陸渾灌區渠首閘分水計算方法研究

齊潤利，韓明海，費海宇，李學軍

（河南省陸渾水庫管理局，河南 洛陽 471003）

1 水庫和灌區基情

陸渾水庫位于黃河二級支流伊河中游的嵩縣境內，壩址坐落于河南省洛陽市嵩縣陸渾鎮陸渾村西南的峽谷中，陸渾峽谷古稱陸渾關，故陸渾水庫因此得名。水庫總庫容13.20 億m3，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、城市供水和旅游等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程，同時亦是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。

陸渾灌區位于伏牛山北麓，嵩山、熊耳山谷地，跨黃河、淮河兩個流域。灌區西從陸渾水庫飲水，東至滎陽的汜水河、南到汝河北岸、北達伊洛河南岸。灌區于1970年2月開始動工興建，規劃總控制灌溉面積12萬hm2，其中新發展灌溉面積8.93萬hm2，改善灌溉面積3.07萬hm2，設計保證率78%；整個灌區規劃工程包括總干渠、東一干渠、東二干渠、西干渠、灘渠五條干渠，總長377 km，渠系建筑物1 100多座。灌區覆蓋（縣）市有：嵩縣、伊川縣、汝陽縣、偃師區、鞏義市、滎陽市、汝州市，惠及沿渠廣袤地域的42個鄉鎮、470個行政村151萬人口。

2 灌區渠首段基情

灌區渠首段蜿蜒盤繞在右壩肩山腰，系陸渾灌區總干渠（全長44.40 km）的起始部分，位于水庫溢洪道和輸水洞之間，處于水庫工程管理范圍內，日常運行維護由水庫管理處負責。渠首段上部連接灌溉洞工作門出口消力池和灌溉洞電站尾水出口，渠道原為漿砌石護砌，2004年陸渾水庫除險加固工程期間，將該段全部采用150 mm厚鋼筋混凝土襯砌加固，不僅解決了渠首段嚴重的滲漏問題，同時改善和優化了渠道糙率、流速和流態。加固后渠首斷面型式仍保留為梯形，底部寬13.50 m，上口寬度17.80 m，渠深4.30 m，渠底高程為292.34～292.49 m，設計輸水流量為77 m3/s；渠首段總長度320.50 m，其中閘前彎曲段（K0+074.50～K0+235）長160.50 m，閘后至“東方紅一號渡槽”直線段（K0+245～K0+395）長度為150 m，閘室段（K0+235～K0+245）長度10 m；在彎曲段和直線段銜接部位分別設置2孔節制閘和2孔退水閘，整體稱謂渠首閘，其主要功能是分配節制渠道水位、流量和緊急情況下渠道快速退水，并兼顧在水庫遭遇百年一遇洪水時按照批復的汛期調度運用計劃，灌溉洞參加泄洪向伊河主河道泄水的重要任務，故渠首閘在水庫興利調度和防洪調度方面作用極為重要。

3 渠首閘分水計算方法

3.1 后汛期預泄調度過程

2017 年9 月25 日至10 月6 日，伊河流域出現“華西秋雨”天氣，水庫上游欒川、嵩縣縣域普降中到大雨，平均降雨量33.10 mm，雖以穩定性降水為主但持續時間較長，最大入庫流量達428 m3/s，壩前水位由314.08 m快速漲至317.46 m，11 d上漲3.38 m，漲幅為30.70 cm/d。依據黃河防總辦批準的陸渾水庫汛期調度運用計劃，由于正值后汛期（9月1日～10月31日），要求不得超限運行，必須控制壩前水位不得超過317.50 m。基于此，陸渾水庫防汛指揮部辦公室組織技術人員，經綜合會商和研判后期雨水情及未來一周天氣情況后，報經黃河防總辦同意和省防辦批準，決定采用開啟壩后2座電站6臺機組，以最大發電流量（55 m3/s）預泄水騰庫容的措施降低壩前水位。

2017年10月6日10時，水庫壩前水位超過317.50 m，陸渾水庫防汛指揮部辦公室電話應急請示黃河防總辦和省防辦，輸水洞電站3臺機組率先開機滿負荷發電泄水；18時預泄水請示公文傳至黃河防總辦和省防辦；10月7日10時，省防辦明傳電報批復陸防辦預泄水請示，同意輸水洞、灌溉洞電站全部開機滿負荷發電預泄擴容；10月7日15時，經與國網嵩縣供電公司電力調度中心商議，灌溉洞電站3 臺機組全開滿負荷發電泄水。至此，陸渾水庫首次實現自2015年完成電站機組“增效擴容”后6臺機組全開滿負荷發電。

3.2 棄用分水計算方法

3.2.1 渠首閘位置特性

陸渾灌區渠首節制閘和退水閘居于水庫大壩右壩肩下游300 m處，兩閘呈“＜”型單體布設但緊密相連，互相配合，兩閘總寬均為15 m（包括中墩），每閘設兩孔，閘孔凈寬均為6.70 m。根據穩定、構造和運用需要，節制閘設計為胸墻式，閘室長度為10 m；泄洪閘設計為敞開式，閘室長度為8 m（下接泄洪陡槽），四扇閘門均采用2-6.70 m×5 m 鋼質平板閘門和2×15 t 固定式卷揚啟閉機啟閉。

陸渾灌區渠首閘系灌區總干渠起始控制的最高點，閘室位置基本處于灌溉洞電站和東方紅一號渡槽兩類水工建筑物的中間部位，且位于曲線段和直線段銜接部位，位置十分獨特，屬興利除弊的上乘設計。曲線段中心半徑115 m，圓心角80 度，灌溉洞發電尾水水流中間線與退水閘泄流中心線夾角為165.49 度，接近180 度平直方向，這樣設計有利于灌溉洞參與泄洪時暢泄；直線段節制閘水流中線與閘前曲線段水流中線夾角為145.27度，這樣設計的利好在于可有效抑制或延緩渠道流速，降低沖蝕便于施測，且有利于渠道長時間、大流量、低流速安全輸水。

3.2.2 渠首閘分水計算

陸渾灌區總干渠（含渠首閘）于1970年2月開工興建，查閱有關文獻資料，僅退水閘西孔有閘門開度計算公式，而東孔則沒有。根據經驗，正常情況下，節制閘與退水閘閘門全部開啟，灌溉洞電站發電尾水流經兩個閘門，節制閘過流約1/3，退水閘過流約為2/3，由于當時操作規范尚不健全，在實際調度執行過程中，僅使用退水閘西孔控制渠道流量，此種單孔運行方式對閘室結構受力平衡不利，且存在較大誤差。

2017年10月7日17時37分，水庫防汛值班接上級調度指令，下游電廠需補水，要求渠道內保持10 m3/s 輸水，其余全部退入河道。根據渠首退水閘特性，調度技術人員經綜合會商，決定采用“全開節制閘，控制退水閘”的方案實施分水。在分水調度計算中，退水閘門開度是關鍵重點，退水閘門開度最終確定采取“雙扇閘門開啟，東孔參照西孔”的計算方案。如下10月7日調度計算實例：

根據《陸渾水庫調度規程》（2020版）第五章：發電調度、發電流量計算辦法、退水閘泄流計算辦法之規定，按下列公式計算：①灌溉洞電站尾流：Q總=（有功負荷+600）（/庫水位-292.70-渠道水深）/9.80=（5000+2*600）（/317.7-292.7-2.7）/9.80=28.30 m3/s；②渠道輸水流量10 m3/s，則退水閘Q退=Q總-Q干渠=18.30 m3/s；③因發電尾水多于灌溉輸水量，渠道不需太多流量，故開啟退水閘門進行分流，在節制閘全開，東孔退水閘全關時，則退水閘西孔泄流公式為：Q退=Q總-Q干渠=4.355e，其中e為閘門開度，采用試算法假設開度計算流量，然后與要求流量比對，計算結果最接近的值對應的e即為閘門開度。

假設e=0.50 m,試算反推退水閘西孔Q退=7.90 m3/s，東孔參照西孔，Q總退=15.80 m3/s；假設e=0.60 m,試算反推退水閘西孔Q退=9.00 m3/s，東孔參照西孔，Q總退=18.00 m3/s。

根據上述計算結果，采取“雙扇閘門開啟，東孔參照西孔”的原則，退水閘東孔、西孔同時開啟0.60 m退水，經陸渾水文站10月8日上午實測，渠道（東方紅渡槽標準斷面）實際輸水流量為8.60 m3/s，實際退入河道（陸渾三斷面）流量19.50 m3/s。

4 結語

上述計算辦法和調度方案偏于保守和安全，輸水誤差在15%左右，本次補水3 d，時間短、流量小，水量損失相對不大；對于長時間、大流量輸水，則水量損失、運行成本將成倍增加，這是不經濟、不劃算的。分析原因，退水閘東、西孔位置特性不同，若以退水閘控制渠道流量，兩孔開度相同，則總退水流量會較大，輸水流量會減小。下一步，以上述原則和計算辦法為前提，通過多次開度測試和實測比對，得出東、西孔閘門同時開啟時開度的比例和修正系數，做出科學、合理和精準的分水計算方案。