石佛寺水庫防洪檢修閘門調度運行方案可行性分析

楊麗娜，高 杰

（1.遼寧省水利工程技術審核與造價管理中心，遼寧沈陽110003；2.寬甸縣水利局，遼寧寬甸118200）

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石佛寺水庫防洪檢修閘門調度運行方案可行性分析

楊麗娜1，高 杰2

（1.遼寧省水利工程技術審核與造價管理中心，遼寧沈陽110003；2.寬甸縣水利局，遼寧寬甸118200）

摘要：為減少小流量對閘門啟閉設備的影響，本文從石佛寺水庫防洪檢修閘門的過流能力及實測入庫過程兩方面分析防洪檢修閘門參與小流量調度運行的可行性，從分析成果及實際運行效果上看，調度運行方案是可行的。

關鍵詞：石佛寺水庫；防洪檢修閘門；調度運行

1　工程概況

石佛寺水庫位于沈陽市新城子區黃家鄉和法庫縣依牛堡鄉，是遼河干流唯一的一座控制性工程。壩址以上流域面積164786km2。總庫容1.85億m3，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為300年一遇。工程的主要任務是防洪。當入庫流量小于5500m3/s時，閘門敞泄，空庫運行；發生超過下游堤防允許流量5500 m3/s的洪水時，水庫控制放流，使其不超過下游堤防安全流量5500 m3/s；當水庫遭遇100年一遇以上設計洪水和庫水位超過設計洪水位時，水庫控制其泄量不大于最大入庫洪峰流量。泄洪閘共16孔，其中一期工程13孔參與水庫控制放流，3孔關閉或封堵運用。

2　水庫蓄水調度運行方式

為充分發揮水庫作用，改善生態環境，水庫2009年開始蓄水運行，種植荷花等水生植物。結合水庫已征土地范圍及對周邊設施及浸沒影響分析確定水庫正常蓄水位46.2m。水庫蓄水基本運用方式為：汛期空庫迎洪，非汛期蓄水，具體見表1。

表1　石佛寺水庫蓄水運行方式

由于該一期工程的主要作用是防洪，因此，在一期工程建設期間未考慮設置檢修閘門，利用非汛期對閘門進行檢修。水庫生態蓄水運行后，為保證水庫防洪安全，需要設置檢修閘門。同時，由于蓄水后為控制水庫水位，需頻繁開啟閘門，導致閘門產生振動，致使閘門水封、啟閉設備使用年限減少，運行管理維護費用增加。為此，2010年，利用現狀泄洪閘檢修門槽和預留的啟閉設備基礎，將泄洪閘16孔中的3孔增設防洪檢修疊梁閘，形成開敞式溢流堰。綜合考慮冬季作為過水堰調節流量及閘門剛度及結構要求，鋼疊梁設計分為3節，高度分別為1.5m、2.45m、2.45m，根據需要可組成3.95m、4.9m和6.4m的擋水高度。

3　防洪檢修閘門調度運行方案

由于水庫入庫流量的不確定性，而且差別較大，要控制水庫蓄水高程，對開敞式溢流堰必須采用不同的高度，調節出口流量，以保持水庫水位高程的基本穩定。石佛寺水庫目前可每天同步接收到上游水文站鐵嶺站及下游馬虎山站的水文資料，通過預報和疊梁堰頂高程的實時調度，可以對水庫水位進行有效控制。由于不同時段來水過程不同，采用冬季、春季、汛前期、汛期和汛后期等時段分別考慮調度方式。依據鐵嶺站及馬虎山站的實測流量，水庫常遇水情的基本運行方式見表2。

表2　石佛寺水庫蓄水閘門運行方式

4　調度運行方案可行性分析

防洪檢修閘門調度與天然來水過程有關，又與檢修閘門的泄流能力有關。兩者匹配方案才可行。因此，從不同鋼疊梁閘門方案的泄流能力及水庫的來水過程兩方面進行分析。

4.1 鋼疊梁溢流堰泄流能力分析

按一個閘孔寬12.5m的計算過流能力，堰上水頭按10cm累加計算，在這一過程中就會分別出現寬頂堰流流態、實用堰流流態和薄壁堰流流態，分別計算出各種情況下的泄量。

堰流流態與堰頂形狀和堰頂厚度有關：

當 δ/H＜0.67為薄壁堰

0.67＜δ/H＜2.5為實用堰

2.5＜δ/H＜10為寬頂堰

其中：δ—堰頂厚度，為0.5m；H—堰上水頭。

（1）寬頂堰和實用堰流的泄流公式計算（當H ＜0.75m時）：

式（1）中：Q—流量，m/s；

b—溢流堰凈寬；

H0—計入行進流速水頭的堰上總水頭；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

m—流量系數；

σc—閘墩側收縮系數；

σs—淹沒系數；

（2）薄壁堰的泄流公式計算（當H＞0.75m時）：

式中：Ce—流量系數；

he—有效堰頂水頭；

h—實測堰面水頭；

p—堰高，m。

具體計算結果見表3：

表3　石佛寺水庫不同鋼疊梁組合閘門方案堰上水頭與泄量關系

由表3可知，4.9m高閘門方案庫水位在46.0 -46.5m變動情況下，可調節流量在0.62 m3/s至38.37 m3/s之間；3.95m高閘門方案庫水位在46.0 -46.5m變動情況下，可調節流量在24.65 m3/s至134.3m3/s之間。由此可見，三孔鋼疊梁閘門不同組合方案可滿足流量0.62 m3/s至134.3 m3/s。

4.2 水庫入庫流量過程分析

石佛寺水庫入庫流量分析采用馬虎山水文站作為參證站。馬虎山站2001～2009年日平均流量非汛期頻率成果見圖1。

圖1　馬虎山水文站2001 ~2009年實測日流量頻率圖

4.3 防洪檢修閘門調度方案可行性分析

冬季——11月15號～3月14號，馬虎山站實測最大來流量為51.1m3/s，最小來流量為1.54 m3/s，日均來流量為9.00 m3/s。石佛寺水庫的目標蓄水位為46.0～46.2m，按表2運行方式，3孔堰頂高程45.9m，3孔鋼疊梁堰泄流能力在1.86～13.62m3/s之間，實測過程中16.9%及以上頻率來水均可正常過流。考慮到冬季農作物已收割，水面結冰，無風浪對水位的影響，若水庫蓄水至46.3m，則三孔鋼疊梁堰的泄流能力可增至20.94m3/s，則基本可以滿足實測過程中94.37%來水的過流要求。

3月15號～4月30號，石佛寺水庫的目標蓄水位46.2m，仍采用3孔堰頂高程45.9m，3孔鋼疊梁堰在水位46.0～46.3之間的泄流能力為1.86～20.94m3/s，可滿足實測過程中65.09%來水的過流要求。當來流量繼續增大的時候，可開啟1孔大閘門進行調節。

5月為我省水田泡田期，清河水庫、柴河水庫、南城子水庫將通過河道放水，滿足下游盤錦和營口地區的農田用水需求。此段時間內，馬虎山站實測最大來流量為274.0m3/s，最小來流量為0.16m3/s，日均來流量為70.03 m3/s。此時石佛寺水庫的目標蓄水位46.2m，考慮到上游水庫放水流量增大因素，5月份采用3孔堰頂高程44.95m，堰頂高程較冬季降低0.95m，以增加泄流量。3孔鋼疊梁堰在水位46.0～46.2之間的泄流能力為24.65 ～108.62m3/s，可滿足實測過程中72.14%來水的過流要求。當來流量繼續增大的時候，可開啟1孔大閘門進行調節。

6月份及9月11號至11月14鐵嶺站來水過程與5月份相近，采用與5月份相同的調度方式基本是可行的。

7月1號至9月10號，分正常期和洪水期兩種情況，正常期，來水量小于110 m3/s，通過3孔疊梁堰調節，其余時間通過13孔大閘門中的部分閘門調節，滿足蓄水位46.2m；非常期來洪水時（來水量小于300 m3/s），疊梁堰處3孔大閘門關閉，通過其余13孔大閘門調度運行。

由此可見，按照表2調度運行方式及2001 -2009年馬虎山站實測日均流量過程，3孔45.9m方案，冬季在不啟動閘門情況下基本可以保證冬季水庫蓄水水位要求。其余時間段的非洪水期，在3孔疊梁堰調節調節的同時，根據來流量情況增加1孔大閘門調節，可以滿足水庫蓄水水位要求，水庫閘門調度運行方案是可行的。

由于水庫來水不確定性非常大，對于5月1日至11月14日期間，也可根據上游來水量通過疊梁堰調節小于110 m3/s水位。當來流量小于4.54m3/ s時，只開啟一孔閘門，采用兩個2.45m高鋼疊梁，閘門頂高程為45.9m；當來流量大于4.54m3/s且小于9.08m3/s時，開啟2孔閘門，每孔采用兩個2.45m高鋼疊梁，閘門頂高程為45.9m；當來流量大于9.08m3/s且小于13.62m3/s時，開啟3孔閘門，每孔采用兩個2.45m高鋼疊梁，閘門頂高程為45.9m；當來流量大于13.62m3/s且小于32.18m3/s時，開啟1孔閘門，采用2.45m和1.5m高鋼疊梁各一個，閘門頂高程為44.95m；當來流量大于32.18m3/s且小于64.36m3/s時，開啟2孔閘門，每孔采用2.45m和1.5m高鋼疊梁各一個，閘門頂高程為44.95m；當來流量大于64.36m3/s且小于110.0m3/s時，開啟3孔閘門，每孔采用2.45m和1.5m高鋼疊梁各一個，閘門頂高程為44.95m，具體見表4。總之，本著簡單方便，操控靈活的原則，根據疊梁堰泄流曲線和水庫來水實際情況，水庫在實際運行中可充分利用大閘門和疊梁堰各自的優勢，優化非冬季期間的調度運用方案。

通過以上分析，利用3扇檢修閘門的疊梁組成的三孔疊梁堰，在水庫蓄水位滿足46.2m的要求下，在水庫最常遇來水（110m3/s以下）時，基本可以避免大閘門的啟閉，特別是冬季，解決大閘門操作困難的難題，而且操作簡單可行，運行管理方便。當遇到極特殊情況時，可通過操作大閘門，或疊梁堰和大閘門聯合控制，保證水庫植物越冬和水庫度汛的安全。綜合分析，利用3扇檢修閘門的鋼疊梁組成的3孔疊梁堰，通過不同的組合，能滿足石佛寺水庫蓄水調度運行要求，其調度方案是合理可行的。

表4　石佛寺水庫防洪檢修閘門非冬季正常期運行方式

5　結論與建議

石佛寺水庫鋼疊梁檢修閘門工程建成后經2013、2014和2015年實際運行，效果良好，滿足了小流量時不啟動大閘門的蓄水要求。實踐證明，防洪檢修閘門的調度運行方案是可行的。石佛寺水庫在46.0m至46.2m之間有80萬m3的可調蓄庫容，建議根據石佛寺水庫蓄水后的實測來水過程，進一步分析庫容調蓄對閘門調度的影響，優化閘門運行方式，減少閘門變動次數。

參考文獻

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作者簡介：楊麗娜（1979年—），女，高級工程師。

收稿日期：2016-01-08

中圖分類號：TV697.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0080-03

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.030