低壩閘門調(diào)度分析計(jì)算

周永紅

（湖南五凌電力有限公司 長沙市 410004）

1 研究前景

低壩工程絕大多數(shù)采用消力池水躍消能，在消能工體型確定條件下，閘門調(diào)度是否恰當(dāng)是確保工程安全運(yùn)行最重要手段之一。隨著自動(dòng)化控制在水利工程中的應(yīng)用以及采用復(fù)雜的閘門調(diào)度程序，給閘門調(diào)度工作提出了更高的要求。在消能工定型條件下，通過閘門調(diào)度的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)滿足水躍流態(tài)的要求；可優(yōu)化下游的銜接流態(tài)；可最大限度地避免或減輕下游河床的沖刷破壞。相反，如不遵循設(shè)計(jì)提供的閘門調(diào)度方式，往往會(huì)給工程帶來嚴(yán)重的后果。筆者了解的類似工程有：湘江干流浯溪水電站就因?yàn)榛⌒烷T沒有安裝好，無法按預(yù)定的程序開閘泄洪，導(dǎo)致下游兩岸局部崩塌和房屋沖毀；湘江干流近尾洲水電站，初期運(yùn)行時(shí)沒有按照設(shè)計(jì)提供的閘門調(diào)度方式泄洪，同樣導(dǎo)致下游兩岸的嚴(yán)重沖刷；類似這樣的工程數(shù)不勝數(shù)。那么怎樣給出最優(yōu)的閘門調(diào)度程序是設(shè)計(jì)和科研人員比較頭痛的問題，目前在缺乏成熟的理論計(jì)算方法條件下，大多數(shù)工程是依賴于水工模型試驗(yàn)來得到，而模型試驗(yàn)需耗費(fèi)財(cái)力和時(shí)間，本文在這方面作了一些探索并給出了一種計(jì)算方法。

2 閘門調(diào)度相關(guān)參數(shù)計(jì)算

2.1 水躍參數(shù)計(jì)算與判斷

（1）收縮斷面水深計(jì)算。

式中hc——收縮斷面水深；

q——溢流部分壩面單寬流量；

φ——壩面流速系數(shù)；

Q——泄流量；

H——收縮斷面底板以上凈水頭；

B——壩前河道過流寬度。

（2）第二共軛水深計(jì)算。

式中hc＂——第二共軛水深；

F——弗汝德數(shù)；

由hc＂判斷水躍形態(tài)。

（3）尾坎后水面落差計(jì)算。

式中 △Z——尾坎后水面落差；

b——尾坎斷面過流寬度；

φ′——消力池出池流速系數(shù)，一般取0.95；

ht——護(hù)坦底板以上水深；

σ——水躍安全系數(shù)，可取σ=1.05～1.1。

根據(jù)△Z可判斷下游銜接的流態(tài)。

（4）驗(yàn)證消力池深。

式中S——消力池深。

若計(jì)算參數(shù)不滿足上式要求，則需加深池深，若在池深確定情況下，則說明計(jì)算工況不符合水躍要求，應(yīng)避免這種開啟工況。

2.2 消能率計(jì)算

（1）收縮斷面的總比能E1：

（2）躍后斷面總比能E2：

式中 φ＂——流速系數(shù)取0.95；

q2——躍后斷面單寬流量 （隔孔開啟時(shí)為擴(kuò)散后的單寬流量）；

E1、E2——分別為收縮斷面與躍后斷面比能。

（3）消能率計(jì)算：

（4）消力池尾坎后的流速（V）計(jì)算：

由V定性判斷下游河床沖刷情況。

3 落水洞水電站工程實(shí)例計(jì)算

3.1 工程概況

工程位于沅水一級支流酉水北源干流的中游。以發(fā)電為主，總裝機(jī)35 MW。50年一遇設(shè)計(jì)洪水流量5 520 m3/s；500年一遇校核洪水流量2 840 m3/s；正常蓄水位分為汛控水位443.0m，汛后水位441.0 m。工程布置設(shè)5孔11 m×14.0 m（寬×高）實(shí)用堰型溢流壩，右岸河汊為擋水壩。底流消能方式，池底高程414.0 m，池深4.0 m，差動(dòng)尾坎高程419.5 m，護(hù)坦高程418.0 m，消力池長30.0 m，護(hù)坦長15.0 m，消力墩高2.5m。河床允許抗沖流速4.9m/s。

3.2 閘門調(diào)度計(jì)算

落水洞水電工程布置5孔消力池，可選擇的閘門調(diào)度方式有間隔3孔起調(diào)和5孔起調(diào)兩種方式。按照前述計(jì)算方法，分別計(jì)算了3孔開2.0m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、9.0 m和5孔同樣開度的水躍參數(shù)以及△Z和消能率等，結(jié)果見附表。

附表 落水洞水電站閘門調(diào)度計(jì)算成果

3孔隔開時(shí)，水躍淹沒系數(shù)為0.72～0.76，說明消力池深（4.0 m）不夠，不能形成淹沒水躍，需加深池深3.0m左右或增設(shè)輔助消能工，模型中是設(shè)置梯形消力墩。而開啟五孔泄洪，由于下游水深的增加，其開度自2.0至全開均能形成淹沒水躍流態(tài)。從附表中尾坎后水面跌落情況看，3孔開啟為（0.85～1.0）m，5 孔開啟為（0.74～0.82）m，分別判斷下游銜接流態(tài)為波流，即水面出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，相對來說3孔開啟比5孔開啟波動(dòng)強(qiáng)烈。經(jīng)計(jì)算尾坎后的流速，3 孔開啟為（6.0～7.7）m/s，規(guī)律是閘門開度越大流速亦越大，與允許抗沖流速4.9m/s比較，將會(huì)發(fā)生不同程度的河床沖刷；而5孔開啟時(shí)，尾坎后流速小于3.3m/s比允許抗沖流速小，單純以此判斷，河床不會(huì)發(fā)生沖刷，但由于水躍淹沒系數(shù)較大，不屬于自由水躍范籌，計(jì)算的水躍參數(shù)存在一定偏差，因此尾坎后實(shí)際流速要大一些，另一方面隨著單寬流量的增大，泄洪功率增大，可能會(huì)引發(fā)河床沖刷，故閘門調(diào)度計(jì)算時(shí)不能忽視這一現(xiàn)象。

綜上所述，按計(jì)算成果擬定的閘門調(diào)度方案為：5孔起調(diào)，限制開度，即5孔從0m同步開啟至9.5m，此時(shí)下泄流量為5000m3/s達(dá)到電站停機(jī)流量，流量再增加可全開閘門敞泄。

4 計(jì)算與試驗(yàn)比較

模型在不設(shè)消力墩時(shí)，3孔各種開度工況均沒有形成穩(wěn)定的淹沒水躍，這與計(jì)算結(jié)果是一致的。5孔各種開度工況，池內(nèi)流態(tài)均為淹沒程度不同的水躍流態(tài)；下游銜接流態(tài)為波流，試驗(yàn)測得最大波高為（0.7～1.1）m，與計(jì)算結(jié)果吻合較好；5孔開度小于4.0 m主河床基本沒有發(fā)生沖刷，大于4.0m以后隨著單寬流量的增加，河床開始發(fā)生沖刷，開啟6.0 m時(shí)，沖深1.8 m，開啟8.5 m時(shí)沖深2.7 m，但小于穩(wěn)定沖坑坡比1∶3，這是允許的，表明試驗(yàn)結(jié)果比較全面驗(yàn)證了閘門調(diào)度計(jì)算成果的可行性。

5 結(jié) 論

低壩工程泄洪主要依賴于有限的水躍流態(tài)消能，余能較大，這需要借助合理的閘門調(diào)度方式來保證水躍流態(tài)的形成和避免或減輕下游河床的沖刷，確保工程安全運(yùn)行。本文給出的閘門調(diào)度分析計(jì)算方法為這一問題的解決提供了一種較好的途徑。需要指出的是，大泄洪功率沖刷問題沒有得到很好的反映，應(yīng)用者要注意這一點(diǎn)。