土谷塘航电枢纽泄水闸弧门开启方式研究

甘茂辉 贺柏武

（湖南湘江航运建设开发有限公司长沙市410011）

土谷塘航电枢纽工程主要建筑物从左至右依次为鱼道、电站4台机组、1孔排污闸、17孔泄水闸及1 000 t级船闸，总宽度为722 m。泄水闸采用钢质弧门，水库正常蓄水位为58.0 m，电站单机引用流量398 m3/s。枢纽水库调度方式为：入库流量Q≤1 600 m3/s时，泄水闸关闭，电站发电；入库流量Q≥4 700 m3/s时，泄水闸全部开启，电站停止发电；入库流量1 600 m3/s＜Q＜4 700 m3/s时，枢纽上游库区为正常蓄水位58.0 m，电站4台机组满负荷发电，泄水闸弧门逐步开启，由于弧门开启方式不同，会使枢纽下游的流场和电站尾水水位有所不同，进而影响船闸下游口门区及连接段的通航水流条件和电站发电。

下面通过试验选取Q=2 560 m3/s、3 600 m3/s、4 700 m3/s三级典型流量，研究不同的泄水闸弧门开启方式对船闸通航水流条件和电站发电的影响，从而优选出最佳的弧门开启方式。

1 Q=2 560 m3/s，电站引流量1 600 m3/s，泄水闸过流量960 m3/s时的开启方式

（1）开启方式一：开启靠近电站侧的3#、5#、7#弧门。

泄水闸下泄水流与电站出流汇合顺主河槽而下，并在右侧泄水闸下游形成大范围椭圆形顺时针回流区。水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，在下游口门区内形成一条纵向水流与回流的斜向交界带，堤头下游（0～100）m左侧三角形区域为斜流区，右侧三角形区域为回流区，左侧航道内水流与航线的偏角一般在10°～20°，横流流速一般在（0.1～0.2）m/s之间，最大为0.27 m/s，右侧航道内最大回流流速0.15 m/s；堤头下（150～400）m口门区航道内，水流流速一般在（0.4～1.3）m/s之间，最大为1.36 m/s，航道横断面流速从左至右递减，水流与航线偏角一般在5°～15°，横流流速一般在0.2 m/s以内，最大为0.24 m/s；堤头400 m以下连接段航道内水流流速在（0.85～1.31）m/s之间，水流与航线的偏角一般在7°以内，横流流速一般在0.15 m/s以内，最大为0.2 m/s。试验测得电站尾水位为52.51 m。

（2）开启方式二：开启靠近河道中间的8#、10#、12#弧门。

泄水闸下泄水流分别在左侧泄水闸下游形成一逆时针三角形回流区和右侧泄水闸下游形成一顺时针椭圆形回流区。水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，堤头下游（0～100）m左侧三角形区域为斜流区，右侧三角形区域为回流区，左侧航道内水流与航线的偏角一般在20°～40°，横流流速一般在0.25 m/s以内，最大为0.3 m/s，右侧航道内最大回流流速0.33 m/s；堤头下（150～400）m口门区航道内，水流流速一般在（0.4～1.3）m/s之间，最大为1.34 m/s，航道横断面流速从左至右递减，水流与航线偏角一般在5°～16°，横流流速一般在0.22 m/s以内，最大为0.28 m/s；堤头400 m以下连接段航道内水流流速在（0.89～1.27）m/s之间，水流与航线的偏角一般在8°以内，横流流速一般在0.15 m/s以内，最大为0.2 m/s。试验测得电站尾水位为52.48 m。

（3）开启方式三：开启靠近船闸侧的11#、13#、15#弧门。

堤头上游（0～150）m口门区航道内，受航道内静水顶托和导流堤挑流，左侧三角形区域内水流与航线偏角稍大，一般在10°～16°，各级流量下左向横流最大为0.23 m/s，满足规范限值要求；右侧三角形区域为顺时针回流区。堤头200 m以上口门区及连接段航道内水流平顺，各级流量下水流与航线的偏角一般在6°以内，左向横流均在0.17 m/s以内，纵向流速约0.6 m/s。试验测得电站尾水位为52.43 m。

2 Q=3 600 m3/s，电站引流量1 600 m3/s，泄水闸过流量2 000 m3/s时的开启方式

（1）开启方式一：开启靠近电站侧的1#～7#弧门。

泄水闸下泄水流与电站出流汇合顺主河槽而下，在右侧泄水闸下游形成一长约600 m、宽约200 m的椭圆形顺时针回流区。水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，在堤头下游（0～100）m航道内，水流与航线的夹角较大，左侧航道内水流偏角一般在40°～70°，右侧航道内水流偏角一般在10°～40°，但由于斜流流速较小，航道内右向横流并不大，一般在0.15 m/s以内，最大为0.23 m/s；堤头下（150～700）m口门区及连接段航道内，水流流速一般在（0.4～1.4）m/s之间，最大为1.49 m/s，航道横断面流速从左至右递减，水流与航线偏角一般在5°～20°，左侧航道内横流流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大为0.29 m/s，右侧航道内横流一般在0.15 m/s以内，最大为0.2 m/s；堤头750 m以下连接段航道内水流流速在（1.15～1.45）m/s之间，水流与航线的偏角一般在4°以内，横流流速均在0.1 m/s以内。试验测得电站尾水位为53.77 m。

（2）开启方式二：开启靠近河道中间的6#～12#弧门。

泄水闸下泄水流分别在其左侧和右侧泄水闸下游形成一小范围回流区，水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，在下游口门区内形成一条纵向水流与回流的斜向交界带，堤头下游（0～250）m左侧三角形区域为斜流区，右侧三角形区域为回流区，左侧航道内水流与航线的偏角一般在8°～15°，横流流速一般在0.2 m/s以内，最大为0.26 m/s，右侧航道内最大回流流速0.28 m/s；堤头下（300～650）m口门区及连接段航道内，水流流速一般在（0.5～1.8）m/s之间，最大为1.88 m/s，航道横断面流速从左至右递减，水流与航线偏角一般在5°～12°，横流流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大为0.28 m/s；堤头700 m以下连接段航道内水流流速在（1.32～1.58）m/s之间，水流与航线的偏角一般在5°以内，横流流速均在0.13 m/s以内。试验测得电站尾水位为53.71 m。

（3）开启方式三：开启靠近船闸侧的11#～17#弧门。

堤头上游（0～150）m口门区航道内，受航道内静水顶托和导流堤挑流，左侧三角形区域内水流与航线偏角稍大，一般在10°～16°，各级流量下左向横流最大为0.23 m/s，满足规范限值要求；右侧三角形区域为顺时针回流区。堤头200 m以上口门区及连接段航道内水流平顺，各级流量下水流与航线的偏角一般在6°以内，左向横流均在0.17 m/s以内，纵向流速约0.8 m/s。试验测得电站尾水位为53.68 m。

（4）开启方式四：泄水闸从左至右依次局部开启第3、5、7、9、12、14、16共7孔弧门。

堤头下（0～250）m口门区左侧三角形区域为斜流区，右侧三角形区域为回流区，右向水流与航线的偏角在5°～12°，横向流速一般在0.2 m/s以内，最大为0.25 m/s，回流区内最大回流流速为0.29m/s；堤头下（300～700）m航道内，水流流速一般在（0.5～1.8）m/s之间，最大为1.83 m/s，航道横断面流速从左至右递减，指向右岸的水流偏角一般在5°～12°，横向流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大为0.28 m/s；堤头750 m以下连接段航道内水流流速在（1.34～1.73）m/s之间，水流偏角一般在5°以内，最大横流为0.18 m/s。试验测得电站尾水位为53.72 m。

3 Q=4 700 m3/s，电站引流量1 600 m3/s，泄水闸过流量3 100 m3/s时的开启方式

（1）开启方式一：开启靠近电站侧的1#～10#弧门。

泄水闸下泄水流与电站出流汇合顺主河槽而下，在右侧泄水闸下游形成一长约450 m、宽约150 m的椭圆形顺时针回流区。水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，在堤头下游（0～100）m航道内，水流以向右15°偏角斜流进入航道内，并在右侧航道内形成小范围回流区，右向横流一般在0.2 m/s以内，最大为0.25 m/s；堤头下（150～350）m口门区航道内，水流流速一般在（0.5～1.4）m/s之间，最大为1.46 m/s，航道横断面流速从左至右递减，水流与航线偏角一般在10°～20°，横流流速一般在（0.1～0.25）m/s，最大为0.3 m/s；堤头下（400～650）m航道内，水流流速在（0.8～1.57）m/s之间，指向右岸的水流偏角一般在4°～9°，横向流速在（0.1～0.21）m/s之间；堤头700 m以下连接段航道内水流流速在（1.16～1.58）m/s之间，水流偏角一般在4°以内，最大横流为0.18 m/s。试验测得电站尾水位为54.94 m。

（2）开启方式二：开启5#、7#、9#、11#～17#共10孔弧门。

由于开启闸孔靠近船闸侧，堤头上游（0～150）m口门区航道内，受航道内静水顶托和导流堤挑流，左侧三角形区域内水流与航线偏角稍大，一般在10°～16°，各级流量下左向横流最大为0.23 m/s，满足规范限值要求；右侧三角形区域为顺时针回流区。堤头200 m以上口门区及连接段航道内水流平顺，各级流量下水流与航线的偏角一般在6°以内，左向横流均在0.17 m/s以内，纵向流速约1.1 m/s。试验测得电站尾水位为54.91 m。

（3）开启方式三：开启靠近船闸侧的8#～17#弧门。

在电站出流与右侧泄水闸下泄水流的共同作用下，左侧未开启的泄水闸下游为涡流区。水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，堤头下（0～250）m口门区左侧三角形区域为斜流区，右侧三角形区域为回流区，右向水流与航线的偏角在6°～12°，横向流速一般在0.15 m/s以内，最大为0.22 m/s，回流区内最大回流流速为0.25 m/s；堤头下（300～700）m航道内，水流流速一般在（0.5～1.9）m/s之间，最大为1.98 m/s，航道横断面流速从左至右递减，指向右岸的水流偏角一般在5°～11°，横向流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大为0.3 m/s；堤头750 m以下连接段航道内水流流速在（1.37～1.84）m/s之间，水流偏角一般在4°以内，最大横流为0.15 m/s。试验测得电站尾水位为54.88 m。

（4）开启方式四：隔一开一开启1#、3#、5#、7#、9#、10#、11#、13#、15#、17#弧门。

水流过下游导流堤堤头后向右逐渐扩散，堤头下（0～250）m口门区左侧三角形区域为斜流区，右侧三角形区域为回流区，右向水流与航线的偏角在5°～10°，横向流速一般在0.15 m/s以内，最大为0.2 m/s，回流区内最大回流流速为0.15 m/s；堤头下（300～650）m航道内，水流流速一般在（0.4～1.8）m/s之间，最大为1.9 m/s，航道横断面流速从左至右递减，指向右岸的水流偏角一般在4°～10°，横向流速一般在（0.15～0.24）m/s，最大为0.26 m/s；堤头700 m以下连接段航道内水流流速在（1.31～1.69）m/s之间，水流偏角一般在4°以内，最大横流为0.11 m/s。试验测得电站尾水位为54.97 m。

4 结论

不同的泄水闸弧门开启方式对船闸通航影响较小，各级典型流量下，无论采取哪种弧门开启方式，船闸下游引航道口门区及连接段通航水流条件均能满足要求。若采用首先开启靠近电站侧弧门的方式能有效减小下游航道内的水流流速，但增加了水流与航线的夹角；若采用首先开启靠近船闸侧弧门的方式，虽然增加了下游航道内的水流流速，但由于水流与下游航线的夹角不大，航道内横流亦不大，能够满足规范限值要求。

不同的泄水闸弧门开启方式对电站尾水位影响较大，入库流量Q=2 560 m3/s和Q=3 600 m3/s时，优先开启靠近船闸侧弧门的方式时电站尾水位为52.43 m和53.68 m，较优先开启靠近电站侧弧门的方式时低0.08 m和0.09 m，较优先开启靠近河道中间的弧门时尾水位低0.05 m和0.03 m；入库流量Q=4 700 m3/s时，优先开启靠近船闸侧弧门的方式时电站尾水位为54.88 m，较优先开启靠近电站侧弧门的调式时低0.06 m，较泄水闸隔一开一时低0.03 m。

综上，在满足船闸通航水流条件的前提下，从电站发电效益考虑，应优先开启靠近船闸侧的泄水闸弧门。