闸坝型水库新型泄洪调度方法研究

薛阿强，付建军，肖浩波，陈 刚

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010； 2.汉江孤山水电开发有限责任公司，湖北 郧西 442600；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 工程概况

孤山航电枢纽位于汉江上游干流湖北省十堰市郧西县及郧县境内，距规划的夹河枢纽35.5 km，下距丹江口大坝177.6 km，是汉江干流梯级开发的第八级电站，枢纽总体布置见图1，最大坝高约54.6 m。电站为河床式厂房，布置于泄水闸右侧，采用4台灯泡贯流式机组，总装机容量180 MW，为Ⅱ等大(2)型工程，规划航道等级为Ⅳ级。枢纽泄水和挡水建筑物的洪水标准：按100 a一遇洪水设计，不考虑安康水库的调洪作用，相应洪峰流量为31 700 m3/s；500 a一遇洪水校核，相应洪峰流量为38 100 m3/s；下游消能防冲设施按30 a一遇洪水标准设计，其洪峰流量为26 600 m3/s；20 a一遇移民流量为24 800 m3/s。正常蓄水位177.23 m，校核洪水位185.20 m，死水位175 m。

图1 孤山航电枢纽总体布置Fig.1 General layout of Gushan navigation and power junction

左区7孔泄洪闸孔底高程为157.0 m，单孔净宽16 m，采用平板闸门全开全关的运用方式；右区11孔孔底高程为158.1 m，单孔净宽15 m，由弧形门均匀开启控制。

2 传统泄洪调度试验方法

2019年按传统的方法对孤山航电枢纽进行了泄洪调度试验[1]，不考虑流量间闸门开启的衔接，仅按某一流量闸门底缘为自由出流和厂闸导墙脚处冲刷深度满足≤3 m的要求进行试验。从表1看出，8#、10#、12#、14#、16#、18#孔随着流量增加，开度需要开启后又部分关闭；9#、11#、13#、15#、17#在开启后，需要全部关闭再开启，流程很复杂。

表1 上游正常蓄水位177.23 m闸门运行方式模型试验成果Table 1 Model test results for the arch gate operation in the presence of upstream normal storage level 177.23 m

3 新型的泄洪调度方法

2020年因设计变更，采用了新型的泄洪调度方法[2]。研究12 000 m3/s流量级以下闸门控泄调度试验时，右区11孔弧形闸门须采用单向性连续开启或关闭、满足下游消能防冲要求的闸门调度方式。

调度试验的出闸流态和下游冲刷要求如下：①出弧形门底缘水流尽量为自由出流，避免淹没闸门底缘，以减轻水流波动引起的闸门振动；②消力池尾坎后冲刷坑坡比<1∶3，厂闸导墙脚处冲刷深度<3 m；③尽可能多开启闸孔，减小关闭闸孔后的回流强度，以减少尾坎下游砂石带入消力池的体量和冲刷深度。在进行万安水利枢纽泄洪调度试验研究时发现[3-4]，间隔开启在未开启的闸孔后面会产生较强的回流，消力池内主流左右摇摆，不稳定；采用分区调度[5-10](每区中闸孔要全部均匀开启)，可以减轻不良流态。

根据规划部门的要求，孤山航电枢纽泄洪方式如下：

(1)当预报入库流量Q<5 000 m3/s时，孤山水库按日调节运行方式运行，最高水位为正常蓄水位177.23 m，最低水位为死水位175 m，电站按3台机组发电考虑，即电站过流量为373.5 m3/s×3=1 120.5 m3/s。

(2)当5 000 m3/s≤预报入库流量Q≤12 000 m3/s时，孤山水库加大流量下泄，尽快将库水位降低至防洪运行控制水位174 m，电站按3台机组发电考虑，电站上下游水位差<5.5 m时停止发电。

(3)库水位降低至174 m后，当洪水来量小于泄洪能力时，按洪水来量下泄，坝前水位维持不变；当洪水来量大于泄洪能力时，按泄洪能力下泄，坝前水位相应抬高。随着泄量加大，左区泄水闸剩余闸孔陆续开启，直到左、右2区泄水闸全部开启敞泄洪水。Q>12 000 m3/s时，左区泄水闸闸孔采用全开方式开启，参与泄洪。

4 泄洪调度成果

4.1 Q<5 000 m3/s闸门控泄调度试验

模型试验工况为：正常蓄水位177.23 m对应的流量级为2 000、3 000、4 500 m3/s；死水位175.0 m对应的流量级为2 000、4 500 m3/s。除去电站过流量373.5 m3/s×3=1 120.5 m3/s，剩余的流量从闸孔过流。

试验方法：控制上游河道总流量和坝下游2 000 m处水位，调整弧形闸门开启高度(需要量测的高度)，使上游水位为正常蓄水位177.23 m或死水位175 m，消力池尾坎后河床铺砂高程为158 m。

4.1.1 上游正常蓄水位177.23 m闸门调度

4.1.1.1 3 000 m3/s流量级闸门开启方式

试验开启方式1：间隔开启4个闸孔11#、13#、15#、17#，因上游为弯道水流，11#闸孔下泄水流向右偏转，18#闸孔后出现较大回流，消力池内右侧有大量砂石带入，冲坑深度为4.2 m，流态不能满足要求。因水流向右偏转，4个闸孔整体向左移2孔，使出流分布均匀。

试验开启方式2：间隔开启4个闸孔9#、11#、13#、15#，闸门开启高度为2.2 m，闸下均为自由出流，左侧有弱回流，右侧无回流，水跃跃头距闸门底缘10～12 m。冲坑最大深度为3.5 m，在消力池内左右侧有少量砂石带入。流态明显改善，基本可满足要求。

4.1.1.2 2 000 m3/s流量级闸门开启方式

闸孔开启方式同3 000 m3/s流量级。间隔开启4个闸孔9#、11#、13#、15#，开启高度为1.01 m，闸孔均为自由出流，水跃跃头距闸门底缘11 m。冲坑最大深度为1.6 m，无砂石进入消力池。

4.1.1.3 4 500 m3/s流量级闸门开启方式

试验开启方式1：均匀开启7个闸孔11#—17#，出闸孔水流向右偏转，18#孔后出现较大回流。

试验开启方式2：均匀开启7个闸孔10#—16#，闸下均为自由出流(图2)，17#、18#闸孔后回流强度减小为弱回流，闸门开启高度为2.33 m，闸后水跃跃头距闸门底缘7～11 m，冲坑最大深度为158 m(铺砂高程)-154 m(冲刷最低点高程)=4 m，见图3。

图2 4 500 m3/s流量级下7个闸孔(10#—16#)自由出流流态(开启高度2.33 m)Fig.2 Free flow state at 4 500 m3/s flow rate with seven gates (10#-16#) opening to height 2.33 m

图3 4 500 m3/s流量级消力池尾坎冲淤后照片Fig.3 Scouring and silting behind the tail bucket of stilling pool at 4 500 m3/s flow rate

该流量级为了与3 000 、2 000 m3/s流量级开启的闸门孔号相对应，还可向左移动1孔，即按7个闸孔9#—15#开启，闸门开启高度为2.32 m。

因出闸孔水流向右偏转，开启消力池的左侧9#—15#闸孔，可使消力池右侧预留较大水域，减小关闭闸孔后的回流强度，进而减少下游带入消力池的砂石量。开启的闸孔号在不同的流量间相互调整，确保小流量已经开启的闸孔，大流量要继续开启，不够再开别的闸孔。

4.1.2 上游死水位175 m闸门调度

4 500、2 000 m3/s流量时上游死水位175 m闸门开启组合方式、出闸孔水流流态、冲坑深度与正常蓄水位177.23 m试验结果相当或有所改善，闸门开启高度分别为2.51、1.11 m。

4.2 5 000 m3/s ≤Q≤12 000 m3/s闸门控泄调度试验

4.2.1 5 000～8 000 m3/s

该流量区间，除去电站过流，过闸流量为3 879～6 879 m3/s，均匀开启8个闸孔9#—16#，闸门开启高度为2.63～5.45 m，闸下均为自由出流，冲坑最大深度为2.8 m，在消力池内右侧有少量砂石带入。当流量增大、下游水位升高，冲坑深度则减小。

当来流量为8 000 m3/s时，坝下300 m处的水位为168.34 m，与上游水位174 m的差值为5.66 m，与电站发电的最小水头5.5 m相当。即河道来流量>8 000 m3/s，电站要停止发电。

4.2.2 9 000～10 000 m3/s

该流量区间电站不过流，均匀开启10个闸孔9#—18#，闸门开启高度为5.90～7.05 m，除了9#孔为淹没出流外，其余闸孔均为自由出流，冲坑最大深度为3 m，消力池内无砂石进入。

4.2.3 12 000 m3/s

右区11个闸孔8#—18#全部开启，闸门开启高度为9.70 m，除了8#、9#孔为淹没出流外，其余闸孔均为自由出流，水跃跃头临近闸门底缘。下游河床冲坑最大深度与9 000 m3/s流量级相当。该流量为右区11个闸孔控泄的最大流量，即闸门最大开启高度时的流量。

将右区11孔流量2 000～12 000 m3/s弧形闸门控泄单向性连续调度运行方式汇总于表2。

表2 孤山航电枢纽弧形闸门控泄单向性连续调度运行方式Table 2 Unidirectional continuous dispatching mode of arch gate of Gushan navigation and power junction with controlled discharge

4.3 Q>12 000 m3/s闸门敞泄调度试验

当预报入库流量>12 000 m3/s后，右区11孔应逐步全部敞泄，上游水位维持在174 m左右，右区达到最大泄流能力后，逐步开启左区7孔闸。

右区11孔全部敞泄，左区7孔关闭，流量15 000 m3/s时，电站前水位为174.2 m，出闸水流平顺，消力池下游最大冲坑深度为3 m。

当预报入库流量≥15 000 m3/s后，应逐步开启左区7孔闸。模型试验流量为16 000、17 000、18 000 m3/s，试验研究左区7孔闸的开启顺序和测量闸孔墩尾后20 m(护坦范围为墩后15 m)的底部流速和电站前水位。

4.3.1 16 000 m3/s流量级

模型控制上游河道来流量和下游河道水位，在右区11孔闸全开敞泄下，再分别开启左区7#、6#、5#闸孔，4#、3#闸孔，2#、1#闸孔，4#闸孔，左区闸孔闸门运行方式是全开或全关。

当预报入库流量达到16 000 m3/s时，开7#、6#、5#三个闸孔最好，电站前水位为174.16 m，库水位变化不大，闸孔流态平顺，泄水闸下游墩尾后20 m底部流速为4.5 m/s，与左岸河床基岩抗冲流速相当；开4#、3#二个闸孔，电站前水位升高到174.35 m，其余相当；开2#、1#二个闸孔，电站前水位升高到174.38 m，闸孔上游为绕流，过流能力偏小，不宜采用；开4#一个闸孔，墩尾后20 m底部流速达到7.4 m/s，大大超过河床抗冲流速4.5 m/s，不宜采用。

4.3.2 17 000 m3/s流量级

当入库流量达到17 000 m3/s，左区再开启4#、3#二个闸孔，即18#—3#总共16孔泄水闸运行，电站前水位为174.30 m，墩尾后20 m底部流速≤4.5 m/s，闸孔流态平顺。

4.3.3 18 000 m3/s 流量级

当入库流量达到18 000 m3/s，左区再开启2#、1#闸孔，即18孔泄水闸全部开启运行，电站前水位为174.74 m，墩尾后20 m底部流速≤4 m/s，闸孔流态平顺。

4.3.4 18 000～38 100 m3/s流量级

当入库流量>18 000 m3/s，左右区18孔全部敞泄，泄水闸前后水流衔接平顺。右区泄水闸消力池下游河床基本未冲刷，消力池内也没有砂石进入；左区7#—3#泄水闸孔护坦下游河床约有2～3 m深的局部冲刷；下游混凝土纵向围堰左右两侧基本未冲刷，相关建筑物的安全基本不受影响。

将左右区18孔流量15 000～38 100 m3/s闸门敞泄调度运行方式汇总于表3。

表3 孤山航电枢纽闸门敞泄调度运行方式Table 3 Emptying operation mode of gates of Gushan navigation and power junction

右区过闸流量和弧形闸门开度关系曲线见图4。按该方式运行，右区8#—18#闸孔弧形闸门后基本为自由出流，运行较安全，12 000 m3/s为右区闸孔闸门控泄与敞泄的过渡流量；左右区下游河床冲坑最大深度≤4 m。8 000 m3/s流量级以上电站上下游水位差<5.5 m，机组停止发电。

图4 右区过闸流量和弧形闸门开度关系曲线Fig.4 Relation between flow rate and opening degree of arch gate in the right area

5 结 论

(1)闸坝型水库弧形闸门采用单向性连续开启或关闭的调度运行方式，在模型试验中，需要在不同的流量之间反复调整闸门的开启组合方式，使闸孔号前后对应起来且出闸流态、冲坑深度等指标满足要求。

(2)大流量时，尽可能多均匀开启闸孔，以免在关闭的闸孔后产生回流；小流量时出闸水流流速较小，则可以间隔开启。