枕头坝一级水电站蓄水时的水情调度总结

侯　璐，　王 海 胜，　樊　宇

(国电大渡河枕头坝水电建设有限公司，四川 乐山　614700)



枕头坝一级水电站蓄水时的水情调度总结

侯璐，王 海 胜，樊宇

(国电大渡河枕头坝水电建设有限公司，四川 乐山614700)

摘要：介绍了枕头坝一级水电站蓄水采用的泄洪闸闸门开度计算方法及其在蓄水中的应用实践，分析了非天然来水情况下蓄水的特点，提出了预先对水情进行判断，掌握蓄水量与坝前水位的关系、入库流量与坝前水位的关系，从而实现了安全、精确蓄水。

关键词：闸孔出流；蓄水量；入库流量；水位；枕头坝一级水电站

1工程概述

枕头坝一级水电站位于乐山市金口河区的大渡河干流，上游为已建的深溪沟、瀑布沟水电站，下游为枕头坝二级水电站。该工程为二等大(2)型工程，开发任务以发电为主，兼顾下游用水。水库正常蓄水位高程624 m，相应库容0.435亿m3，死水位高程618 m，调节库容0.145亿m3，为日调节水库。电站装机容量720 MW，多年平均年发电量32.9亿kW·h。

电站枢纽建筑物从左到右依次为左岸非溢流重力坝段、河床式厂房坝段、泄洪闸及排污闸坝段、右岸非溢流重力坝段等，最大坝高86.5 m。泄洪闸共5 孔(图1)，单孔尺寸为8 m×16 m(宽×高)，进口底板高程585 m，闸室顺水流方向长60 m；2号和3号泄洪闸之间为储门槽坝段并布置排污闸1 孔，堰顶高程为617 m，孔口尺寸6 m×7 m(宽×高)。

电站于2015年5月1日下闸，5月7日蓄水至正常蓄水位高程624 m。

2蓄水方案

枕头坝一级水电站拟定的蓄水方案为采用3号至5号泄洪闸工作门关闭挡水，1号、2号泄洪闸工作门同步局开下泄流量不小于327 m3/s，库区水位从高程593 m蓄至高程624 m，将水库水位上升速度控制在5 m/d左右，并在高程618 m(死水位)短暂停歇进行安全监测数据分析。不蓄水时段来多少流量下泄多少流量，亦通过1号、2号工作门下泄。

因此，该工程实现蓄水的主要思路为：(1)根据库容与水位关系曲线得出当天需拦蓄的水量；(2)根据拦蓄水量、上游来水量及蓄水时段初拟下泄流量；(3)根据下泄流量拟定闸门开度。

3泄洪闸溢流的水力计算

该工程蓄水前，考虑了两种拟定闸门开度的方法。第一种方法为查表法，即依据设计单位提供的单孔闸门溢流曲线(即水位流量开度表)，用内插法将闸门开度细化到0.1 m，蓄水时根据不同坝前水位、下泄流量查表得到闸门开度；第二种方法为公式法，即根据泄洪闸尺寸建立水力学公式，在某个坝前水位下输入闸门开度直接得到下泄流量，根据目标下泄流量拟定闸门开度。显然，在公式法计算准确的情况下，用公式法操作简单、高效。该工程蓄水过程中，采用公式法拟定闸门开度，以闸门溢流曲线作参考。

3.1边界条件

蓄水过程中，泄洪闸溢流有两种工况，分别为堰流及闸孔出流。当闸门下缘脱离水面、闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态被称为堰流；当水流受闸门控制而从溢流面与闸门下缘间的孔口流出时，这种水流状态被称为闸孔出流。

起蓄水时，泄洪闸溢流为堰流，闸门开度应为采用堰流计算保证下泄流量目标值的对应水头，若通过泄洪闸的流量大于下泄流量目标值，则水在闸前壅高，从堰流工况过渡为闸孔出流工况。

3.2计算公式

3.2.1堰流工况

图1　泄洪闸剖面图

按照堰坎厚度δ与堰上水头H的比值大小及水流特征，将堰流分作薄壁堰流、实用堰流及宽顶堰流三种类型。其中，当2.5<δ/H<10时为宽顶堰流。

该工程为宽顶堰流且堰孔宽度小于上游引渠宽度，为无坎宽顶堰流。下泄流量Q公式为：

式中σs为淹没系数，根据相对淹没度(堰顶以上的下游水深与闸前水头的比值)的增大而减小，该工程取σs=1；m′为流量系数。该工程为圆弧型翼墙，根据(堰孔净宽/上游渠道底宽)与(翼墙半径/堰孔净宽)查表可得，该工程取0.35；n为闸孔数；b为闸孔宽度；H为闸前水头。

3.2.2闸孔出流工况

(1)理论计算。

水流经闸门约束会在闸门下游处出现水深最小的收缩断面。收缩断面处的水流为急流，而闸后渠道中的下游水流为缓流，水流从急流到缓流时要发生水跃。受水跃位置的影响闸孔出流分为自由出流及淹没出流两种。当水跃发生在收缩断面处或收缩断面下游时，下游水深的大小不影响闸孔出流，为闸孔自由出流，该工程为底坎为宽顶堰型闸孔自由出流，下泄流量Q公式为：

式中μ为宽顶堰型闸孔自由流的流量系数；e为闸门开度。对于弧形闸门的闸孔，流量系数μ可由以下经验公式计算：

μ=(0.97-0.81α°/180°)-(0.56-

0.81α°/180°)e/H

上式的适用范围：25°<α≤90°；0

0.65。

式中α按cosα=(c-e)/R计算。c为门轴高度；R为弧门半径。

根据以上计算方法，在EXCEL中建立计算公式。以该工程为例，门轴高度c=弧门支铰高程(605 m)-闸底板高程(585 m)=20 m，弧门半径R=26 m，闸门宽度b=8 m，在已知坝前水位时，输入不同闸门开度e值，可以得到闸门下泄流量(表1)。

表1　不同水位对应的单孔、双孔下泄流量表

(2)理论计算值的修正。

蓄水过程中，考虑并对比实际下泄流量，对理论计算值进行修正，主要思路为：在一定时间内(根据库容大小，本工程考虑大于1 h的情况)，当坝前水位维持不变，可以认为下泄流量近似等于入库流量，将理论计算的下泄流量乘以修正系数即可得到较准确的实际下泄流量。所选取的本工程的几个水位修正系数见表2。

表2　不同水位对应的下泄流量修正系数表

备注：低水位时，入库流量与下泄流量相差不大，因蓄水需要，未进行下泄流量系数修正。

当得到下泄流量修正系数后，可以较准确地获得闸门下泄流量，从而对蓄水过程进行准确调度。从表2中还可以看出，当水位到达高程612.3 m时，下泄流量的计算值与实际值已基本一致，因此，到达一定水位时，出库流量的计算值与实际值已相差不大，其差值短时间内不足以引起库水位的变化，在该水位以后，可直接采用下泄流量计算值。

4非天然来水情况下蓄水的特点

蓄水中，除计算下泄流量外，还需根据当天的蓄水计划(目标蓄水位)计算蓄水量，分析蓄水量与坝前水位的关系，以达到精准蓄水的目标，特别是库容较小的电站，蓄水量和坝前水位的关系尤为重要。该电站入库流量非天然径流，而是上游瀑布沟、深溪沟电站的发电下泄流量。由于瀑布沟电站承担着四川省电网调峰，其下泄流量不均匀、变幅大，在此情况下蓄水，加之本电站库容小，具有入库流量瞬时波动大、瞬时出现的大流量引起坝前水位快速上涨的特点，若不对水情有提前判断，可能会频繁调整闸门开度而不利于安全运行，且临近正常蓄水位时，若水位快速上涨将会引起险情。

蓄水中对水情的判断主要明确两点：一是蓄水量与坝前水位的关系；二是入库流量与坝前水位的关系。

4.1入库流量的不均匀性

枕头坝一级水电站与上一梯级深溪沟电站之间无支流，深溪沟电站下泄流量即为枕头坝一级水电站的入库流量。根据蓄水期枕头坝一级水电站入库流量记录，在早6点至8点、午11点至13点、晚17点至19点，上游深溪沟电站下泄流量较大，其他时段下泄流量基本只能保证生态下泄流量及一定富余度，而且下泄流量的变幅大，上游深溪沟电站每增加一台机组发电，下泄流量增加约160 m3/s，蓄水期间入库流量在327～1 000 m3/s之间。

4.2蓄水量与坝前水位之间的关系

为了对每天的蓄水量提早判断，本工程在蓄水过程中对库容-水位曲线进行了复核。库容-水位曲线为原始地形测量数据，受测量精度及库区淤积等影响，设计库容一般较实际偏大。库容-水位曲线复核的思路：蓄水中，不考虑迴水因素。假设库区水面为平面，某一时段内的坝前水位差即对应该时段的蓄水量。图2所示为死水位以上根据蓄水量计算的库容与设计库容的比较情况，图2所示，蓄水量大约占设计库容的75%，只有掌握了蓄水量的大致数据，方可估算出每天蓄水目标需拦蓄的水量，特别是临近正常蓄水位时需拦蓄的水量，对安全、精确蓄水具有重要作用。

4.3入库流量与坝前水位之间的关系

上述提到的蓄水量与坝前水位之间的关系忽略了库区迴水因素，且某一较大流量从入库到坝前需要一定的时间，在下泄流量较小的情况下，还会在坝前壅高，因此，较大的入库流量也是坝前水位的影响因素之一。

图2　不同水位设计库容、蓄水量对应库容示意图

瞬间出现的较大入库流量在库区的行进类似某河段中的洪水波运动，其到达坝前的流量可参照相应水位(流量)法，即根据河段洪水波运动和变形规律，利用河段上断面的实测水位(流量)预报河段下断面未来水位(流量)的方法。其基本原理如图3所示。例如上游点2洪峰水位经过河段传播时间τ，在下游站点2＇的洪峰水位就是同位相的水位，处于同一位相点上下站的流量成为相应流量。将其引用到本工程中，上段面的实测流量即深溪沟电站出库流量(或本电站入库流量)，下断面未来流量即为本电站坝前流量。

用相应水位(流量)法预测本电站坝前流量主要有两个不确定因素：(1)不同流量在河段中的传播时间τ是变化的；(2)库区对流量有一定的坦化作用。笔者就这两个不确定因素的变化规律进行了以下说明。

4.3.1不同流量在河段传播时间的变化规律

枕头坝一级水电站坝址距离上游深溪沟电站25 km，在起蓄水位(高程593 m)，小流量在河段传播的时间τ大约为100 min。随着库水位的上升，流量在河段传播的时间逐渐缩短且随着流量增大传播的时间缩短。水位到达高程623 m、超过600 m3/s的大流量反应到坝前的传播时间τ大约为30 min。

图3　上、下游断面相应水位过程线图

4.3.2库区对流量的坦化作用

当形成一定的库容以后，瞬间出现的大流量引起坝前水位快速上升的效应会有一定的减弱。这是因为随着库水位的上升，河面逐渐宽阔，过流面积增大，水流扩散，流速减缓。

综上所述，在本工程实际蓄水过程中，反映出蓄水量和瞬间大流量值对坝前水位影响较大，特别是库区水位较高后，瞬间的大流量会立刻引起坝前水位的快速上升，且水位上升会持续到该大流量传播结束。

5结语

(1)该工程在蓄水过程中，根据泄洪闸基础参数建立了水力学公式，并根据库水位平衡在不同水位时对公式进行了校核。采用该方法初拟了闸门开度，在某个坝前水位下，输入闸门开度能够直接得到下泄流量，操作简单，计算结果较准确，可在其它电站蓄水时采用。

(2)该电站的蓄水是在上游非天然来水情况下进行的，入库流量瞬时变化大。蓄水中，通过分析不同时段入库流量变化、蓄水量、入库流量与坝前水位的关系，实现了闸门的科学、合理调度。特别是蓄水位接近设计正常蓄水位时，在入库流量迅速增加的情况下，准确判断了水位上升趋势，最终水位缓慢达到正常蓄水位，未造成下泄流量大幅波动，实现了安全、精确蓄水。

侯璐(1987-)，女，四川仁寿人，副处长，工程师，学士，从事水电工程建设技术与管理工作；

王海胜(1978-)，男，河南新乡人，工程师，硕士，从事水电工程建设技术与管理工作；

樊宇(1967-)，男，陕西西安人，总工程师，高级工程师，从事水电工程技术与建设管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

收稿日期:2015-10-15

文章编号:1001-2184(2015)06-0085-04

文献标识码:B

中图分类号:TV7;[TV-9]；TV737

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