劉和詠，王 偉，胡晨賀，薛萬(wàn)軍

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川省成都市 617000）

1 概述

錦屏二級(jí)攔河閘壩位于錦屏大河灣西段的毛毛灘，距上游錦西電站約7.5km。水庫(kù)正常蓄水位1646m、死水位1640m，日調(diào)節(jié)庫(kù)容為496萬(wàn)m3。攔河閘壩主要由河中泄洪閘、兩岸擋水壩段、上游鋪蓋和下游消能防沖設(shè)施等組成。泄洪閘布置在主河床，共設(shè)置5個(gè)閘室段，每個(gè)閘室寬20m，泄洪凈寬13m，泄洪閘段總長(zhǎng)100m，閘頂高程1654m，最大閘高34m。閘室溢流堰采用平底寬頂堰類(lèi)型，閘室底板頂高程為1626m，底板厚6m。泄洪閘工作門(mén)采用開(kāi)敞式弧形閘門(mén)，尺寸為13m×22m（寬×高）。

依據(jù)2015年汛期歷史泄流數(shù)據(jù)，選取典型時(shí)間段泄洪閘水位—開(kāi)度—流量關(guān)系數(shù)據(jù)，采用關(guān)系曲線法（閘上水位與流量關(guān)系）及傳統(tǒng)水力學(xué)法（綜合流量系數(shù)），對(duì)單孔泄流曲線進(jìn)行率定，并將率定結(jié)果反代回實(shí)際工況進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)分析校驗(yàn)結(jié)果得到對(duì)實(shí)際泄洪閘門(mén)調(diào)度具有參考意義的結(jié)論。因各孔泄流能力相同，故以單孔為例進(jìn)行研究。

2 基于水位關(guān)系率定泄流曲線

根據(jù)2015年汛期水電站閘門(mén)運(yùn)行情況，因?yàn)槎嗫组l門(mén)泄流能力與單孔成倍數(shù)關(guān)系，且大多數(shù)情況下閘門(mén)均為成組開(kāi)啟的方式（常用方式有3號(hào)單孔，2號(hào)、4號(hào)雙孔，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)或1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)三孔，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)五孔），選取不同水位下閘門(mén)開(kāi)度相同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照出入庫(kù)流量平衡公式（忽略河道區(qū)間流量、水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏等影響），計(jì)算出相同開(kāi)度下不同水位時(shí)單孔泄流能力[1]。本文中僅以0.7m開(kāi)度時(shí)的原始數(shù)據(jù)為例，1.7m及2.8m開(kāi)度情況下的數(shù)據(jù)處理與0.7m時(shí)一致，原始數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同開(kāi)度下各不相同，主要按照泄洪閘上游水位排序，并根據(jù)其最大最小值確定加權(quán)平均段的劃分。

相同水位下，閘門(mén)開(kāi)度越大則泄流能力越大；相同開(kāi)度下，水庫(kù)水位越高則泄流能力越強(qiáng)。

3 基于流量系數(shù)法率定泄流曲線

3.1 堰流流量率定[3]

五孔泄洪閘全開(kāi)時(shí)，閘壩過(guò)流為堰流，按照設(shè)計(jì)資料其淹沒(méi)系數(shù)介于0.8～0.9之間，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 266—2001）可查得0.86≤hs/h0≤0.91，因?yàn)閔s=hl且hu＜h0，所以hl/hu≥0.8，即說(shuō)明此時(shí)閘壩過(guò)流為淹沒(méi)堰流。按照規(guī)范中的閘孔總凈寬公式可知流量，從設(shè)計(jì)資料中查得1640～1646m間的計(jì)算成果見(jiàn)表1。

上式中σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)，ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，m為堰流流量系數(shù)，B0為閘孔總凈寬，h0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深。

表1 設(shè)計(jì)資料中的流量、系數(shù)、水位計(jì)算成果Tab.1 Calculation results of flow， coefficient and water level in design data.

表2 不同水位對(duì)應(yīng)M值表Tab.2 Corresponding M table of different water levels

表 3 不同水位下的閘孔過(guò)流能力表Tab.3 Sluice flow capacity table at different water levels

因?qū)嶋H運(yùn)行過(guò)程中，五孔泄洪閘從未全開(kāi)運(yùn)行過(guò)，故上述數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無(wú)法通過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，需在今后有條件時(shí)再進(jìn)行率定。

因錦屏二級(jí)攔河閘屬于平底寬頂堰，根據(jù)多數(shù)水力學(xué)教程及計(jì)算手冊(cè)中均采用的判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)e/hu≥0.65時(shí)為堰流，當(dāng)e/hu＜0.65時(shí)為孔流。故得到孔流、堰流交接面的閘門(mén)開(kāi)度見(jiàn)表4。

表4 孔流、堰流交接開(kāi)度表Tab.4 The opening scale of flow and weir flow

3.2 孔流流量率定

研究閘門(mén)淹沒(méi)在水中時(shí)出流流態(tài)為孔流的情況。查詢孔流歷史運(yùn)行資料可知，對(duì)于錦屏二級(jí)攔河閘任何孔流流態(tài)下均滿足hu＞e＜hl，故其為典型的淹沒(méi)孔流，流量的計(jì)算適用公式為。

圖1中，hu為上游水頭，m；hl為下游水頭，m；e為閘門(mén)開(kāi)啟高度，m；B為閘門(mén)總寬，m；ΔZ為水頭差，m；M、M1為不同流態(tài)的綜合流量系數(shù)，可由實(shí)測(cè)流量利用以上公式進(jìn)行反算。

3.2.1 孔流時(shí)段選取

選擇2015年錦屏二級(jí)、錦屏一級(jí)電站負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，錦屏二級(jí)泄洪閘開(kāi)度相對(duì)固定的時(shí)段，因2015年單孔泄洪閘開(kāi)度大于4m的時(shí)段不具有穩(wěn)定性（穩(wěn)定性主要是指閘門(mén)開(kāi)啟后至少在該開(kāi)度下穩(wěn)定運(yùn)行3h，否則計(jì)算所得的單孔泄流能力誤差較大，容易對(duì)率定結(jié)果造成較大誤差），故選取典型時(shí)段泄洪閘開(kāi)度均未超過(guò)4m、大于開(kāi)度4m部分的綜合流量系數(shù)可根據(jù)實(shí)際流量加以修正[5]。

3.2.2 孔流綜合流量系數(shù)計(jì)算

圖1 單孔泄流示意圖Fig.1 Schematic diagram of single hole spillway.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制綜合流量系數(shù)M1與上下游水位差對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖2所示，綜合流量系數(shù)M1與閘門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖3所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和關(guān)系曲線圖可以看出：隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大，閘下水位隨之升高，上下游水位差隨之減小，計(jì)算得出的綜合流量系數(shù)M1也逐步增大。

根據(jù)綜合流量系數(shù)M1計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)不同閘門(mén)開(kāi)度下，綜合流量系數(shù)M1取值參考見(jiàn)表5。

表5 綜合流量系數(shù)M1參考取值表Tab.5 Comprehensive flow coefficient M1 reference value table

圖2 綜合流量系數(shù)M1與上下游水位差對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖Fig.2 The correlation curve between the integrated flow coefficient M1 and the upstream and downstream water levels

圖3 綜合流量系數(shù)M1與閘門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖Fig.3 correlation curve of the integrated flow coefficient M1 and gate opening

4 泄流曲線驗(yàn)證

根據(jù)不同水位下的單孔泄流能力表、不同水位下的閘孔過(guò)流能力表以及孔流、堰流交接開(kāi)度表擬合得到不同水位下各開(kāi)度的單孔過(guò)流能力表，見(jiàn)表6。將表6的數(shù)據(jù)插值后在Excel中做成基于關(guān)系曲線的泄流曲線查詢表[7]，如圖4所示。

選取非典型時(shí)段泄洪閘流量關(guān)系數(shù)據(jù)，校核水位流量關(guān)系曲線法及綜合流量系數(shù)法所求得泄流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[8]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7（注：實(shí)測(cè)流量根據(jù)流量平衡原理通過(guò)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)查得）。率定結(jié)果與設(shè)計(jì)曲線對(duì)比如圖5所示，各曲線與實(shí)測(cè)值的偏差如圖6所示（默認(rèn)實(shí)測(cè)值偏差為0，則陰影面積越大說(shuō)明誤差越大，正負(fù)誤差可以抵消以貼合實(shí)際工作）。

表6 不同水位下各開(kāi)度的單孔過(guò)流能力表Tab.6 The single-hole overcurrent capacity table of each opening at different water levels

圖4 不同水位下各開(kāi)度的單孔泄流曲線Fig.4 Single - hole discharge curves of each opening at different water levels

由表7、圖5及圖6可知：

圖5 率定結(jié)果與設(shè)計(jì)曲線對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of yield and design curve

表7 水位流量關(guān)系曲線法及綜合流量系數(shù)法準(zhǔn)確性校核表Tab.7 The relationship curve of water level and the accuracy of the comprehensive flow coefficient method

圖6 各曲線與實(shí)測(cè)值的偏差面積圖Fig.6 Deviation area diagram of each curve and measured value

設(shè)計(jì)1代表設(shè)計(jì)院最初根據(jù)投產(chǎn)初期河道地質(zhì)條件計(jì)算的結(jié)果，其僅通過(guò)模型試驗(yàn)率定得到，未經(jīng)過(guò)實(shí)際校驗(yàn)且在下游流道清淤后地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，目前看來(lái)其誤差達(dá)到了10%以上，故在日常水庫(kù)調(diào)度中并不適用。

設(shè)計(jì)2代表設(shè)計(jì)院根據(jù)最新清淤后的地質(zhì)條件改變情況并結(jié)合2013年、2014年的運(yùn)行情況率定的新結(jié)果，由于工程施工的不確定性，清淤的效果可能不如預(yù)期，且經(jīng)過(guò)2015年的運(yùn)行可能再次淤積，實(shí)際看來(lái)其對(duì)清淤的效果過(guò)于理想化，從而導(dǎo)致率定結(jié)果比實(shí)際偏大，但由于其偏差基本為正偏差，故實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)小于1的比例系數(shù)。

采用綜合流量系數(shù)計(jì)算得出的泄流量與實(shí)測(cè)流量絕對(duì)偏差相對(duì)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)2來(lái)說(shuō)有所減小，且其相對(duì)偏差在所有結(jié)果中是最小的，說(shuō)明綜合流量系數(shù)M1經(jīng)驗(yàn)取值更貼合實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樵趯?shí)際水庫(kù)調(diào)度中閘門(mén)的開(kāi)度調(diào)整是常態(tài)，那么能在不同開(kāi)度對(duì)偏差自行消除或削弱顯然更符合實(shí)際。

關(guān)系曲線法率定的結(jié)果整體偏小，但其絕對(duì)誤差是最小的，考慮其能夠根據(jù)水位和開(kāi)度直接求得流量，且易于進(jìn)行插值計(jì)算得到各個(gè)開(kāi)度、水位下相應(yīng)的流量，可開(kāi)發(fā)性較強(qiáng)且能通過(guò)系數(shù)不斷修正，故實(shí)用性較高便于在日常水庫(kù)調(diào)度中推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

該水電站泄流曲線率定主要結(jié)合設(shè)計(jì)資料和實(shí)際運(yùn)行情況，基于出入庫(kù)流量平衡原理，通過(guò)采取現(xiàn)有水位流量歷史數(shù)據(jù)繪制關(guān)系曲線，以及按傳統(tǒng)水力學(xué)法計(jì)算分析的兩種途徑對(duì)錦屏二級(jí)電站泄流曲線進(jìn)行率定、分析，因此，關(guān)系曲線法率定的結(jié)果實(shí)用性較高便于在日常水庫(kù)調(diào)度中推廣。

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劉和詠（1986—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：327295031@qq.com

王 偉（1990—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：869458259@qq.com

胡晨賀（1988—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：863143920@qq.com

薛萬(wàn)軍（1988—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行。E-mail：244351073@qq.com