洪江水电站闸门调度试验

王 怡

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410014)

洪江水电站闸门调度试验

王 怡

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410014)

以不同工况的消能复核和下游冲刷复核为控制，先通过模型试验确定洪江水电站左闸运行调度、右闸运行调度及左右闸联合泄洪调度的方式，再根据模型试验泄流数据的整理结果，分析闸门相对开启高度(he/H)与参数(q2/gH3)之间的关系，得出适应任何上游水位，任何洪水来量，任何机组运行台数的洪江水电站闸门调度粗估公式。

洪江水电站； 闸门调度； 消力池； 冲坑

常用堰闸过流的流量计算方法有国内水力学教科书公式[1-3]、Henry公式[4]、日本土木学会公式[5]、美国陆兵工程团公式[6]等，但在工程实际中，局部水头损失往往难以确定，尤其是宽河谷多闸孔低坝，在其闸门开启时往往流态更为复杂，一般是由急流到缓流的多变流态[7]，因此通过试验确定多闸孔低坝的泄流能力实属必要。在工程实际中往往因为多种原因，一些调度试验只提供了不同闸门开启高度的泄流能力曲线，或者提供的不同闸门开度泄量曲线的延长线不足[8]，因此，试验中提供任何上游水位，任何洪水来量，任何机组运行台数的闸门调度公式能给电厂的调度运行带来极大方便，而且利于信息化[9-10]。此外，低坝工程绝大多数采用消力池水跃消能，在消能工体型确定条件下，闸门调度是否恰当是确保工程安全运行最重要手段之一[11]。当多孔泄流时，如果闸门开启不当，容易形成不对称集中水流、折冲水流或旁侧回流等不良流态[12]，对下游河床及岸边的冲刷防护影响很大。因此，在满足正常泄洪的前提下，通过对下游河床冲刷的观察，进而选择合理的闸门调度方式非常必要。作者以洪江水电站为例，通过模型试验提出了可行的闸门调度方式，可为类似工程提供参考。

1 试验区概况

洪江水电站位于沅水干流上游，距湖南省洪江市4.5 km，距怀化市约70 km，具有发电、灌溉、航运等多种功能，为地区电网骨干电源。坝址控制流域面积35 500 km2，多年平均流量为705 m3/s，装机容量22.5万kW，灯泡式机组。正常蓄水位190.00 m，汛期限制水位187.00 m。电站枢纽由混凝土拦河坝和发电厂房及船闸等主要建筑物组成。坝顶高程196.500 m，最大坝高56 m。溢洪道为9孔开敞式溢流堰(WES曲线y=0.056 509x1.85)，每孔净宽19.0 m，堰顶高程174.00 m，弧形闸门控制(弧门半径20.550 m，支铰高程186.00 m，桩号0+026.000)，设有检修闸门。消力池由中导墙分成左、右两部分，左消力池(左闸)3孔，右消力池(右闸)6孔。左消力池宽66.000 m，长63.196 m，底板高程158.000 m，差动式尾坎，高坎坎顶高程166.000 m(建基面高程156.000 m)，低坎坎顶高程164.000 m(建基面高程155.000 m)。右消力池宽143.398 m，长62.676 m，底板高程160.000 m，差动式尾坎，高坎167.000 m，低坎165.000 m，建基面高程均为157.000 m。坝址区岩性均一，岩体较完整坚硬，完整性较好。坝址基岩允许抗冲流速6.0 m/s。发电流量1 008 m3/s，单机引用流量252 m3/s，当下游水位高程达177.50 m时，电站停止运行。船闸最大通航流量：近期为2 500 m3/s，远景为3 800 m3/s。本工程为二等工程。枢纽泄洪按100年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核。消能防冲按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。

2 研究方法

2.1 模型设计

2.2 闸门调度安全开启高度的确定

(1)为确保消力池尾坎不出现超负荷运行状态，消力池内不得出现远驱水跃，水跃淹没度应大于1。

(2)为避免过大的护坦磨蚀和出池水流(尾坎单宽流量)的不均匀性，改善尾坎下游水流的衔接条件，消力池内不得出现平面回流和折冲水流。

(3)为确保消力池尾坎基础不被掏刷，尾坎下游冲刷坑最深点高程不得低于尾坎建基面的高程。泄洪闸的运行原则为先启用左泄洪闸(3孔)，次启用右泄洪闸(6孔)，最后为左、右闸联合运行。

(4)关于运行水位，设计了正常蓄水位(190 m)和汛期限制水位(187 m)2种水位，且电站满发(4台机运行)情况下进行泄洪闸门调度试验。试验中又增加188.00 m和189.00 m 2种水位和机组运行台数变动(由0～4台机运行)等方面的试验内容，以满足电站实际运行的需要。

2.3 数据分析

在分析、研究前一阶段试验数据的基础上[14-15]，以及给定上游水位、洪水流量和相应下游水位及机组运行台数的情况下，拟定闸门开启高度(均匀开启)，进行消能复核和下游冲刷复核后，再在模型中进行试验验证。通过对模型试验泄流数据的整理，分析闸门相对开高(he/H)与参数(q2/gH3)之间的关系，利用Excel软件的幂函数进行回归，得出适应任何上游水位，任何洪水来量，任何机组运行台数的闸门调度粗估公式。

3 结果与分析

3.1 左闸运行界限

左闸三孔(⑦、⑧、⑨号)使用同一消力池消能，是首先启用的泄洪建筑物。当洪水来量达4 060 m3/s，4台机发电时，冲坑最深点高程为155.00 m(与尾坎低坎建基面齐平)，位于桩号0+121.139 m处。

以冲刷坑最深点高程155.00 m为闸门安全调度的界限，当洪水来量达4 000 m3/s时，4台机运行时冲坑高程为155.1 m；3台机运行时为154.2 m；2台机运行时为153.3 m；1台机运行时为152.5 m。4台机组运行时，只能保证4 000 m3/s流量(包括发电流量，下同)安全下泄；3台机组运行时，只能保证3 500 m3/s流量安全下泄；2台机机组运行时，只能保证3 000 m3/s流量安全下泄；1台机运行时，只能保证2 500 m3/s流量安全下泄。当洪水来量左闸不能满足安全调度的要求时，关闭左闸(3孔)，启用右闸(6孔)。

3.2 右泄洪闸的闸门调度

右闸(6孔)，编号为①～⑥，其右边墙毗邻船闸，基岩较好，河床较高。当洪水来量左闸不能安全下泄，势必启用右闸。右闸单独运行区间较宽，当其6孔闸门均匀开启时，各种上游水位(187.00～190.00 m)由不同洪水来量和电站运行机组引用流量的多少确定闸门开启高度(均匀开启)，消力池内水流不发生远驱水跃，有足够的淹没度，消能效果较好。尾坎下游的水面跌落不大，各工况下跌落在2.5～3.5 m之间，较左消力池为小。这是由于小流量(对于右闸运行区间来讲)时，下游水位较低，单宽流量不大；大流量时虽然单宽流量增加，但下游水位较高。

尾坎下游冲刷问题并不严重，虽然冲坑最深点距尾坎末端距离不远，但冲坑深度不大。各工况下，冲刷坑最深点高程变化不大，在158.46～160.84 m之间。右闸消力池尾坎建基面高程157.00 m，低于冲刷坑高程，能满足闸门安全调度要求。

右泄洪闸6孔闸门均匀开启时，各种工况下，消力池内水跃均有足够的淹没度，消能效果较好；尾坎下游冲坑最深点高程均高于尾坎基面高程。右闸单独运行区间，闸门调度均符合安全调度原则。

右泄洪闸最大泄量可达13 000 m3/s。

3.3 左、右闸联合泄洪闸门调度

在进入主汛期时，左、右闸联合泄洪。在正常蓄水位190.00 m以下，用闸门控制下泄量，仍存闸门调度问题。当上游水位高于190.00 m水位时，闸门全开，渲泄大洪水。

3.3.1 渲泄中型洪水的调度 在正常蓄水位190.00 m与汛期限制水位187.00 m之间泄洪，下泄流量在14 000～22 039 m3/s之间，相应流量的下游水位在177.63～182.61 m之间，下游水位已超过177.50 m界限，电站关机停止发电。泄洪闸的调度仅依从于洪水来量。由于洪水流量的加大，下游水位的增高，上、下游水位差(水头)逐渐减小，过闸水流均属安全泄流。

上游水位190.00 m(正常蓄水位)、189.00 m、188.00 m、187.00 m(汛期限制水位)等4种水位的闸门均匀开启高度见表1。左、右闸联合泄洪，闸门开启(均匀)高度较大，已属大开度运行，由于库水位的变动，可能处于孔流至堰流过渡区。该过渡区间，由于涨水和退水流量系数不同，可能会导致泄洪量方面的差异。

3.3.2 大洪水流量的下泄 渲泄特大洪水，是以保坝为前提的。大洪水流量的下泄，系指上游水位高于正常蓄水位(190.00 m)，9孔溢流坝闸门的完全开启，一次到位的各工况下的泄流。其水位(上游)与流量的关系与前一阶段的试验结果基本一致。详见表2。随着流量的增大，下游水位的增高，上、下游水头差减小，虽然单宽流量较大，低伏氏数消能效率不高[16]，但冲刷坑最深点高程在155.00 m左右，尚属安全泄洪，符合消能防冲设计标准的要求。

表1 左、右闸联合泄洪闸门开启(均匀)高度Tab.1 TheaveragehighopenofleftandrightbrakejointflooddispatchingQ总(m3/s)下游水位(m)上游水位(m)左、右闸9孔闸门开启高度(m)14000177.63190.007.73189.008.16188.008.63187.009.1615000178.36190.008.34189.008.80188.009.31187.00全开16000179.06190.008.95189.009.45188.0010.00187.00全开17000179.69190.009.56189.0010.10188.00全开187.00全开18000180.30190.0010.18189.0010.76188.00全开187.00全开19000180.91190.0010.80189.00全开188.00全开187.00全开2000181.49190.0011.42189.00全开188.00全开187.00全开 注:右闸编号为①～⑥孔,左闸编号为⑦～⑨孔。

3.4 泄洪区段的划分

洪江水电站泄洪闸的调度试验是按先左闸，次右闸，后左、右闸(联合)顺序进行的。左闸是在正常蓄水位(190.00 m)，下游水位最低的工况下投入运行的，闸门开启高度应严格满足安全下泄的原则。左闸最大可满足Q总=4 000 m3/s(上游水位190.00 m，4台机发电)的洪水下泄。右闸单独运行，可满足Q总=4 000～13 000 m3/s的洪水下泄。左右闸联合运行可渲泄14 000 m3/s以上的洪水。

表2 9孔闸门全开泄流能力Tab.2 Theflooddispatchingabilitywithninegatesopen水位(m)流量(m3/s)187.0015913188.6619000189.1820000189.6921000190.0021618190.0321677190.1922000190.6923000191.1724000191.6625000192.1326000192.6027000193.0728000193.1128096193.5229000193.9830000194.1130292194.4331000

左闸、右闸及左右闸泄洪区间的衔接，有对接和搭接2种方式。上述情况属对接。搭接系指左闸：Q总=0～4 000 m3/s；右闸Q总=2 500～13 000 m3/s；左右闸Q总=11 000 m3/s至最大洪水。搭接运行可避免闸门大开度运行时可能出现的孔口出流与堰顶溢流的过渡状态，且可减小单宽流量，增加安全性和小流量左闸泄洪时由于机组运行台数的减少出现不安全闸门调度的工况。

3.5 泄洪闸门开启高度的粗估

对于任何上游水位，任何洪水来量，任何机组运行台数的闸门调度问题，为了满足调度信息化的需求，通过试验数据分析整理得出以下公式：

左闸单独运行：

或he=0.398 9H-0.652 8q1.101 9。

右闸单独运行：

或he=0.390 2H-0.652 9q1.101 9。

左右闸联合：

或he=0.375 4H-0.651 7q1.101 2。

以上式中：

he——闸门开启高度(同前，即弧门下缘高程与堰顶高程(174.00 m)之差)；

H——堰上水头，即上游水位与堰顶高程之差；

g——重力加速度，即g=9.81 m/s2；

q——出流孔口单宽流量。洪水来量Q总、机组引用流量Q电、闸门运行孔数n，闸孔净宽b均为已知，则q=(Q总-Q电)/(nb)。

4 结论与讨论

以下游河床及岸边冲刷为控制，在满足泄流能力的前提下确定了洪江水电站左闸运行调度、右闸运行调度及左右闸联合泄洪调度的方式；通过对模型试验泄流数据的整理，分析闸门相对开启高度(he/H)与参数(q2/gH3)之间的关系，得出了泄洪闸门开启高度的粗估公式，给电站的运行提供了方便。

截止目前，工程运行良好，泄流能力能满足设计要求，边坡各部位均无异常。可以为类似工程提供参考。

[1] 武汉水利电力学院水力学教研室.水力学[M].北京：高等教育出版社，1988.

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(文字编校：唐效蓉)

ThegateoperationtestofHongjiangHydropowerStation

WANG Yi

(Zhongnan Engineering Corporation Limited， Power Construction Corporation of China， Changsha 410014， China)

In different working condition of review of energy dissipation and scour downstream check for control，left brake operation scheduling，right brake operation scheduling and brake joint flood dispatching of the HongJiang Hydropower Station was determined through the model test.Discharge through the model test data and analysis of the gate relatively high open(he/H)on the relationship with the parameters(q2/gH3)，it was concluded that gate operation formula adapt to any upstream water level，any floods to quantity，and any unit of the HongJiang Hydropower Station.

Hongjiang Hydropower Station； gate operation； stilling pool； scouring pit

2015-05-27

王 怡(1977-)，男，高级工程师，硕士学位，从事水利水电工程建筑及企业管理研究。

TV 73

A

1003 — 5710(2015)04 — 0052 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 04. 012