实例谈水电站水闸闸门改造设计

□ 罗景弘

底流式消能工程一般比较常见于低水头水闸结构，我们在进行该型式消力池设计时，确定消力池尺寸的控制条件情况是比较复杂的，它与水闸上、下水位差，过闸单宽流量、下游水深、闸门开启方式，闸门开启速度和下游水位能否迅速抬高等因素有关，还与启闭机的选择有关。如果我们能设计一种合理的、简便易操作的闸门操作型式，则有可能大大节省消能工程的工程量。

某水电站闸坝为该电站的主要挡、泄水建筑物，闸坝设有15孔闸孔，单孔净宽12m，正常工作水头为6.5m，水头6.10m， 堰面是宽顶堰型式，在闸门全部打开或闸门开度超过e/H=0.65时， 水流呈宽顶堰型式过流， 在闸门相对开度为e/H=0.65时，水流呈闸孔出流型式。原设计采用4台移动式启闭机控制水闸调度。

由于该枢纽是低水头工程，且堰顶高程较低( 河床平均高程为7.78m，堰顶高程为8.20m)， 当上游水位为正常蓄水位△14.5m时，闸门在任何开度下控泄流量，下游水深都不具备形成面流的条件。因此，闸坝确定选用底流消能的方式。

闸坝的运行方式必须满足整个枢纽的运行条件。根据分析，有如下四种情况:

（一）当天然来水小于机组引用发电流量时， 全部来水用于发电，闸坝闸门不开启。

（二）当天然来水超过引用发电流量时， 多余部分由闸坝宣泄。

（三）当天然流量大于1 000m3/s时，停止发电，闸门全开泄洪。

（四）当电站可能出现突然停机事故， 为确保下游不至断水停航和不至使上游水位上升而造成闸门漫顶，必须紧急开启闸门，放泄当时的发电流量。

一、闸坝消力池的控制尺寸

表一

根据表一知，当单孔闸门开启时，消力池的控制尺寸为4×25.5m。如此规模的消力池不但工程量大，而且施工非常困难，因为整个闸坝和消力池都是建在沙基上的，多深挖1米， 都会使围堰和防渗的工程量大幅度增加，那么，如何才能使消力池尺寸尽可能地减少呢?

对表一进行分析可以发现，闸门开启的高度越小，则消力池的深度越浅，长度也越小，但下泄流量也相应地减少。通过对整个枢纽运行调度情况及江河流量～水位关系曲线进行分析，当天然来水流量超过1 000m3/s时，电站闸下水位将达到10.88m以上，这时电站不发电，全部水量都由闸坝宣泄。我们假如将闸坝闸门全部都开启e/H=0.1的开度， 此时整个闸坝的下泄流量将接近1 000m3/s的流量，而此时下游水位将会迅速地抬高，增加下游水深，对消力池的影响亦会随下泄流量的增加而减少。此时，再将闸门开度加大，宣泄1 000m3/s或更大的流量，消力池的结构也不会受到破坏。通过对闸坝闸门统一开度、不同孔数泄洪的水力计算得出：当所有闸门开度都统一为e=0.1H的情况下，闸坝闸门开9孔以上，下泄水流将发生淹没式水跃。这一结果证实了我们的假设。由此我们可以得出一个思路，可以选取闸门一定开度所对应的消力池长度和深度为控制条件，通过闸门的灵活调度来同时满足枢纽泄流和消力池功能。经过一系列典型的泄流工况进行的水力计算，我们得出各种情况下消能的尺寸，如表二：

表二

我们确定取消力池长为16.5m，池 深2.2m(相 应 开 度e/H=0.1，e=0.65m)，然后再按各种可能出现的正常工况进行复核计算.

二、正常运用二台机运转

水电站二台(发电)机组正常运行时拦河闸坝、闸门开启调度表，见表三。

表三

当Q＞1 000m3/s时，全部闸门均匀开启，各闸门开度差不得大于0.65m。

另外，我们又根据几种可能出现的发电机组非正常运行工况进行了闸门开启调度计算，得出结论如下:

（一）当天然来水Q来小于水轮机组相应80%保证出力时的83m3/s时，出现事故突然停机(此工况为最不利工况)，闸坝必须同时开启4扇闸门，至下泄流量等于当时发电流量时止，闸门最大开启度为0.25m。

(二)当83m3/s≤Q来＜178m3/s(单机满载发电额定流量)时，出现事故突然停机，4台启闭机同时开启闸门，至开度0.25m时止，启闭机移动开启另4扇闸门，8扇闸门开启度不大于0.25m。

（三）当178m3/s≤Q来＜356m3/s(两台机满载发电额定流量)时， 4台启闭机同时操作开启闸门，至开度0.55m时止，启闭机移动开启另4扇闸门，即8扇闸门开启度不大于0.55m。

（四）当356m3/s≤Q来＜600m3/s时,4台启闭机同时开启，至闸门开度0.65m时，停止开启，启闭机移动开启另4扇闸门，闸门开启度不大于0.65m。

（五）当600m3/s≤Q来＜1 000m3/s时，闸门开启度不大于1.30米(开度差不大于0.65m)。

按绥江河典型洪水过程线，来水流量由400m3/s渐变到1 000m3/s时差为5小时以上；由1 000m3/s渐变到P10%、P5%、P3.33%。洪峰流量时差均超过17小时，同时绥江干流沿线设有完善的洪水测报系统，洪峰由上游古水站传播到坝址需16小时，故上述调度方式可满足运行要求。

上述消力池尺寸经省水利科学研究院水工模型试验验证，在增加消力齿及消力墩后，池深修改为2.0m，池长为16.5m， 射流过渡段7.39m。另外经过优化设计及经济比较， 电站闸坝闸门启闭机最后选用15 台固定式启闭机而取消原4台移动式启闭机方案，使得闸坝闸门调度运行更灵活，效率更高,电站建成试运行后，我们通过规范闸坝闸门调度方式， 闸坝使用至今效果良好。