā)生淹沒式水躍。這一結果證實了我們的假設。由此我們可以得出一個思路，可以選取閘門一定開度所對應的消力池長度和深度為控制條件，通過閘門的靈活調度來同時滿足樞紐泄流和消力池功能。經(jīng)過一系列典型的泄流工況進行的水力計算，我們得出各種情況下消能的尺寸，如表二：

表二

我們確定取消力池長為16.5m，池 深2.2m(相 應 開 度e/H=0.1，e=0.65m)，然后再按各種可能出現(xiàn)的正常工況進行復核計算.

二、正常運用二臺機運轉

水電站二臺(發(fā)電)機組正常運行時攔河閘壩、閘門開啟調度表，見表三。

表三

當Q＞1 000m3/s時，全部閘門均勻開啟，各閘門開度差不得大于0.65m。

另外，我們又根據(jù)幾種可能出現(xiàn)的發(fā)電機組非正常運行工況進行了閘門開啟調度計算，得出結論如下:

（一）當天然來水Q來小于水輪機組相應80%保證出力時的83m3/s時，出現(xiàn)事故突然停機(此工況為最不利工況)，閘壩必須同時開啟4扇閘門，至下泄流量等于當時發(fā)電流量時止，閘門最大開啟度為0.25m。

(二)當83m3/s≤Q來＜178m3/s(單機滿載發(fā)電額定流量)時，出現(xiàn)事故突然停機，4臺啟閉機同時開啟閘門，至開度0.25m時止，啟閉機移動開啟另4扇閘門，8扇閘門開啟度不大于0.25m。

（三）當178m3/s≤Q來＜356m3/s(兩臺機滿載發(fā)電額定流量)時， 4臺啟閉機同時操作開啟閘門，至開度0.55m時止，啟閉機移動開啟另4扇閘門，即8扇閘門開啟度不大于0.55m。

（四）當356m3/s≤Q來＜600m3/s時,4臺啟閉機同時開啟，至閘門開度0.65m時，停止開啟，啟閉機移動開啟另4扇閘門，閘門開啟度不大于0.65m。

（五）當600m3/s≤Q來＜1 000m3/s時，閘門開啟度不大于1.30米(開度差不大于0.65m)。

按綏江河典型洪水過程線，來水流量由400m3/s漸變到1 000m3/s時差為5小時以上；由1 000m3/s漸變到P10%、P5%、P3.33%。洪峰流量時差均超過17小時，同時綏江干流沿線設有完善的洪水測報系統(tǒng)，洪峰由上游古水站傳播到壩址需16小時，故上述調度方式可滿足運行要求。

上述消力池尺寸經(jīng)省水利科學研究院水工模型試驗驗證，在增加消力齒及消力墩后，池深修改為2.0m，池長為16.5m， 射流過渡段7.39m。另外經(jīng)過優(yōu)化設計及經(jīng)濟比較， 電站閘壩閘門啟閉機最后選用15 臺固定式啟閉機而取消原4臺移動式啟閉機方案，使得閘壩閘門調度運行更靈活，效率更高,電站建成試運行后，我們通過規(guī)范閘壩閘門調度方式， 閘壩使用至今效果良好。