枕頭壩一級(jí)水電站蓄水時(shí)的水情調(diào)度總結(jié)

侯　璐，　王 海 勝，　樊　宇

(國(guó)電大渡河枕頭壩水電建設(shè)有限公司，四川 樂(lè)山　614700)

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枕頭壩一級(jí)水電站蓄水時(shí)的水情調(diào)度總結(jié)

侯璐，王 海 勝，樊宇

(國(guó)電大渡河枕頭壩水電建設(shè)有限公司，四川 樂(lè)山614700)

摘要：介紹了枕頭壩一級(jí)水電站蓄水采用的泄洪閘閘門(mén)開(kāi)度計(jì)算方法及其在蓄水中的應(yīng)用實(shí)踐，分析了非天然來(lái)水情況下蓄水的特點(diǎn)，提出了預(yù)先對(duì)水情進(jìn)行判斷，掌握蓄水量與壩前水位的關(guān)系、入庫(kù)流量與壩前水位的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了安全、精確蓄水。

關(guān)鍵詞：閘孔出流；蓄水量；入庫(kù)流量；水位；枕頭壩一級(jí)水電站

1工程概述

枕頭壩一級(jí)水電站位于樂(lè)山市金口河區(qū)的大渡河干流，上游為已建的深溪溝、瀑布溝水電站，下游為枕頭壩二級(jí)水電站。該工程為二等大(2)型工程，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧下游用水。水庫(kù)正常蓄水位高程624 m，相應(yīng)庫(kù)容0.435億m3，死水位高程618 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.145億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站裝機(jī)容量720 MW，多年平均年發(fā)電量32.9億kW·h。

電站樞紐建筑物從左到右依次為左岸非溢流重力壩段、河床式廠(chǎng)房壩段、泄洪閘及排污閘壩段、右岸非溢流重力壩段等，最大壩高86.5 m。泄洪閘共5 孔(圖1)，單孔尺寸為8 m×16 m(寬×高)，進(jìn)口底板高程585 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)60 m；2號(hào)和3號(hào)泄洪閘之間為儲(chǔ)門(mén)槽壩段并布置排污閘1 孔，堰頂高程為617 m，孔口尺寸6 m×7 m(寬×高)。

電站于2015年5月1日下閘，5月7日蓄水至正常蓄水位高程624 m。

2蓄水方案

枕頭壩一級(jí)水電站擬定的蓄水方案為采用3號(hào)至5號(hào)泄洪閘工作門(mén)關(guān)閉擋水，1號(hào)、2號(hào)泄洪閘工作門(mén)同步局開(kāi)下泄流量不小于327 m3/s，庫(kù)區(qū)水位從高程593 m蓄至高程624 m，將水庫(kù)水位上升速度控制在5 m/d左右，并在高程618 m(死水位)短暫停歇進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。不蓄水時(shí)段來(lái)多少流量下泄多少流量，亦通過(guò)1號(hào)、2號(hào)工作門(mén)下泄。

因此，該工程實(shí)現(xiàn)蓄水的主要思路為：(1)根據(jù)庫(kù)容與水位關(guān)系曲線(xiàn)得出當(dāng)天需攔蓄的水量；(2)根據(jù)攔蓄水量、上游來(lái)水量及蓄水時(shí)段初擬下泄流量；(3)根據(jù)下泄流量擬定閘門(mén)開(kāi)度。

3泄洪閘溢流的水力計(jì)算

該工程蓄水前，考慮了兩種擬定閘門(mén)開(kāi)度的方法。第一種方法為查表法，即依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的單孔閘門(mén)溢流曲線(xiàn)(即水位流量開(kāi)度表)，用內(nèi)插法將閘門(mén)開(kāi)度細(xì)化到0.1 m，蓄水時(shí)根據(jù)不同壩前水位、下泄流量查表得到閘門(mén)開(kāi)度；第二種方法為公式法，即根據(jù)泄洪閘尺寸建立水力學(xué)公式，在某個(gè)壩前水位下輸入閘門(mén)開(kāi)度直接得到下泄流量，根據(jù)目標(biāo)下泄流量擬定閘門(mén)開(kāi)度。顯然，在公式法計(jì)算準(zhǔn)確的情況下，用公式法操作簡(jiǎn)單、高效。該工程蓄水過(guò)程中，采用公式法擬定閘門(mén)開(kāi)度，以閘門(mén)溢流曲線(xiàn)作參考。

3.1邊界條件

蓄水過(guò)程中，泄洪閘溢流有兩種工況，分別為堰流及閘孔出流。當(dāng)閘門(mén)下緣脫離水面、閘門(mén)對(duì)水流不起控制作用時(shí)，水流從建筑物頂部自由下泄，這種水流狀態(tài)被稱(chēng)為堰流；當(dāng)水流受閘門(mén)控制而從溢流面與閘門(mén)下緣間的孔口流出時(shí)，這種水流狀態(tài)被稱(chēng)為閘孔出流。

起蓄水時(shí)，泄洪閘溢流為堰流，閘門(mén)開(kāi)度應(yīng)為采用堰流計(jì)算保證下泄流量目標(biāo)值的對(duì)應(yīng)水頭，若通過(guò)泄洪閘的流量大于下泄流量目標(biāo)值，則水在閘前壅高，從堰流工況過(guò)渡為閘孔出流工況。

3.2計(jì)算公式

3.2.1堰流工況

圖1　泄洪閘剖面圖

按照堰坎厚度δ與堰上水頭H的比值大小及水流特征，將堰流分作薄壁堰流、實(shí)用堰流及寬頂堰流三種類(lèi)型。其中，當(dāng)2.5<δ/H<10時(shí)為寬頂堰流。

該工程為寬頂堰流且堰孔寬度小于上游引渠寬度，為無(wú)坎寬頂堰流。下泄流量Q公式為：

式中σs為淹沒(méi)系數(shù)，根據(jù)相對(duì)淹沒(méi)度(堰頂以上的下游水深與閘前水頭的比值)的增大而減小，該工程取σs=1；m′為流量系數(shù)。該工程為圓弧型翼墻，根據(jù)(堰孔凈寬/上游渠道底寬)與(翼墻半徑/堰孔凈寬)查表可得，該工程取0.35；n為閘孔數(shù)；b為閘孔寬度；H為閘前水頭。

3.2.2閘孔出流工況

(1)理論計(jì)算。

水流經(jīng)閘門(mén)約束會(huì)在閘門(mén)下游處出現(xiàn)水深最小的收縮斷面。收縮斷面處的水流為急流，而閘后渠道中的下游水流為緩流，水流從急流到緩流時(shí)要發(fā)生水躍。受水躍位置的影響閘孔出流分為自由出流及淹沒(méi)出流兩種。當(dāng)水躍發(fā)生在收縮斷面處或收縮斷面下游時(shí)，下游水深的大小不影響閘孔出流，為閘孔自由出流，該工程為底坎為寬頂堰型閘孔自由出流，下泄流量Q公式為：

式中μ為寬頂堰型閘孔自由流的流量系數(shù)；e為閘門(mén)開(kāi)度。對(duì)于弧形閘門(mén)的閘孔，流量系數(shù)μ可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

μ=(0.97-0.81α°/180°)-(0.56-

0.81α°/180°)e/H

上式的適用范圍：25°<α≤90°；0

0.65。

式中α按cosα=(c-e)/R計(jì)算。c為門(mén)軸高度；R為弧門(mén)半徑。

根據(jù)以上計(jì)算方法，在EXCEL中建立計(jì)算公式。以該工程為例，門(mén)軸高度c=弧門(mén)支鉸高程(605 m)-閘底板高程(585 m)=20 m，弧門(mén)半徑R=26 m，閘門(mén)寬度b=8 m，在已知壩前水位時(shí)，輸入不同閘門(mén)開(kāi)度e值，可以得到閘門(mén)下泄流量(表1)。

表1　不同水位對(duì)應(yīng)的單孔、雙孔下泄流量表

(2)理論計(jì)算值的修正。

蓄水過(guò)程中，考慮并對(duì)比實(shí)際下泄流量，對(duì)理論計(jì)算值進(jìn)行修正，主要思路為：在一定時(shí)間內(nèi)(根據(jù)庫(kù)容大小，本工程考慮大于1 h的情況)，當(dāng)壩前水位維持不變，可以認(rèn)為下泄流量近似等于入庫(kù)流量，將理論計(jì)算的下泄流量乘以修正系數(shù)即可得到較準(zhǔn)確的實(shí)際下泄流量。所選取的本工程的幾個(gè)水位修正系數(shù)見(jiàn)表2。

表2　不同水位對(duì)應(yīng)的下泄流量修正系數(shù)表

備注：低水位時(shí)，入庫(kù)流量與下泄流量相差不大，因蓄水需要，未進(jìn)行下泄流量系數(shù)修正。

當(dāng)?shù)玫较滦沽髁啃拚禂?shù)后，可以較準(zhǔn)確地獲得閘門(mén)下泄流量，從而對(duì)蓄水過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)度。從表2中還可以看出，當(dāng)水位到達(dá)高程612.3 m時(shí)，下泄流量的計(jì)算值與實(shí)際值已基本一致，因此，到達(dá)一定水位時(shí)，出庫(kù)流量的計(jì)算值與實(shí)際值已相差不大，其差值短時(shí)間內(nèi)不足以引起庫(kù)水位的變化，在該水位以后，可直接采用下泄流量計(jì)算值。

4非天然來(lái)水情況下蓄水的特點(diǎn)

蓄水中，除計(jì)算下泄流量外，還需根據(jù)當(dāng)天的蓄水計(jì)劃(目標(biāo)蓄水位)計(jì)算蓄水量，分析蓄水量與壩前水位的關(guān)系，以達(dá)到精準(zhǔn)蓄水的目標(biāo)，特別是庫(kù)容較小的電站，蓄水量和壩前水位的關(guān)系尤為重要。該電站入庫(kù)流量非天然徑流，而是上游瀑布溝、深溪溝電站的發(fā)電下泄流量。由于瀑布溝電站承擔(dān)著四川省電網(wǎng)調(diào)峰，其下泄流量不均勻、變幅大，在此情況下蓄水，加之本電站庫(kù)容小，具有入庫(kù)流量瞬時(shí)波動(dòng)大、瞬時(shí)出現(xiàn)的大流量引起壩前水位快速上漲的特點(diǎn)，若不對(duì)水情有提前判斷，可能會(huì)頻繁調(diào)整閘門(mén)開(kāi)度而不利于安全運(yùn)行，且臨近正常蓄水位時(shí)，若水位快速上漲將會(huì)引起險(xiǎn)情。

蓄水中對(duì)水情的判斷主要明確兩點(diǎn)：一是蓄水量與壩前水位的關(guān)系；二是入庫(kù)流量與壩前水位的關(guān)系。

4.1入庫(kù)流量的不均勻性

枕頭壩一級(jí)水電站與上一梯級(jí)深溪溝電站之間無(wú)支流，深溪溝電站下泄流量即為枕頭壩一級(jí)水電站的入庫(kù)流量。根據(jù)蓄水期枕頭壩一級(jí)水電站入庫(kù)流量記錄，在早6點(diǎn)至8點(diǎn)、午11點(diǎn)至13點(diǎn)、晚17點(diǎn)至19點(diǎn)，上游深溪溝電站下泄流量較大，其他時(shí)段下泄流量基本只能保證生態(tài)下泄流量及一定富余度，而且下泄流量的變幅大，上游深溪溝電站每增加一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，下泄流量增加約160 m3/s，蓄水期間入庫(kù)流量在327～1 000 m3/s之間。

4.2蓄水量與壩前水位之間的關(guān)系

為了對(duì)每天的蓄水量提早判斷，本工程在蓄水過(guò)程中對(duì)庫(kù)容-水位曲線(xiàn)進(jìn)行了復(fù)核。庫(kù)容-水位曲線(xiàn)為原始地形測(cè)量數(shù)據(jù)，受測(cè)量精度及庫(kù)區(qū)淤積等影響，設(shè)計(jì)庫(kù)容一般較實(shí)際偏大。庫(kù)容-水位曲線(xiàn)復(fù)核的思路：蓄水中，不考慮迴水因素。假設(shè)庫(kù)區(qū)水面為平面，某一時(shí)段內(nèi)的壩前水位差即對(duì)應(yīng)該時(shí)段的蓄水量。圖2所示為死水位以上根據(jù)蓄水量計(jì)算的庫(kù)容與設(shè)計(jì)庫(kù)容的比較情況，圖2所示，蓄水量大約占設(shè)計(jì)庫(kù)容的75%，只有掌握了蓄水量的大致數(shù)據(jù)，方可估算出每天蓄水目標(biāo)需攔蓄的水量，特別是臨近正常蓄水位時(shí)需攔蓄的水量，對(duì)安全、精確蓄水具有重要作用。

4.3入庫(kù)流量與壩前水位之間的關(guān)系

上述提到的蓄水量與壩前水位之間的關(guān)系忽略了庫(kù)區(qū)迴水因素，且某一較大流量從入庫(kù)到壩前需要一定的時(shí)間，在下泄流量較小的情況下，還會(huì)在壩前壅高，因此，較大的入庫(kù)流量也是壩前水位的影響因素之一。

圖2　不同水位設(shè)計(jì)庫(kù)容、蓄水量對(duì)應(yīng)庫(kù)容示意圖

瞬間出現(xiàn)的較大入庫(kù)流量在庫(kù)區(qū)的行進(jìn)類(lèi)似某河段中的洪水波運(yùn)動(dòng)，其到達(dá)壩前的流量可參照相應(yīng)水位(流量)法，即根據(jù)河段洪水波運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律，利用河段上斷面的實(shí)測(cè)水位(流量)預(yù)報(bào)河段下斷面未來(lái)水位(流量)的方法。其基本原理如圖3所示。例如上游點(diǎn)2洪峰水位經(jīng)過(guò)河段傳播時(shí)間τ，在下游站點(diǎn)2＇的洪峰水位就是同位相的水位，處于同一位相點(diǎn)上下站的流量成為相應(yīng)流量。將其引用到本工程中，上段面的實(shí)測(cè)流量即深溪溝電站出庫(kù)流量(或本電站入庫(kù)流量)，下斷面未來(lái)流量即為本電站壩前流量。

用相應(yīng)水位(流量)法預(yù)測(cè)本電站壩前流量主要有兩個(gè)不確定因素：(1)不同流量在河段中的傳播時(shí)間τ是變化的；(2)庫(kù)區(qū)對(duì)流量有一定的坦化作用。筆者就這兩個(gè)不確定因素的變化規(guī)律進(jìn)行了以下說(shuō)明。

4.3.1不同流量在河段傳播時(shí)間的變化規(guī)律

枕頭壩一級(jí)水電站壩址距離上游深溪溝電站25 km，在起蓄水位(高程593 m)，小流量在河段傳播的時(shí)間τ大約為100 min。隨著庫(kù)水位的上升，流量在河段傳播的時(shí)間逐漸縮短且隨著流量增大傳播的時(shí)間縮短。水位到達(dá)高程623 m、超過(guò)600 m3/s的大流量反應(yīng)到壩前的傳播時(shí)間τ大約為30 min。

圖3　上、下游斷面相應(yīng)水位過(guò)程線(xiàn)圖

4.3.2庫(kù)區(qū)對(duì)流量的坦化作用

當(dāng)形成一定的庫(kù)容以后，瞬間出現(xiàn)的大流量引起壩前水位快速上升的效應(yīng)會(huì)有一定的減弱。這是因?yàn)殡S著庫(kù)水位的上升，河面逐漸寬闊，過(guò)流面積增大，水流擴(kuò)散，流速減緩。

綜上所述，在本工程實(shí)際蓄水過(guò)程中，反映出蓄水量和瞬間大流量值對(duì)壩前水位影響較大，特別是庫(kù)區(qū)水位較高后，瞬間的大流量會(huì)立刻引起壩前水位的快速上升，且水位上升會(huì)持續(xù)到該大流量傳播結(jié)束。

5結(jié)語(yǔ)

(1)該工程在蓄水過(guò)程中，根據(jù)泄洪閘基礎(chǔ)參數(shù)建立了水力學(xué)公式，并根據(jù)庫(kù)水位平衡在不同水位時(shí)對(duì)公式進(jìn)行了校核。采用該方法初擬了閘門(mén)開(kāi)度，在某個(gè)壩前水位下，輸入閘門(mén)開(kāi)度能夠直接得到下泄流量，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，可在其它電站蓄水時(shí)采用。

(2)該電站的蓄水是在上游非天然來(lái)水情況下進(jìn)行的，入庫(kù)流量瞬時(shí)變化大。蓄水中，通過(guò)分析不同時(shí)段入庫(kù)流量變化、蓄水量、入庫(kù)流量與壩前水位的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)的科學(xué)、合理調(diào)度。特別是蓄水位接近設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)，在入庫(kù)流量迅速增加的情況下，準(zhǔn)確判斷了水位上升趨勢(shì)，最終水位緩慢達(dá)到正常蓄水位，未造成下泄流量大幅波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了安全、精確蓄水。

侯璐(1987-)，女，四川仁壽人，副處長(zhǎng)，工程師，學(xué)士，從事水電工程建設(shè)技術(shù)與管理工作；

王海勝(1978-)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，從事水電工程建設(shè)技術(shù)與管理工作；

樊宇(1967-)，男，陜西西安人，總工程師，高級(jí)工程師，從事水電工程技術(shù)與建設(shè)管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-15

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0085-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TV7;[TV-9]；TV737

作者簡(jiǎn)介: