低壩閘門調度分析計算

周永紅

（湖南五凌電力有限公司 長沙市 410004）

1 研究前景

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

2 閘門調度相關參數計算

2.1 水躍參數計算與判斷

（1）收縮斷面水深計算。

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；

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）第二共軛水深計算。

式中hc＂——第二共軛水深；

F——弗汝德數；

由hc＂判斷水躍形態。

（3）尾坎后水面落差計算。

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，一般取0.95；

ht——護坦底板以上水深；

σ——水躍安全系數，可取σ=1.05～1.1。

根據△Z可判斷下游銜接的流態。

（4）驗證消力池深。

式中S——消力池深。

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

2.2 消能率計算

（1）收縮斷面的總比能E1：

（2）躍后斷面總比能E2：

式中 φ＂——流速系數取0.95；

q2——躍后斷面單寬流量 （隔孔開啟時為擴散后的單寬流量）；

E1、E2——分別為收縮斷面與躍后斷面比能。

（3）消能率計算：

（4）消力池尾坎后的流速（V）計算：

由V定性判斷下游河床沖刷情況。

3 落水洞水電站工程實例計算

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。以發電為主，總裝機35 MW。50年一遇設計洪水流量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5孔11 m×14.0 m（寬×高）實用堰型溢流壩，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，差動尾坎高程419.5 m，護坦高程418.0 m，消力池長30.0 m，護坦長15.0 m，消力墩高2.5m。河床允許抗沖流速4.9m/s。

3.2 閘門調度計算

落水洞水電工程布置5孔消力池，可選擇的閘門調度方式有間隔3孔起調和5孔起調兩種方式。按照前述計算方法，分別計算了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以及△Z和消能率等，結果見附表。

附表 落水洞水電站閘門調度計算成果

3孔隔開時，水躍淹沒系數為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左右或增設輔助消能工，模型中是設置梯形消力墩。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。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為波流，即水面出現不同程度的波動，相對來說3孔開啟比5孔開啟波動強烈。經計算尾坎后的流速，3 孔開啟為（6.0～7.7）m/s，規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，將會發生不同程度的河床沖刷；而5孔開啟時，尾坎后流速小于3.3m/s比允許抗沖流速小，單純以此判斷，河床不會發生沖刷，但由于水躍淹沒系數較大，不屬于自由水躍范籌，計算的水躍參數存在一定偏差，因此尾坎后實際流速要大一些，另一方面隨著單寬流量的增大，泄洪功率增大，可能會引發河床沖刷，故閘門調度計算時不能忽視這一現象。

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

4 計算與試驗比較

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

5 結 論

低壩工程泄洪主要依賴于有限的水躍流態消能，余能較大，這需要借助合理的閘門調度方式來保證水躍流態的形成和避免或減輕下游河床的沖刷，確保工程安全運行。本文給出的閘門調度分析計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，應用者要注意這一點。