閘壩型水庫(kù)新型泄洪調(diào)度方法研究

薛阿強(qiáng)，付建軍，肖浩波，陳 剛

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010； 2.漢江孤山水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 鄖西 442600；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 工程概況

孤山航電樞紐位于漢江上游干流湖北省十堰市鄖西縣及鄖縣境內(nèi)，距規(guī)劃的夾河樞紐35.5 km，下距丹江口大壩177.6 km，是漢江干流梯級(jí)開發(fā)的第八級(jí)電站，樞紐總體布置見圖1，最大壩高約54.6 m。電站為河床式廠房，布置于泄水閘右側(cè)，采用4臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量180 MW，為Ⅱ等大(2)型工程，規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)。樞紐泄水和擋水建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)：按100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，不考慮安康水庫(kù)的調(diào)洪作用，相應(yīng)洪峰流量為31 700 m3/s；500 a一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量為38 100 m3/s；下游消能防沖設(shè)施按30 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其洪峰流量為26 600 m3/s；20 a一遇移民流量為24 800 m3/s。正常蓄水位177.23 m，校核洪水位185.20 m，死水位175 m。

圖1 孤山航電樞紐總體布置Fig.1 General layout of Gushan navigation and power junction

左區(qū)7孔泄洪閘孔底高程為157.0 m，單孔凈寬16 m，采用平板閘門全開全關(guān)的運(yùn)用方式；右區(qū)11孔孔底高程為158.1 m，單孔凈寬15 m，由弧形門均勻開啟控制。

2 傳統(tǒng)泄洪調(diào)度試驗(yàn)方法

2019年按傳統(tǒng)的方法對(duì)孤山航電樞紐進(jìn)行了泄洪調(diào)度試驗(yàn)[1]，不考慮流量間閘門開啟的銜接，僅按某一流量閘門底緣為自由出流和廠閘導(dǎo)墻腳處沖刷深度滿足≤3 m的要求進(jìn)行試驗(yàn)。從表1看出，8#、10#、12#、14#、16#、18#孔隨著流量增加，開度需要開啟后又部分關(guān)閉；9#、11#、13#、15#、17#在開啟后，需要全部關(guān)閉再開啟，流程很復(fù)雜。

表1 上游正常蓄水位177.23 m閘門運(yùn)行方式模型試驗(yàn)成果Table 1 Model test results for the arch gate operation in the presence of upstream normal storage level 177.23 m

3 新型的泄洪調(diào)度方法

2020年因設(shè)計(jì)變更，采用了新型的泄洪調(diào)度方法[2]。研究12 000 m3/s流量級(jí)以下閘門控泄調(diào)度試驗(yàn)時(shí)，右區(qū)11孔弧形閘門須采用單向性連續(xù)開啟或關(guān)閉、滿足下游消能防沖要求的閘門調(diào)度方式。

調(diào)度試驗(yàn)的出閘流態(tài)和下游沖刷要求如下：①出弧形門底緣水流盡量為自由出流，避免淹沒閘門底緣，以減輕水流波動(dòng)引起的閘門振動(dòng)；②消力池尾坎后沖刷坑坡比<1∶3，廠閘導(dǎo)墻腳處沖刷深度<3 m；③盡可能多開啟閘孔，減小關(guān)閉閘孔后的回流強(qiáng)度，以減少尾坎下游砂石帶入消力池的體量和沖刷深度。在進(jìn)行萬(wàn)安水利樞紐泄洪調(diào)度試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)[3-4]，間隔開啟在未開啟的閘孔后面會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的回流，消力池內(nèi)主流左右搖擺，不穩(wěn)定；采用分區(qū)調(diào)度[5-10](每區(qū)中閘孔要全部均勻開啟)，可以減輕不良流態(tài)。

根據(jù)規(guī)劃部門的要求，孤山航電樞紐泄洪方式如下：

(1)當(dāng)預(yù)報(bào)入庫(kù)流量Q<5 000 m3/s時(shí)，孤山水庫(kù)按日調(diào)節(jié)運(yùn)行方式運(yùn)行，最高水位為正常蓄水位177.23 m，最低水位為死水位175 m，電站按3臺(tái)機(jī)組發(fā)電考慮，即電站過(guò)流量為373.5 m3/s×3=1 120.5 m3/s。

(2)當(dāng)5 000 m3/s≤預(yù)報(bào)入庫(kù)流量Q≤12 000 m3/s時(shí)，孤山水庫(kù)加大流量下泄，盡快將庫(kù)水位降低至防洪運(yùn)行控制水位174 m，電站按3臺(tái)機(jī)組發(fā)電考慮，電站上下游水位差<5.5 m時(shí)停止發(fā)電。

(3)庫(kù)水位降低至174 m后，當(dāng)洪水來(lái)量小于泄洪能力時(shí)，按洪水來(lái)量下泄，壩前水位維持不變；當(dāng)洪水來(lái)量大于泄洪能力時(shí)，按泄洪能力下泄，壩前水位相應(yīng)抬高。隨著泄量加大，左區(qū)泄水閘剩余閘孔陸續(xù)開啟，直到左、右2區(qū)泄水閘全部開啟敞泄洪水。Q>12 000 m3/s時(shí)，左區(qū)泄水閘閘孔采用全開方式開啟，參與泄洪。

4 泄洪調(diào)度成果

4.1 Q<5 000 m3/s閘門控泄調(diào)度試驗(yàn)

模型試驗(yàn)工況為：正常蓄水位177.23 m對(duì)應(yīng)的流量級(jí)為2 000、3 000、4 500 m3/s；死水位175.0 m對(duì)應(yīng)的流量級(jí)為2 000、4 500 m3/s。除去電站過(guò)流量373.5 m3/s×3=1 120.5 m3/s，剩余的流量從閘孔過(guò)流。

試驗(yàn)方法：控制上游河道總流量和壩下游2 000 m處水位，調(diào)整弧形閘門開啟高度(需要量測(cè)的高度)，使上游水位為正常蓄水位177.23 m或死水位175 m，消力池尾坎后河床鋪砂高程為158 m。

4.1.1 上游正常蓄水位177.23 m閘門調(diào)度

4.1.1.1 3 000 m3/s流量級(jí)閘門開啟方式

試驗(yàn)開啟方式1：間隔開啟4個(gè)閘孔11#、13#、15#、17#，因上游為彎道水流，11#閘孔下泄水流向右偏轉(zhuǎn)，18#閘孔后出現(xiàn)較大回流，消力池內(nèi)右側(cè)有大量砂石帶入，沖坑深度為4.2 m，流態(tài)不能滿足要求。因水流向右偏轉(zhuǎn)，4個(gè)閘孔整體向左移2孔，使出流分布均勻。

試驗(yàn)開啟方式2：間隔開啟4個(gè)閘孔9#、11#、13#、15#，閘門開啟高度為2.2 m，閘下均為自由出流，左側(cè)有弱回流，右側(cè)無(wú)回流，水躍躍頭距閘門底緣10～12 m。沖坑最大深度為3.5 m，在消力池內(nèi)左右側(cè)有少量砂石帶入。流態(tài)明顯改善，基本可滿足要求。

4.1.1.2 2 000 m3/s流量級(jí)閘門開啟方式

閘孔開啟方式同3 000 m3/s流量級(jí)。間隔開啟4個(gè)閘孔9#、11#、13#、15#，開啟高度為1.01 m，閘孔均為自由出流，水躍躍頭距閘門底緣11 m。沖坑最大深度為1.6 m，無(wú)砂石進(jìn)入消力池。

4.1.1.3 4 500 m3/s流量級(jí)閘門開啟方式

試驗(yàn)開啟方式1：均勻開啟7個(gè)閘孔11#—17#，出閘孔水流向右偏轉(zhuǎn)，18#孔后出現(xiàn)較大回流。

試驗(yàn)開啟方式2：均勻開啟7個(gè)閘孔10#—16#，閘下均為自由出流(圖2)，17#、18#閘孔后回流強(qiáng)度減小為弱回流，閘門開啟高度為2.33 m，閘后水躍躍頭距閘門底緣7～11 m，沖坑最大深度為158 m(鋪砂高程)-154 m(沖刷最低點(diǎn)高程)=4 m，見圖3。

圖2 4 500 m3/s流量級(jí)下7個(gè)閘孔(10#—16#)自由出流流態(tài)(開啟高度2.33 m)Fig.2 Free flow state at 4 500 m3/s flow rate with seven gates (10#-16#) opening to height 2.33 m

圖3 4 500 m3/s流量級(jí)消力池尾坎沖淤后照片F(xiàn)ig.3 Scouring and silting behind the tail bucket of stilling pool at 4 500 m3/s flow rate

該流量級(jí)為了與3 000 、2 000 m3/s流量級(jí)開啟的閘門孔號(hào)相對(duì)應(yīng)，還可向左移動(dòng)1孔，即按7個(gè)閘孔9#—15#開啟，閘門開啟高度為2.32 m。

因出閘孔水流向右偏轉(zhuǎn)，開啟消力池的左側(cè)9#—15#閘孔，可使消力池右側(cè)預(yù)留較大水域，減小關(guān)閉閘孔后的回流強(qiáng)度，進(jìn)而減少下游帶入消力池的砂石量。開啟的閘孔號(hào)在不同的流量間相互調(diào)整，確保小流量已經(jīng)開啟的閘孔，大流量要繼續(xù)開啟，不夠再開別的閘孔。

4.1.2 上游死水位175 m閘門調(diào)度

4 500、2 000 m3/s流量時(shí)上游死水位175 m閘門開啟組合方式、出閘孔水流流態(tài)、沖坑深度與正常蓄水位177.23 m試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)或有所改善，閘門開啟高度分別為2.51、1.11 m。

4.2 5 000 m3/s ≤Q≤12 000 m3/s閘門控泄調(diào)度試驗(yàn)

4.2.1 5 000～8 000 m3/s

該流量區(qū)間，除去電站過(guò)流，過(guò)閘流量為3 879～6 879 m3/s，均勻開啟8個(gè)閘孔9#—16#，閘門開啟高度為2.63～5.45 m，閘下均為自由出流，沖坑最大深度為2.8 m，在消力池內(nèi)右側(cè)有少量砂石帶入。當(dāng)流量增大、下游水位升高，沖坑深度則減小。

當(dāng)來(lái)流量為8 000 m3/s時(shí)，壩下300 m處的水位為168.34 m，與上游水位174 m的差值為5.66 m，與電站發(fā)電的最小水頭5.5 m相當(dāng)。即河道來(lái)流量>8 000 m3/s，電站要停止發(fā)電。

4.2.2 9 000～10 000 m3/s

該流量區(qū)間電站不過(guò)流，均勻開啟10個(gè)閘孔9#—18#，閘門開啟高度為5.90～7.05 m，除了9#孔為淹沒出流外，其余閘孔均為自由出流，沖坑最大深度為3 m，消力池內(nèi)無(wú)砂石進(jìn)入。

4.2.3 12 000 m3/s

右區(qū)11個(gè)閘孔8#—18#全部開啟，閘門開啟高度為9.70 m，除了8#、9#孔為淹沒出流外，其余閘孔均為自由出流，水躍躍頭臨近閘門底緣。下游河床沖坑最大深度與9 000 m3/s流量級(jí)相當(dāng)。該流量為右區(qū)11個(gè)閘孔控泄的最大流量，即閘門最大開啟高度時(shí)的流量。

將右區(qū)11孔流量2 000～12 000 m3/s弧形閘門控泄單向性連續(xù)調(diào)度運(yùn)行方式匯總于表2。

表2 孤山航電樞紐弧形閘門控泄單向性連續(xù)調(diào)度運(yùn)行方式Table 2 Unidirectional continuous dispatching mode of arch gate of Gushan navigation and power junction with controlled discharge

4.3 Q>12 000 m3/s閘門敞泄調(diào)度試驗(yàn)

當(dāng)預(yù)報(bào)入庫(kù)流量>12 000 m3/s后，右區(qū)11孔應(yīng)逐步全部敞泄，上游水位維持在174 m左右，右區(qū)達(dá)到最大泄流能力后，逐步開啟左區(qū)7孔閘。

右區(qū)11孔全部敞泄，左區(qū)7孔關(guān)閉，流量15 000 m3/s時(shí)，電站前水位為174.2 m，出閘水流平順，消力池下游最大沖坑深度為3 m。

當(dāng)預(yù)報(bào)入庫(kù)流量≥15 000 m3/s后，應(yīng)逐步開啟左區(qū)7孔閘。模型試驗(yàn)流量為16 000、17 000、18 000 m3/s，試驗(yàn)研究左區(qū)7孔閘的開啟順序和測(cè)量閘孔墩尾后20 m(護(hù)坦范圍為墩后15 m)的底部流速和電站前水位。

4.3.1 16 000 m3/s流量級(jí)

模型控制上游河道來(lái)流量和下游河道水位，在右區(qū)11孔閘全開敞泄下，再分別開啟左區(qū)7#、6#、5#閘孔，4#、3#閘孔，2#、1#閘孔，4#閘孔，左區(qū)閘孔閘門運(yùn)行方式是全開或全關(guān)。

當(dāng)預(yù)報(bào)入庫(kù)流量達(dá)到16 000 m3/s時(shí)，開7#、6#、5#三個(gè)閘孔最好，電站前水位為174.16 m，庫(kù)水位變化不大，閘孔流態(tài)平順，泄水閘下游墩尾后20 m底部流速為4.5 m/s，與左岸河床基巖抗沖流速相當(dāng)；開4#、3#二個(gè)閘孔，電站前水位升高到174.35 m，其余相當(dāng)；開2#、1#二個(gè)閘孔，電站前水位升高到174.38 m，閘孔上游為繞流，過(guò)流能力偏小，不宜采用；開4#一個(gè)閘孔，墩尾后20 m底部流速達(dá)到7.4 m/s，大大超過(guò)河床抗沖流速4.5 m/s，不宜采用。

4.3.2 17 000 m3/s流量級(jí)

當(dāng)入庫(kù)流量達(dá)到17 000 m3/s，左區(qū)再開啟4#、3#二個(gè)閘孔，即18#—3#總共16孔泄水閘運(yùn)行，電站前水位為174.30 m，墩尾后20 m底部流速≤4.5 m/s，閘孔流態(tài)平順。

4.3.3 18 000 m3/s 流量級(jí)

當(dāng)入庫(kù)流量達(dá)到18 000 m3/s，左區(qū)再開啟2#、1#閘孔，即18孔泄水閘全部開啟運(yùn)行，電站前水位為174.74 m，墩尾后20 m底部流速≤4 m/s，閘孔流態(tài)平順。

4.3.4 18 000～38 100 m3/s流量級(jí)

當(dāng)入庫(kù)流量>18 000 m3/s，左右區(qū)18孔全部敞泄，泄水閘前后水流銜接平順。右區(qū)泄水閘消力池下游河床基本未沖刷，消力池內(nèi)也沒有砂石進(jìn)入；左區(qū)7#—3#泄水閘孔護(hù)坦下游河床約有2～3 m深的局部沖刷；下游混凝土縱向圍堰左右兩側(cè)基本未沖刷，相關(guān)建筑物的安全基本不受影響。

將左右區(qū)18孔流量15 000～38 100 m3/s閘門敞泄調(diào)度運(yùn)行方式匯總于表3。

表3 孤山航電樞紐閘門敞泄調(diào)度運(yùn)行方式Table 3 Emptying operation mode of gates of Gushan navigation and power junction

右區(qū)過(guò)閘流量和弧形閘門開度關(guān)系曲線見圖4。按該方式運(yùn)行，右區(qū)8#—18#閘孔弧形閘門后基本為自由出流，運(yùn)行較安全，12 000 m3/s為右區(qū)閘孔閘門控泄與敞泄的過(guò)渡流量；左右區(qū)下游河床沖坑最大深度≤4 m。8 000 m3/s流量級(jí)以上電站上下游水位差<5.5 m，機(jī)組停止發(fā)電。

圖4 右區(qū)過(guò)閘流量和弧形閘門開度關(guān)系曲線Fig.4 Relation between flow rate and opening degree of arch gate in the right area

5 結(jié) 論

(1)閘壩型水庫(kù)弧形閘門采用單向性連續(xù)開啟或關(guān)閉的調(diào)度運(yùn)行方式，在模型試驗(yàn)中，需要在不同的流量之間反復(fù)調(diào)整閘門的開啟組合方式，使閘孔號(hào)前后對(duì)應(yīng)起來(lái)且出閘流態(tài)、沖坑深度等指標(biāo)滿足要求。

(2)大流量時(shí)，盡可能多均勻開啟閘孔，以免在關(guān)閉的閘孔后產(chǎn)生回流；小流量時(shí)出閘水流流速較小，則可以間隔開啟。