基于关系曲线和水力学法的泄洪闸门泄流曲线率定

刘和咏，王 伟，胡晨贺，薛万军

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川省成都市 617000）

1 概述

锦屏二级拦河闸坝位于锦屏大河湾西段的毛毛滩，距上游锦西电站约7.5km。水库正常蓄水位1646m、死水位1640m，日调节库容为496万m3。拦河闸坝主要由河中泄洪闸、两岸挡水坝段、上游铺盖和下游消能防冲设施等组成。泄洪闸布置在主河床，共设置5个闸室段，每个闸室宽20m，泄洪净宽13m，泄洪闸段总长100m，闸顶高程1654m，最大闸高34m。闸室溢流堰采用平底宽顶堰类型，闸室底板顶高程为1626m，底板厚6m。泄洪闸工作门采用开敞式弧形闸门，尺寸为13m×22m（宽×高）。

依据2015年汛期历史泄流数据，选取典型时间段泄洪闸水位—开度—流量关系数据，采用关系曲线法（闸上水位与流量关系）及传统水力学法（综合流量系数），对单孔泄流曲线进行率定，并将率定结果反代回实际工况进行校验，通过分析校验结果得到对实际泄洪闸门调度具有参考意义的结论。因各孔泄流能力相同，故以单孔为例进行研究。

2 基于水位关系率定泄流曲线

根据2015年汛期水电站闸门运行情况，因为多孔闸门泄流能力与单孔成倍数关系，且大多数情况下闸门均为成组开启的方式（常用方式有3号单孔，2号、4号双孔，2号、3号、4号或1号、3号、5号三孔，1号、2号、3号、4号、5号五孔），选取不同水位下闸门开度相同的数据点，按照出入库流量平衡公式（忽略河道区间流量、水库蒸发、渗漏等影响），计算出相同开度下不同水位时单孔泄流能力[1]。本文中仅以0.7m开度时的原始数据为例，1.7m及2.8m开度情况下的数据处理与0.7m时一致，原始数据个数不同开度下各不相同，主要按照泄洪闸上游水位排序，并根据其最大最小值确定加权平均段的划分。

相同水位下，闸门开度越大则泄流能力越大；相同开度下，水库水位越高则泄流能力越强。

3 基于流量系数法率定泄流曲线

3.1 堰流流量率定[3]

五孔泄洪闸全开时，闸坝过流为堰流，按照设计资料其淹没系数介于0.8～0.9之间，根据《水闸设计规范》（SL 266—2001）可查得0.86≤hs/h0≤0.91，因为hs=hl且hu＜h0，所以hl/hu≥0.8，即说明此时闸坝过流为淹没堰流。按照规范中的闸孔总净宽公式可知流量，从设计资料中查得1640～1646m间的计算成果见表1。

上式中σ为堰流淹没系数，ε为堰流侧收缩系数，m为堰流流量系数，B0为闸孔总净宽，h0为计入行近流速水头的堰上水深。

表1 设计资料中的流量、系数、水位计算成果Tab.1 Calculation results of flow， coefficient and water level in design data.

表2 不同水位对应M值表Tab.2 Corresponding M table of different water levels

表 3 不同水位下的闸孔过流能力表Tab.3 Sluice flow capacity table at different water levels

因实际运行过程中，五孔泄洪闸从未全开运行过，故上述数据的准确性无法通过历史数据进行校验，需在今后有条件时再进行率定。

因锦屏二级拦河闸属于平底宽顶堰，根据多数水力学教程及计算手册中均采用的判别标准，当e/hu≥0.65时为堰流，当e/hu＜0.65时为孔流。故得到孔流、堰流交接面的闸门开度见表4。

表4 孔流、堰流交接开度表Tab.4 The opening scale of flow and weir flow

3.2 孔流流量率定

研究闸门淹没在水中时出流流态为孔流的情况。查询孔流历史运行资料可知，对于锦屏二级拦河闸任何孔流流态下均满足hu＞e＜hl，故其为典型的淹没孔流，流量的计算适用公式为。

图1中，hu为上游水头，m；hl为下游水头，m；e为闸门开启高度，m；B为闸门总宽，m；ΔZ为水头差，m；M、M1为不同流态的综合流量系数，可由实测流量利用以上公式进行反算。

3.2.1 孔流时段选取

选择2015年锦屏二级、锦屏一级电站负荷相对稳定，锦屏二级泄洪闸开度相对固定的时段，因2015年单孔泄洪闸开度大于4m的时段不具有稳定性（稳定性主要是指闸门开启后至少在该开度下稳定运行3h，否则计算所得的单孔泄流能力误差较大，容易对率定结果造成较大误差），故选取典型时段泄洪闸开度均未超过4m、大于开度4m部分的综合流量系数可根据实际流量加以修正[5]。

3.2.2 孔流综合流量系数计算

图1 单孔泄流示意图Fig.1 Schematic diagram of single hole spillway.

根据计算结果绘制综合流量系数M1与上下游水位差对应关系曲线如图2所示，综合流量系数M1与闸门开度对应关系曲线如图3所示。

根据以上计算结果和关系曲线图可以看出：随着闸门开度的增大，闸下水位随之升高，上下游水位差随之减小，计算得出的综合流量系数M1也逐步增大。

根据综合流量系数M1计算结果，对应不同闸门开度下，综合流量系数M1取值参考见表5。

表5 综合流量系数M1参考取值表Tab.5 Comprehensive flow coefficient M1 reference value table

图2 综合流量系数M1与上下游水位差对应关系曲线图Fig.2 The correlation curve between the integrated flow coefficient M1 and the upstream and downstream water levels

图3 综合流量系数M1与闸门开度对应关系曲线图Fig.3 correlation curve of the integrated flow coefficient M1 and gate opening

4 泄流曲线验证

根据不同水位下的单孔泄流能力表、不同水位下的闸孔过流能力表以及孔流、堰流交接开度表拟合得到不同水位下各开度的单孔过流能力表，见表6。将表6的数据插值后在Excel中做成基于关系曲线的泄流曲线查询表[7]，如图4所示。

选取非典型时段泄洪闸流量关系数据，校核水位流量关系曲线法及综合流量系数法所求得泄流量数据的准确性[8]，计算结果见表7（注：实测流量根据流量平衡原理通过水调自动化系统查得）。率定结果与设计曲线对比如图5所示，各曲线与实测值的偏差如图6所示（默认实测值偏差为0，则阴影面积越大说明误差越大，正负误差可以抵消以贴合实际工作）。

表6 不同水位下各开度的单孔过流能力表Tab.6 The single-hole overcurrent capacity table of each opening at different water levels

图4 不同水位下各开度的单孔泄流曲线Fig.4 Single - hole discharge curves of each opening at different water levels

由表7、图5及图6可知：

图5 率定结果与设计曲线对比图Fig.5 Comparison diagram of yield and design curve

表7 水位流量关系曲线法及综合流量系数法准确性校核表Tab.7 The relationship curve of water level and the accuracy of the comprehensive flow coefficient method

图6 各曲线与实测值的偏差面积图Fig.6 Deviation area diagram of each curve and measured value

设计1代表设计院最初根据投产初期河道地质条件计算的结果，其仅通过模型试验率定得到，未经过实际校验且在下游流道清淤后地质条件发生了较大变化，目前看来其误差达到了10%以上，故在日常水库调度中并不适用。

设计2代表设计院根据最新清淤后的地质条件改变情况并结合2013年、2014年的运行情况率定的新结果，由于工程施工的不确定性，清淤的效果可能不如预期，且经过2015年的运行可能再次淤积，实际看来其对清淤的效果过于理想化，从而导致率定结果比实际偏大，但由于其偏差基本为正偏差，故实际应用中可根据经验设置一个小于1的比例系数。

采用综合流量系数计算得出的泄流量与实测流量绝对偏差相对设计1、设计2来说有所减小，且其相对偏差在所有结果中是最小的，说明综合流量系数M1经验取值更贴合实际应用，因为在实际水库调度中闸门的开度调整是常态，那么能在不同开度对偏差自行消除或削弱显然更符合实际。

关系曲线法率定的结果整体偏小，但其绝对误差是最小的，考虑其能够根据水位和开度直接求得流量，且易于进行插值计算得到各个开度、水位下相应的流量，可开发性较强且能通过系数不断修正，故实用性较高便于在日常水库调度中推广。

5 结束语

该水电站泄流曲线率定主要结合设计资料和实际运行情况，基于出入库流量平衡原理，通过采取现有水位流量历史数据绘制关系曲线，以及按传统水力学法计算分析的两种途径对锦屏二级电站泄流曲线进行率定、分析，因此，关系曲线法率定的结果实用性较高便于在日常水库调度中推广。

[1]李蔚，郝学宁，王保申.刘家道口节制闸泄流曲线研究[J].山东水利，2012，9:5-7.

LI Wwei，HAO Xuanning，WANG Baoshen. Study on the discharge curve of Liujiadaokou control [J]. Shandong water conservancy，2012，9:5-7.

[2]王辉.新沂河海口枢纽中深泓闸模拟泄流曲线初探[J].淮阴工学院学报，2013，22（3）:35-38.

WANG Hui. Preliminary study on the simulation of the flow curve in the tunnel of the deep river in haikou junction of xinyi river [J]. Journal of huaiyin institute of technology，2013，22（3）:35-38.

[3]SL 266—2001，水闸设计规范[S].SL 266—2001，Design specification [S].

[4]张健，刘继军，张涛.南四湖二级坝枢纽泄流分析[J].山东农业大学学报，2013，44（1）:102-107.

ZHANG Jian，LIU Jijun，ZHANG Tao. Analysis of the discharge flow of the secondary dam of nansihu lake [J]. Journal of shandong agricultural university，2013，44（1）:102-107.

[5]周建伟，王庆斌，张建国，张文利，李凤军，陈文鹏.引黄涵闸泄流曲线率定技术设计[J].水利规划与设计，2014，6:44-46.

ZHOU Jianwei，WANG Qingbin，ZHANG Jianguo，ZHANG Wenli，LI Fengjun，CHEN Wenpeng. Design of the drainage curve rate of the diversion sluice [J]. Water conservancy planning and design，2014，6:44-46.

[6]刘金安，马保新.昭平台水库溢洪道泄流曲线率定及软件编制和应用[J].中小企业管理与科技，2013，5:281-282.

LIU Jinan，MA Baoxin. The rate of spillway discharge curve and software establishment and application of the spillway in zhaoping platform [J]. Management and technology of small and medium enterprises，2013，5:281-282.

[7]艾自胜，张长青，单连成，王刚，余金明.Excel在曲线拟合中的应用[J].苏州大学学报（医学版），2008，28（5）:759-762.

AI Zisheng，Zhang Changqing，SHAN Liancheng，Wang gang，YU Jinming. Application of Excel in curve fitting [J]. Journal of suzhou university （medical edition），2008，28（5）:759-762.

[8]段元胜，俞红.莲花水电站导流洞泄流曲线复核分析[J].东北水利水电，1999，1:27-28.

DUAN Yuansheng，YU Hong.Analysis of the flow curve of the diversion tunnel of lotus hydropower station [J]. Northeast water conservancy and hydropower，1999，1:27-28.

刘和咏（1986—），男，工程师，主要研究方向：水电站运行。E-mail：327295031@qq.com

王 伟（1990—），男，工程师，主要研究方向：水电站运行。E-mail：869458259@qq.com

胡晨贺（1988—），男，工程师，主要研究方向：水电站运行。E-mail：863143920@qq.com

薛万军（1988—），男，工程师，主要研究方向：水电站运行。E-mail：244351073@qq.com