枕頭壩一級水電站蓄水時的水情調度總結

侯　璐，　王 海 勝，　樊　宇

(國電大渡河枕頭壩水電建設有限公司，四川 樂山　614700)

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枕頭壩一級水電站蓄水時的水情調度總結

侯璐，王 海 勝，樊宇

(國電大渡河枕頭壩水電建設有限公司，四川 樂山614700)

摘要：介紹了枕頭壩一級水電站蓄水采用的泄洪閘閘門開度計算方法及其在蓄水中的應用實踐，分析了非天然來水情況下蓄水的特點，提出了預先對水情進行判斷，掌握蓄水量與壩前水位的關系、入庫流量與壩前水位的關系，從而實現了安全、精確蓄水。

關鍵詞：閘孔出流；蓄水量；入庫流量；水位；枕頭壩一級水電站

1工程概述

枕頭壩一級水電站位于樂山市金口河區的大渡河干流，上游為已建的深溪溝、瀑布溝水電站，下游為枕頭壩二級水電站。該工程為二等大(2)型工程，開發任務以發電為主，兼顧下游用水。水庫正常蓄水位高程624 m，相應庫容0.435億m3，死水位高程618 m，調節庫容0.145億m3，為日調節水庫。電站裝機容量720 MW，多年平均年發電量32.9億kW·h。

電站樞紐建筑物從左到右依次為左岸非溢流重力壩段、河床式廠房壩段、泄洪閘及排污閘壩段、右岸非溢流重力壩段等，最大壩高86.5 m。泄洪閘共5 孔(圖1)，單孔尺寸為8 m×16 m(寬×高)，進口底板高程585 m，閘室順水流方向長60 m；2號和3號泄洪閘之間為儲門槽壩段并布置排污閘1 孔，堰頂高程為617 m，孔口尺寸6 m×7 m(寬×高)。

電站于2015年5月1日下閘，5月7日蓄水至正常蓄水位高程624 m。

2蓄水方案

枕頭壩一級水電站擬定的蓄水方案為采用3號至5號泄洪閘工作門關閉擋水，1號、2號泄洪閘工作門同步局開下泄流量不小于327 m3/s，庫區水位從高程593 m蓄至高程624 m，將水庫水位上升速度控制在5 m/d左右，并在高程618 m(死水位)短暫停歇進行安全監測數據分析。不蓄水時段來多少流量下泄多少流量，亦通過1號、2號工作門下泄。

因此，該工程實現蓄水的主要思路為：(1)根據庫容與水位關系曲線得出當天需攔蓄的水量；(2)根據攔蓄水量、上游來水量及蓄水時段初擬下泄流量；(3)根據下泄流量擬定閘門開度。

3泄洪閘溢流的水力計算

該工程蓄水前，考慮了兩種擬定閘門開度的方法。第一種方法為查表法，即依據設計單位提供的單孔閘門溢流曲線(即水位流量開度表)，用內插法將閘門開度細化到0.1 m，蓄水時根據不同壩前水位、下泄流量查表得到閘門開度；第二種方法為公式法，即根據泄洪閘尺寸建立水力學公式，在某個壩前水位下輸入閘門開度直接得到下泄流量，根據目標下泄流量擬定閘門開度。顯然，在公式法計算準確的情況下，用公式法操作簡單、高效。該工程蓄水過程中，采用公式法擬定閘門開度，以閘門溢流曲線作參考。

3.1邊界條件

蓄水過程中，泄洪閘溢流有兩種工況，分別為堰流及閘孔出流。當閘門下緣脫離水面、閘門對水流不起控制作用時，水流從建筑物頂部自由下泄，這種水流狀態被稱為堰流；當水流受閘門控制而從溢流面與閘門下緣間的孔口流出時，這種水流狀態被稱為閘孔出流。

起蓄水時，泄洪閘溢流為堰流，閘門開度應為采用堰流計算保證下泄流量目標值的對應水頭，若通過泄洪閘的流量大于下泄流量目標值，則水在閘前壅高，從堰流工況過渡為閘孔出流工況。

3.2計算公式

3.2.1堰流工況

圖1　泄洪閘剖面圖

按照堰坎厚度δ與堰上水頭H的比值大小及水流特征，將堰流分作薄壁堰流、實用堰流及寬頂堰流三種類型。其中，當2.5<δ/H<10時為寬頂堰流。

該工程為寬頂堰流且堰孔寬度小于上游引渠寬度，為無坎寬頂堰流。下泄流量Q公式為：

式中σs為淹沒系數，根據相對淹沒度(堰頂以上的下游水深與閘前水頭的比值)的增大而減小，該工程取σs=1；m′為流量系數。該工程為圓弧型翼墻，根據(堰孔凈寬/上游渠道底寬)與(翼墻半徑/堰孔凈寬)查表可得，該工程取0.35；n為閘孔數；b為閘孔寬度；H為閘前水頭。

3.2.2閘孔出流工況

(1)理論計算。

水流經閘門約束會在閘門下游處出現水深最小的收縮斷面。收縮斷面處的水流為急流，而閘后渠道中的下游水流為緩流，水流從急流到緩流時要發生水躍。受水躍位置的影響閘孔出流分為自由出流及淹沒出流兩種。當水躍發生在收縮斷面處或收縮斷面下游時，下游水深的大小不影響閘孔出流，為閘孔自由出流，該工程為底坎為寬頂堰型閘孔自由出流，下泄流量Q公式為：

式中μ為寬頂堰型閘孔自由流的流量系數；e為閘門開度。對于弧形閘門的閘孔，流量系數μ可由以下經驗公式計算：

μ=(0.97-0.81α°/180°)-(0.56-

0.81α°/180°)e/H

上式的適用范圍：25°<α≤90°；0

0.65。

式中α按cosα=(c-e)/R計算。c為門軸高度；R為弧門半徑。

根據以上計算方法，在EXCEL中建立計算公式。以該工程為例，門軸高度c=弧門支鉸高程(605 m)-閘底板高程(585 m)=20 m，弧門半徑R=26 m，閘門寬度b=8 m，在已知壩前水位時，輸入不同閘門開度e值，可以得到閘門下泄流量(表1)。

表1　不同水位對應的單孔、雙孔下泄流量表

(2)理論計算值的修正。

蓄水過程中，考慮并對比實際下泄流量，對理論計算值進行修正，主要思路為：在一定時間內(根據庫容大小，本工程考慮大于1 h的情況)，當壩前水位維持不變，可以認為下泄流量近似等于入庫流量，將理論計算的下泄流量乘以修正系數即可得到較準確的實際下泄流量。所選取的本工程的幾個水位修正系數見表2。

表2　不同水位對應的下泄流量修正系數表

備注：低水位時，入庫流量與下泄流量相差不大，因蓄水需要，未進行下泄流量系數修正。

當得到下泄流量修正系數后，可以較準確地獲得閘門下泄流量，從而對蓄水過程進行準確調度。從表2中還可以看出，當水位到達高程612.3 m時，下泄流量的計算值與實際值已基本一致，因此，到達一定水位時，出庫流量的計算值與實際值已相差不大，其差值短時間內不足以引起庫水位的變化，在該水位以后，可直接采用下泄流量計算值。

4非天然來水情況下蓄水的特點

蓄水中，除計算下泄流量外，還需根據當天的蓄水計劃(目標蓄水位)計算蓄水量，分析蓄水量與壩前水位的關系，以達到精準蓄水的目標，特別是庫容較小的電站，蓄水量和壩前水位的關系尤為重要。該電站入庫流量非天然徑流，而是上游瀑布溝、深溪溝電站的發電下泄流量。由于瀑布溝電站承擔著四川省電網調峰，其下泄流量不均勻、變幅大，在此情況下蓄水，加之本電站庫容小，具有入庫流量瞬時波動大、瞬時出現的大流量引起壩前水位快速上漲的特點，若不對水情有提前判斷，可能會頻繁調整閘門開度而不利于安全運行，且臨近正常蓄水位時，若水位快速上漲將會引起險情。

蓄水中對水情的判斷主要明確兩點：一是蓄水量與壩前水位的關系；二是入庫流量與壩前水位的關系。

4.1入庫流量的不均勻性

枕頭壩一級水電站與上一梯級深溪溝電站之間無支流，深溪溝電站下泄流量即為枕頭壩一級水電站的入庫流量。根據蓄水期枕頭壩一級水電站入庫流量記錄，在早6點至8點、午11點至13點、晚17點至19點，上游深溪溝電站下泄流量較大，其他時段下泄流量基本只能保證生態下泄流量及一定富余度，而且下泄流量的變幅大，上游深溪溝電站每增加一臺機組發電，下泄流量增加約160 m3/s，蓄水期間入庫流量在327～1 000 m3/s之間。

4.2蓄水量與壩前水位之間的關系

為了對每天的蓄水量提早判斷，本工程在蓄水過程中對庫容-水位曲線進行了復核。庫容-水位曲線為原始地形測量數據，受測量精度及庫區淤積等影響，設計庫容一般較實際偏大。庫容-水位曲線復核的思路：蓄水中，不考慮迴水因素。假設庫區水面為平面，某一時段內的壩前水位差即對應該時段的蓄水量。圖2所示為死水位以上根據蓄水量計算的庫容與設計庫容的比較情況，圖2所示，蓄水量大約占設計庫容的75%，只有掌握了蓄水量的大致數據，方可估算出每天蓄水目標需攔蓄的水量，特別是臨近正常蓄水位時需攔蓄的水量，對安全、精確蓄水具有重要作用。

4.3入庫流量與壩前水位之間的關系

上述提到的蓄水量與壩前水位之間的關系忽略了庫區迴水因素，且某一較大流量從入庫到壩前需要一定的時間，在下泄流量較小的情況下，還會在壩前壅高，因此，較大的入庫流量也是壩前水位的影響因素之一。

圖2　不同水位設計庫容、蓄水量對應庫容示意圖

瞬間出現的較大入庫流量在庫區的行進類似某河段中的洪水波運動，其到達壩前的流量可參照相應水位(流量)法，即根據河段洪水波運動和變形規律，利用河段上斷面的實測水位(流量)預報河段下斷面未來水位(流量)的方法。其基本原理如圖3所示。例如上游點2洪峰水位經過河段傳播時間τ，在下游站點2＇的洪峰水位就是同位相的水位，處于同一位相點上下站的流量成為相應流量。將其引用到本工程中，上段面的實測流量即深溪溝電站出庫流量(或本電站入庫流量)，下斷面未來流量即為本電站壩前流量。

用相應水位(流量)法預測本電站壩前流量主要有兩個不確定因素：(1)不同流量在河段中的傳播時間τ是變化的；(2)庫區對流量有一定的坦化作用。筆者就這兩個不確定因素的變化規律進行了以下說明。

4.3.1不同流量在河段傳播時間的變化規律

枕頭壩一級水電站壩址距離上游深溪溝電站25 km，在起蓄水位(高程593 m)，小流量在河段傳播的時間τ大約為100 min。隨著庫水位的上升，流量在河段傳播的時間逐漸縮短且隨著流量增大傳播的時間縮短。水位到達高程623 m、超過600 m3/s的大流量反應到壩前的傳播時間τ大約為30 min。

圖3　上、下游斷面相應水位過程線圖

4.3.2庫區對流量的坦化作用

當形成一定的庫容以后，瞬間出現的大流量引起壩前水位快速上升的效應會有一定的減弱。這是因為隨著庫水位的上升，河面逐漸寬闊，過流面積增大，水流擴散，流速減緩。

綜上所述，在本工程實際蓄水過程中，反映出蓄水量和瞬間大流量值對壩前水位影響較大，特別是庫區水位較高后，瞬間的大流量會立刻引起壩前水位的快速上升，且水位上升會持續到該大流量傳播結束。

5結語

(1)該工程在蓄水過程中，根據泄洪閘基礎參數建立了水力學公式，并根據庫水位平衡在不同水位時對公式進行了校核。采用該方法初擬了閘門開度，在某個壩前水位下，輸入閘門開度能夠直接得到下泄流量，操作簡單，計算結果較準確，可在其它電站蓄水時采用。

(2)該電站的蓄水是在上游非天然來水情況下進行的，入庫流量瞬時變化大。蓄水中，通過分析不同時段入庫流量變化、蓄水量、入庫流量與壩前水位的關系，實現了閘門的科學、合理調度。特別是蓄水位接近設計正常蓄水位時，在入庫流量迅速增加的情況下，準確判斷了水位上升趨勢，最終水位緩慢達到正常蓄水位，未造成下泄流量大幅波動，實現了安全、精確蓄水。

侯璐(1987-)，女，四川仁壽人，副處長，工程師，學士，從事水電工程建設技術與管理工作；

王海勝(1978-)，男，河南新鄉人，工程師，碩士，從事水電工程建設技術與管理工作；

樊宇(1967-)，男，陜西西安人，總工程師，高級工程師，從事水電工程技術與建設管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-15

文章編號:1001-2184(2015)06-0085-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;[TV-9]；TV737

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