基于關(guān)系曲線(xiàn)和水力學(xué)法的泄洪閘門(mén)泄流曲線(xiàn)率定

劉和詠，王 偉，胡晨賀，薛萬(wàn)軍

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川省成都市 617000）

1 概述

錦屏二級(jí)攔河閘壩位于錦屏大河灣西段的毛毛灘，距上游錦西電站約7.5km。水庫(kù)正常蓄水位1646m、死水位1640m，日調(diào)節(jié)庫(kù)容為496萬(wàn)m3。攔河閘壩主要由河中泄洪閘、兩岸擋水壩段、上游鋪蓋和下游消能防沖設(shè)施等組成。泄洪閘布置在主河床，共設(shè)置5個(gè)閘室段，每個(gè)閘室寬20m，泄洪凈寬13m，泄洪閘段總長(zhǎng)100m，閘頂高程1654m，最大閘高34m。閘室溢流堰采用平底寬頂堰類(lèi)型，閘室底板頂高程為1626m，底板厚6m。泄洪閘工作門(mén)采用開(kāi)敞式弧形閘門(mén)，尺寸為13m×22m（寬×高）。

依據(jù)2015年汛期歷史泄流數(shù)據(jù)，選取典型時(shí)間段泄洪閘水位—開(kāi)度—流量關(guān)系數(shù)據(jù)，采用關(guān)系曲線(xiàn)法（閘上水位與流量關(guān)系）及傳統(tǒng)水力學(xué)法（綜合流量系數(shù)），對(duì)單孔泄流曲線(xiàn)進(jìn)行率定，并將率定結(jié)果反代回實(shí)際工況進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)分析校驗(yàn)結(jié)果得到對(duì)實(shí)際泄洪閘門(mén)調(diào)度具有參考意義的結(jié)論。因各孔泄流能力相同，故以單孔為例進(jìn)行研究。

2 基于水位關(guān)系率定泄流曲線(xiàn)

根據(jù)2015年汛期水電站閘門(mén)運(yùn)行情況，因?yàn)槎嗫组l門(mén)泄流能力與單孔成倍數(shù)關(guān)系，且大多數(shù)情況下閘門(mén)均為成組開(kāi)啟的方式（常用方式有3號(hào)單孔，2號(hào)、4號(hào)雙孔，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)或1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)三孔，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)五孔），選取不同水位下閘門(mén)開(kāi)度相同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照出入庫(kù)流量平衡公式（忽略河道區(qū)間流量、水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏等影響），計(jì)算出相同開(kāi)度下不同水位時(shí)單孔泄流能力[1]。本文中僅以0.7m開(kāi)度時(shí)的原始數(shù)據(jù)為例，1.7m及2.8m開(kāi)度情況下的數(shù)據(jù)處理與0.7m時(shí)一致，原始數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同開(kāi)度下各不相同，主要按照泄洪閘上游水位排序，并根據(jù)其最大最小值確定加權(quán)平均段的劃分。

相同水位下，閘門(mén)開(kāi)度越大則泄流能力越大；相同開(kāi)度下，水庫(kù)水位越高則泄流能力越強(qiáng)。

3 基于流量系數(shù)法率定泄流曲線(xiàn)

3.1 堰流流量率定[3]

五孔泄洪閘全開(kāi)時(shí)，閘壩過(guò)流為堰流，按照設(shè)計(jì)資料其淹沒(méi)系數(shù)介于0.8～0.9之間，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 266—2001）可查得0.86≤hs/h0≤0.91，因?yàn)閔s=hl且hu＜h0，所以hl/hu≥0.8，即說(shuō)明此時(shí)閘壩過(guò)流為淹沒(méi)堰流。按照規(guī)范中的閘孔總凈寬公式可知流量，從設(shè)計(jì)資料中查得1640～1646m間的計(jì)算成果見(jiàn)表1。

上式中σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)，ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，m為堰流流量系數(shù)，B0為閘孔總凈寬，h0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深。

表1 設(shè)計(jì)資料中的流量、系數(shù)、水位計(jì)算成果Tab.1 Calculation results of flow， coefficient and water level in design data.

表2 不同水位對(duì)應(yīng)M值表Tab.2 Corresponding M table of different water levels

表 3 不同水位下的閘孔過(guò)流能力表Tab.3 Sluice flow capacity table at different water levels

因?qū)嶋H運(yùn)行過(guò)程中，五孔泄洪閘從未全開(kāi)運(yùn)行過(guò)，故上述數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無(wú)法通過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，需在今后有條件時(shí)再進(jìn)行率定。

因錦屏二級(jí)攔河閘屬于平底寬頂堰，根據(jù)多數(shù)水力學(xué)教程及計(jì)算手冊(cè)中均采用的判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)e/hu≥0.65時(shí)為堰流，當(dāng)e/hu＜0.65時(shí)為孔流。故得到孔流、堰流交接面的閘門(mén)開(kāi)度見(jiàn)表4。

表4 孔流、堰流交接開(kāi)度表Tab.4 The opening scale of flow and weir flow

3.2 孔流流量率定

研究閘門(mén)淹沒(méi)在水中時(shí)出流流態(tài)為孔流的情況。查詢(xún)孔流歷史運(yùn)行資料可知，對(duì)于錦屏二級(jí)攔河閘任何孔流流態(tài)下均滿(mǎn)足hu＞e＜hl，故其為典型的淹沒(méi)孔流，流量的計(jì)算適用公式為。

圖1中，hu為上游水頭，m；hl為下游水頭，m；e為閘門(mén)開(kāi)啟高度，m；B為閘門(mén)總寬，m；ΔZ為水頭差，m；M、M1為不同流態(tài)的綜合流量系數(shù)，可由實(shí)測(cè)流量利用以上公式進(jìn)行反算。

3.2.1 孔流時(shí)段選取

選擇2015年錦屏二級(jí)、錦屏一級(jí)電站負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，錦屏二級(jí)泄洪閘開(kāi)度相對(duì)固定的時(shí)段，因2015年單孔泄洪閘開(kāi)度大于4m的時(shí)段不具有穩(wěn)定性（穩(wěn)定性主要是指閘門(mén)開(kāi)啟后至少在該開(kāi)度下穩(wěn)定運(yùn)行3h，否則計(jì)算所得的單孔泄流能力誤差較大，容易對(duì)率定結(jié)果造成較大誤差），故選取典型時(shí)段泄洪閘開(kāi)度均未超過(guò)4m、大于開(kāi)度4m部分的綜合流量系數(shù)可根據(jù)實(shí)際流量加以修正[5]。

3.2.2 孔流綜合流量系數(shù)計(jì)算

圖1 單孔泄流示意圖Fig.1 Schematic diagram of single hole spillway.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制綜合流量系數(shù)M1與上下游水位差對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示，綜合流量系數(shù)M1與閘門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和關(guān)系曲線(xiàn)圖可以看出：隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大，閘下水位隨之升高，上下游水位差隨之減小，計(jì)算得出的綜合流量系數(shù)M1也逐步增大。

根據(jù)綜合流量系數(shù)M1計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)不同閘門(mén)開(kāi)度下，綜合流量系數(shù)M1取值參考見(jiàn)表5。

表5 綜合流量系數(shù)M1參考取值表Tab.5 Comprehensive flow coefficient M1 reference value table

圖2 綜合流量系數(shù)M1與上下游水位差對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.2 The correlation curve between the integrated flow coefficient M1 and the upstream and downstream water levels

圖3 綜合流量系數(shù)M1與閘門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.3 correlation curve of the integrated flow coefficient M1 and gate opening

4 泄流曲線(xiàn)驗(yàn)證

根據(jù)不同水位下的單孔泄流能力表、不同水位下的閘孔過(guò)流能力表以及孔流、堰流交接開(kāi)度表擬合得到不同水位下各開(kāi)度的單孔過(guò)流能力表，見(jiàn)表6。將表6的數(shù)據(jù)插值后在Excel中做成基于關(guān)系曲線(xiàn)的泄流曲線(xiàn)查詢(xún)表[7]，如圖4所示。

選取非典型時(shí)段泄洪閘流量關(guān)系數(shù)據(jù)，校核水位流量關(guān)系曲線(xiàn)法及綜合流量系數(shù)法所求得泄流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[8]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7（注：實(shí)測(cè)流量根據(jù)流量平衡原理通過(guò)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)查得）。率定結(jié)果與設(shè)計(jì)曲線(xiàn)對(duì)比如圖5所示，各曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值的偏差如圖6所示（默認(rèn)實(shí)測(cè)值偏差為0，則陰影面積越大說(shuō)明誤差越大，正負(fù)誤差可以抵消以貼合實(shí)際工作）。

表6 不同水位下各開(kāi)度的單孔過(guò)流能力表Tab.6 The single-hole overcurrent capacity table of each opening at different water levels

圖4 不同水位下各開(kāi)度的單孔泄流曲線(xiàn)Fig.4 Single - hole discharge curves of each opening at different water levels

由表7、圖5及圖6可知：

圖5 率定結(jié)果與設(shè)計(jì)曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of yield and design curve

表7 水位流量關(guān)系曲線(xiàn)法及綜合流量系數(shù)法準(zhǔn)確性校核表Tab.7 The relationship curve of water level and the accuracy of the comprehensive flow coefficient method

圖6 各曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值的偏差面積圖Fig.6 Deviation area diagram of each curve and measured value

設(shè)計(jì)1代表設(shè)計(jì)院最初根據(jù)投產(chǎn)初期河道地質(zhì)條件計(jì)算的結(jié)果，其僅通過(guò)模型試驗(yàn)率定得到，未經(jīng)過(guò)實(shí)際校驗(yàn)且在下游流道清淤后地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，目前看來(lái)其誤差達(dá)到了10%以上，故在日常水庫(kù)調(diào)度中并不適用。

設(shè)計(jì)2代表設(shè)計(jì)院根據(jù)最新清淤后的地質(zhì)條件改變情況并結(jié)合2013年、2014年的運(yùn)行情況率定的新結(jié)果，由于工程施工的不確定性，清淤的效果可能不如預(yù)期，且經(jīng)過(guò)2015年的運(yùn)行可能再次淤積，實(shí)際看來(lái)其對(duì)清淤的效果過(guò)于理想化，從而導(dǎo)致率定結(jié)果比實(shí)際偏大，但由于其偏差基本為正偏差，故實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)小于1的比例系數(shù)。

采用綜合流量系數(shù)計(jì)算得出的泄流量與實(shí)測(cè)流量絕對(duì)偏差相對(duì)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)2來(lái)說(shuō)有所減小，且其相對(duì)偏差在所有結(jié)果中是最小的，說(shuō)明綜合流量系數(shù)M1經(jīng)驗(yàn)取值更貼合實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樵趯?shí)際水庫(kù)調(diào)度中閘門(mén)的開(kāi)度調(diào)整是常態(tài)，那么能在不同開(kāi)度對(duì)偏差自行消除或削弱顯然更符合實(shí)際。

關(guān)系曲線(xiàn)法率定的結(jié)果整體偏小，但其絕對(duì)誤差是最小的，考慮其能夠根據(jù)水位和開(kāi)度直接求得流量，且易于進(jìn)行插值計(jì)算得到各個(gè)開(kāi)度、水位下相應(yīng)的流量，可開(kāi)發(fā)性較強(qiáng)且能通過(guò)系數(shù)不斷修正，故實(shí)用性較高便于在日常水庫(kù)調(diào)度中推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

該水電站泄流曲線(xiàn)率定主要結(jié)合設(shè)計(jì)資料和實(shí)際運(yùn)行情況，基于出入庫(kù)流量平衡原理，通過(guò)采取現(xiàn)有水位流量歷史數(shù)據(jù)繪制關(guān)系曲線(xiàn)，以及按傳統(tǒng)水力學(xué)法計(jì)算分析的兩種途徑對(duì)錦屏二級(jí)電站泄流曲線(xiàn)進(jìn)行率定、分析，因此，關(guān)系曲線(xiàn)法率定的結(jié)果實(shí)用性較高便于在日常水庫(kù)調(diào)度中推廣。

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劉和詠（1986—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：327295031@qq.com

王 偉（1990—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：869458259@qq.com

胡晨賀（1988—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：863143920@qq.com

薛萬(wàn)軍（1988—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：244351073@qq.com