低坝闸门调度分析计算

周永红

（湖南五凌电力有限公司 长沙市 410004）

1 研究前景

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。随着自动化控制在水利工程中的应用以及采用复杂的闸门调度程序，给闸门调度工作提出了更高的要求。在消能工定型条件下，通过闸门调度的优化，可实现满足水跃流态的要求；可优化下游的衔接流态；可最大限度地避免或减轻下游河床的冲刷破坏。相反，如不遵循设计提供的闸门调度方式，往往会给工程带来严重的后果。笔者了解的类似工程有：湘江干流浯溪水电站就因为弧型门没有安装好，无法按预定的程序开闸泄洪，导致下游两岸局部崩塌和房屋冲毁；湘江干流近尾洲水电站，初期运行时没有按照设计提供的闸门调度方式泄洪，同样导致下游两岸的严重冲刷；类似这样的工程数不胜数。那么怎样给出最优的闸门调度程序是设计和科研人员比较头痛的问题，目前在缺乏成熟的理论计算方法条件下，大多数工程是依赖于水工模型试验来得到，而模型试验需耗费财力和时间，本文在这方面作了一些探索并给出了一种计算方法。

2 闸门调度相关参数计算

2.1 水跃参数计算与判断

（1）收缩断面水深计算。

式中hc——收缩断面水深；

q——溢流部分坝面单宽流量；

φ——坝面流速系数；

Q——泄流量；

H——收缩断面底板以上净水头；

B——坝前河道过流宽度。

（2）第二共轭水深计算。

式中hc＂——第二共轭水深；

F——弗汝德数；

由hc＂判断水跃形态。

（3）尾坎后水面落差计算。

式中 △Z——尾坎后水面落差；

b——尾坎断面过流宽度；

φ′——消力池出池流速系数，一般取0.95；

ht——护坦底板以上水深；

σ——水跃安全系数，可取σ=1.05～1.1。

根据△Z可判断下游衔接的流态。

（4）验证消力池深。

式中S——消力池深。

若计算参数不满足上式要求，则需加深池深，若在池深确定情况下，则说明计算工况不符合水跃要求，应避免这种开启工况。

2.2 消能率计算

（1）收缩断面的总比能E1：

（2）跃后断面总比能E2：

式中 φ＂——流速系数取0.95；

q2——跃后断面单宽流量 （隔孔开启时为扩散后的单宽流量）；

E1、E2——分别为收缩断面与跃后断面比能。

（3）消能率计算：

（4）消力池尾坎后的流速（V）计算：

由V定性判断下游河床冲刷情况。

3 落水洞水电站工程实例计算

3.1 工程概况

工程位于沅水一级支流酉水北源干流的中游。以发电为主，总装机35 MW。50年一遇设计洪水流量5 520 m3/s；500年一遇校核洪水流量2 840 m3/s；正常蓄水位分为汛控水位443.0m，汛后水位441.0 m。工程布置设5孔11 m×14.0 m（宽×高）实用堰型溢流坝，右岸河汊为挡水坝。底流消能方式，池底高程414.0 m，池深4.0 m，差动尾坎高程419.5 m，护坦高程418.0 m，消力池长30.0 m，护坦长15.0 m，消力墩高2.5m。河床允许抗冲流速4.9m/s。

3.2 闸门调度计算

落水洞水电工程布置5孔消力池，可选择的闸门调度方式有间隔3孔起调和5孔起调两种方式。按照前述计算方法，分别计算了3孔开2.0m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、9.0 m和5孔同样开度的水跃参数以及△Z和消能率等，结果见附表。

附表 落水洞水电站闸门调度计算成果

3孔隔开时，水跃淹没系数为0.72～0.76，说明消力池深（4.0 m）不够，不能形成淹没水跃，需加深池深3.0m左右或增设辅助消能工，模型中是设置梯形消力墩。而开启五孔泄洪，由于下游水深的增加，其开度自2.0至全开均能形成淹没水跃流态。从附表中尾坎后水面跌落情况看，3孔开启为（0.85～1.0）m，5 孔开启为（0.74～0.82）m，分别判断下游衔接流态为波流，即水面出现不同程度的波动，相对来说3孔开启比5孔开启波动强烈。经计算尾坎后的流速，3 孔开启为（6.0～7.7）m/s，规律是闸门开度越大流速亦越大，与允许抗冲流速4.9m/s比较，将会发生不同程度的河床冲刷；而5孔开启时，尾坎后流速小于3.3m/s比允许抗冲流速小，单纯以此判断，河床不会发生冲刷，但由于水跃淹没系数较大，不属于自由水跃范筹，计算的水跃参数存在一定偏差，因此尾坎后实际流速要大一些，另一方面随着单宽流量的增大，泄洪功率增大，可能会引发河床冲刷，故闸门调度计算时不能忽视这一现象。

综上所述，按计算成果拟定的闸门调度方案为：5孔起调，限制开度，即5孔从0m同步开启至9.5m，此时下泄流量为5000m3/s达到电站停机流量，流量再增加可全开闸门敞泄。

4 计算与试验比较

模型在不设消力墩时，3孔各种开度工况均没有形成稳定的淹没水跃，这与计算结果是一致的。5孔各种开度工况，池内流态均为淹没程度不同的水跃流态；下游衔接流态为波流，试验测得最大波高为（0.7～1.1）m，与计算结果吻合较好；5孔开度小于4.0 m主河床基本没有发生冲刷，大于4.0m以后随着单宽流量的增加，河床开始发生冲刷，开启6.0 m时，冲深1.8 m，开启8.5 m时冲深2.7 m，但小于稳定冲坑坡比1∶3，这是允许的，表明试验结果比较全面验证了闸门调度计算成果的可行性。

5 结 论

低坝工程泄洪主要依赖于有限的水跃流态消能，余能较大，这需要借助合理的闸门调度方式来保证水跃流态的形成和避免或减轻下游河床的冲刷，确保工程安全运行。本文给出的闸门调度分析计算方法为这一问题的解决提供了一种较好的途径。需要指出的是，大泄洪功率冲刷问题没有得到很好的反映，应用者要注意这一点。