石佛寺水库防洪检修闸门调度运行方案可行性分析

杨丽娜，高 杰

（1.辽宁省水利工程技术审核与造价管理中心，辽宁沈阳110003；2.宽甸县水利局，辽宁宽甸118200）



石佛寺水库防洪检修闸门调度运行方案可行性分析

杨丽娜1，高 杰2

（1.辽宁省水利工程技术审核与造价管理中心，辽宁沈阳110003；2.宽甸县水利局，辽宁宽甸118200）

摘要：为减少小流量对闸门启闭设备的影响，本文从石佛寺水库防洪检修闸门的过流能力及实测入库过程两方面分析防洪检修闸门参与小流量调度运行的可行性，从分析成果及实际运行效果上看，调度运行方案是可行的。

关键词：石佛寺水库；防洪检修闸门；调度运行

1　工程概况

石佛寺水库位于沈阳市新城子区黄家乡和法库县依牛堡乡，是辽河干流唯一的一座控制性工程。坝址以上流域面积164786km2。总库容1.85亿m3，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为300年一遇。工程的主要任务是防洪。当入库流量小于5500m3/s时，闸门敞泄，空库运行；发生超过下游堤防允许流量5500 m3/s的洪水时，水库控制放流，使其不超过下游堤防安全流量5500 m3/s；当水库遭遇100年一遇以上设计洪水和库水位超过设计洪水位时，水库控制其泄量不大于最大入库洪峰流量。泄洪闸共16孔，其中一期工程13孔参与水库控制放流，3孔关闭或封堵运用。

2　水库蓄水调度运行方式

为充分发挥水库作用，改善生态环境，水库2009年开始蓄水运行，种植荷花等水生植物。结合水库已征土地范围及对周边设施及浸没影响分析确定水库正常蓄水位46.2m。水库蓄水基本运用方式为：汛期空库迎洪，非汛期蓄水，具体见表1。

表1　石佛寺水库蓄水运行方式

由于该一期工程的主要作用是防洪，因此，在一期工程建设期间未考虑设置检修闸门，利用非汛期对闸门进行检修。水库生态蓄水运行后，为保证水库防洪安全，需要设置检修闸门。同时，由于蓄水后为控制水库水位，需频繁开启闸门，导致闸门产生振动，致使闸门水封、启闭设备使用年限减少，运行管理维护费用增加。为此，2010年，利用现状泄洪闸检修门槽和预留的启闭设备基础，将泄洪闸16孔中的3孔增设防洪检修叠梁闸，形成开敞式溢流堰。综合考虑冬季作为过水堰调节流量及闸门刚度及结构要求，钢叠梁设计分为3节，高度分别为1.5m、2.45m、2.45m，根据需要可组成3.95m、4.9m和6.4m的挡水高度。

3　防洪检修闸门调度运行方案

由于水库入库流量的不确定性，而且差别较大，要控制水库蓄水高程，对开敞式溢流堰必须采用不同的高度，调节出口流量，以保持水库水位高程的基本稳定。石佛寺水库目前可每天同步接收到上游水文站铁岭站及下游马虎山站的水文资料，通过预报和叠梁堰顶高程的实时调度，可以对水库水位进行有效控制。由于不同时段来水过程不同，采用冬季、春季、汛前期、汛期和汛后期等时段分别考虑调度方式。依据铁岭站及马虎山站的实测流量，水库常遇水情的基本运行方式见表2。

表2　石佛寺水库蓄水闸门运行方式

4　调度运行方案可行性分析

防洪检修闸门调度与天然来水过程有关，又与检修闸门的泄流能力有关。两者匹配方案才可行。因此，从不同钢叠梁闸门方案的泄流能力及水库的来水过程两方面进行分析。

4.1 钢叠梁溢流堰泄流能力分析

按一个闸孔宽12.5m的计算过流能力，堰上水头按10cm累加计算，在这一过程中就会分别出现宽顶堰流流态、实用堰流流态和薄壁堰流流态，分别计算出各种情况下的泄量。

堰流流态与堰顶形状和堰顶厚度有关：

当 δ/H＜0.67为薄壁堰

0.67＜δ/H＜2.5为实用堰

2.5＜δ/H＜10为宽顶堰

其中：δ—堰顶厚度，为0.5m；H—堰上水头。

（1）宽顶堰和实用堰流的泄流公式计算（当H ＜0.75m时）：

式（1）中：Q—流量，m/s；

b—溢流堰净宽；

H0—计入行进流速水头的堰上总水头；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

m—流量系数；

σc—闸墩侧收缩系数；

σs—淹没系数；

（2）薄壁堰的泄流公式计算（当H＞0.75m时）：

式中：Ce—流量系数；

he—有效堰顶水头；

h—实测堰面水头；

p—堰高，m。

具体计算结果见表3：

表3　石佛寺水库不同钢叠梁组合闸门方案堰上水头与泄量关系

由表3可知，4.9m高闸门方案库水位在46.0 -46.5m变动情况下，可调节流量在0.62 m3/s至38.37 m3/s之间；3.95m高闸门方案库水位在46.0 -46.5m变动情况下，可调节流量在24.65 m3/s至134.3m3/s之间。由此可见，三孔钢叠梁闸门不同组合方案可满足流量0.62 m3/s至134.3 m3/s。

4.2 水库入库流量过程分析

石佛寺水库入库流量分析采用马虎山水文站作为参证站。马虎山站2001～2009年日平均流量非汛期频率成果见图1。

图1　马虎山水文站2001 ~2009年实测日流量频率图

4.3 防洪检修闸门调度方案可行性分析

冬季——11月15号～3月14号，马虎山站实测最大来流量为51.1m3/s，最小来流量为1.54 m3/s，日均来流量为9.00 m3/s。石佛寺水库的目标蓄水位为46.0～46.2m，按表2运行方式，3孔堰顶高程45.9m，3孔钢叠梁堰泄流能力在1.86～13.62m3/s之间，实测过程中16.9%及以上频率来水均可正常过流。考虑到冬季农作物已收割，水面结冰，无风浪对水位的影响，若水库蓄水至46.3m，则三孔钢叠梁堰的泄流能力可增至20.94m3/s，则基本可以满足实测过程中94.37%来水的过流要求。

3月15号～4月30号，石佛寺水库的目标蓄水位46.2m，仍采用3孔堰顶高程45.9m，3孔钢叠梁堰在水位46.0～46.3之间的泄流能力为1.86～20.94m3/s，可满足实测过程中65.09%来水的过流要求。当来流量继续增大的时候，可开启1孔大闸门进行调节。

5月为我省水田泡田期，清河水库、柴河水库、南城子水库将通过河道放水，满足下游盘锦和营口地区的农田用水需求。此段时间内，马虎山站实测最大来流量为274.0m3/s，最小来流量为0.16m3/s，日均来流量为70.03 m3/s。此时石佛寺水库的目标蓄水位46.2m，考虑到上游水库放水流量增大因素，5月份采用3孔堰顶高程44.95m，堰顶高程较冬季降低0.95m，以增加泄流量。3孔钢叠梁堰在水位46.0～46.2之间的泄流能力为24.65 ～108.62m3/s，可满足实测过程中72.14%来水的过流要求。当来流量继续增大的时候，可开启1孔大闸门进行调节。

6月份及9月11号至11月14铁岭站来水过程与5月份相近，采用与5月份相同的调度方式基本是可行的。

7月1号至9月10号，分正常期和洪水期两种情况，正常期，来水量小于110 m3/s，通过3孔叠梁堰调节，其余时间通过13孔大闸门中的部分闸门调节，满足蓄水位46.2m；非常期来洪水时（来水量小于300 m3/s），叠梁堰处3孔大闸门关闭，通过其余13孔大闸门调度运行。

由此可见，按照表2调度运行方式及2001 -2009年马虎山站实测日均流量过程，3孔45.9m方案，冬季在不启动闸门情况下基本可以保证冬季水库蓄水水位要求。其余时间段的非洪水期，在3孔叠梁堰调节调节的同时，根据来流量情况增加1孔大闸门调节，可以满足水库蓄水水位要求，水库闸门调度运行方案是可行的。

由于水库来水不确定性非常大，对于5月1日至11月14日期间，也可根据上游来水量通过叠梁堰调节小于110 m3/s水位。当来流量小于4.54m3/ s时，只开启一孔闸门，采用两个2.45m高钢叠梁，闸门顶高程为45.9m；当来流量大于4.54m3/s且小于9.08m3/s时，开启2孔闸门，每孔采用两个2.45m高钢叠梁，闸门顶高程为45.9m；当来流量大于9.08m3/s且小于13.62m3/s时，开启3孔闸门，每孔采用两个2.45m高钢叠梁，闸门顶高程为45.9m；当来流量大于13.62m3/s且小于32.18m3/s时，开启1孔闸门，采用2.45m和1.5m高钢叠梁各一个，闸门顶高程为44.95m；当来流量大于32.18m3/s且小于64.36m3/s时，开启2孔闸门，每孔采用2.45m和1.5m高钢叠梁各一个，闸门顶高程为44.95m；当来流量大于64.36m3/s且小于110.0m3/s时，开启3孔闸门，每孔采用2.45m和1.5m高钢叠梁各一个，闸门顶高程为44.95m，具体见表4。总之，本着简单方便，操控灵活的原则，根据叠梁堰泄流曲线和水库来水实际情况，水库在实际运行中可充分利用大闸门和叠梁堰各自的优势，优化非冬季期间的调度运用方案。

通过以上分析，利用3扇检修闸门的叠梁组成的三孔叠梁堰，在水库蓄水位满足46.2m的要求下，在水库最常遇来水（110m3/s以下）时，基本可以避免大闸门的启闭，特别是冬季，解决大闸门操作困难的难题，而且操作简单可行，运行管理方便。当遇到极特殊情况时，可通过操作大闸门，或叠梁堰和大闸门联合控制，保证水库植物越冬和水库度汛的安全。综合分析，利用3扇检修闸门的钢叠梁组成的3孔叠梁堰，通过不同的组合，能满足石佛寺水库蓄水调度运行要求，其调度方案是合理可行的。

表4　石佛寺水库防洪检修闸门非冬季正常期运行方式

5　结论与建议

石佛寺水库钢叠梁检修闸门工程建成后经2013、2014和2015年实际运行，效果良好，满足了小流量时不启动大闸门的蓄水要求。实践证明，防洪检修闸门的调度运行方案是可行的。石佛寺水库在46.0m至46.2m之间有80万m3的可调蓄库容，建议根据石佛寺水库蓄水后的实测来水过程，进一步分析库容调蓄对闸门调度的影响，优化闸门运行方式，减少闸门变动次数。

参考文献

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作者简介：杨丽娜（1979年—），女，高级工程师。

收稿日期：2016-01-08

中图分类号：TV697.1

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0080-03

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.030