土谷塘航電樞紐泄水閘弧門開啟方式研究

甘茂輝 賀柏武

（湖南湘江航運建設開發有限公司長沙市410011）

土谷塘航電樞紐工程主要建筑物從左至右依次為魚道、電站4臺機組、1孔排污閘、17孔泄水閘及1 000 t級船閘，總寬度為722 m。泄水閘采用鋼質弧門，水庫正常蓄水位為58.0 m，電站單機引用流量398 m3/s。樞紐水庫調度方式為：入庫流量Q≤1 600 m3/s時，泄水閘關閉，電站發電；入庫流量Q≥4 700 m3/s時，泄水閘全部開啟，電站停止發電；入庫流量1 600 m3/s＜Q＜4 700 m3/s時，樞紐上游庫區為正常蓄水位58.0 m，電站4臺機組滿負荷發電，泄水閘弧門逐步開啟，由于弧門開啟方式不同，會使樞紐下游的流場和電站尾水水位有所不同，進而影響船閘下游口門區及連接段的通航水流條件和電站發電。

下面通過試驗選取Q=2 560 m3/s、3 600 m3/s、4 700 m3/s三級典型流量，研究不同的泄水閘弧門開啟方式對船閘通航水流條件和電站發電的影響，從而優選出最佳的弧門開啟方式。

1 Q=2 560 m3/s，電站引流量1 600 m3/s，泄水閘過流量960 m3/s時的開啟方式

（1）開啟方式一：開啟靠近電站側的3#、5#、7#弧門。

泄水閘下泄水流與電站出流匯合順主河槽而下，并在右側泄水閘下游形成大范圍橢圓形順時針回流區。水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，在下游口門區內形成一條縱向水流與回流的斜向交界帶，堤頭下游（0～100）m左側三角形區域為斜流區，右側三角形區域為回流區，左側航道內水流與航線的偏角一般在10°～20°，橫流流速一般在（0.1～0.2）m/s之間，最大為0.27 m/s，右側航道內最大回流流速0.15 m/s；堤頭下（150～400）m口門區航道內，水流流速一般在（0.4～1.3）m/s之間，最大為1.36 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，水流與航線偏角一般在5°～15°，橫流流速一般在0.2 m/s以內，最大為0.24 m/s；堤頭400 m以下連接段航道內水流流速在（0.85～1.31）m/s之間，水流與航線的偏角一般在7°以內，橫流流速一般在0.15 m/s以內，最大為0.2 m/s。試驗測得電站尾水位為52.51 m。

（2）開啟方式二：開啟靠近河道中間的8#、10#、12#弧門。

泄水閘下泄水流分別在左側泄水閘下游形成一逆時針三角形回流區和右側泄水閘下游形成一順時針橢圓形回流區。水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，堤頭下游（0～100）m左側三角形區域為斜流區，右側三角形區域為回流區，左側航道內水流與航線的偏角一般在20°～40°，橫流流速一般在0.25 m/s以內，最大為0.3 m/s，右側航道內最大回流流速0.33 m/s；堤頭下（150～400）m口門區航道內，水流流速一般在（0.4～1.3）m/s之間，最大為1.34 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，水流與航線偏角一般在5°～16°，橫流流速一般在0.22 m/s以內，最大為0.28 m/s；堤頭400 m以下連接段航道內水流流速在（0.89～1.27）m/s之間，水流與航線的偏角一般在8°以內，橫流流速一般在0.15 m/s以內，最大為0.2 m/s。試驗測得電站尾水位為52.48 m。

（3）開啟方式三：開啟靠近船閘側的11#、13#、15#弧門。

堤頭上游（0～150）m口門區航道內，受航道內靜水頂托和導流堤挑流，左側三角形區域內水流與航線偏角稍大，一般在10°～16°，各級流量下左向橫流最大為0.23 m/s，滿足規范限值要求；右側三角形區域為順時針回流區。堤頭200 m以上口門區及連接段航道內水流平順，各級流量下水流與航線的偏角一般在6°以內，左向橫流均在0.17 m/s以內，縱向流速約0.6 m/s。試驗測得電站尾水位為52.43 m。

2 Q=3 600 m3/s，電站引流量1 600 m3/s，泄水閘過流量2 000 m3/s時的開啟方式

（1）開啟方式一：開啟靠近電站側的1#～7#弧門。

泄水閘下泄水流與電站出流匯合順主河槽而下，在右側泄水閘下游形成一長約600 m、寬約200 m的橢圓形順時針回流區。水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，在堤頭下游（0～100）m航道內，水流與航線的夾角較大，左側航道內水流偏角一般在40°～70°，右側航道內水流偏角一般在10°～40°，但由于斜流流速較小，航道內右向橫流并不大，一般在0.15 m/s以內，最大為0.23 m/s；堤頭下（150～700）m口門區及連接段航道內，水流流速一般在（0.4～1.4）m/s之間，最大為1.49 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，水流與航線偏角一般在5°～20°，左側航道內橫流流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大為0.29 m/s，右側航道內橫流一般在0.15 m/s以內，最大為0.2 m/s；堤頭750 m以下連接段航道內水流流速在（1.15～1.45）m/s之間，水流與航線的偏角一般在4°以內，橫流流速均在0.1 m/s以內。試驗測得電站尾水位為53.77 m。

（2）開啟方式二：開啟靠近河道中間的6#～12#弧門。

泄水閘下泄水流分別在其左側和右側泄水閘下游形成一小范圍回流區，水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，在下游口門區內形成一條縱向水流與回流的斜向交界帶，堤頭下游（0～250）m左側三角形區域為斜流區，右側三角形區域為回流區，左側航道內水流與航線的偏角一般在8°～15°，橫流流速一般在0.2 m/s以內，最大為0.26 m/s，右側航道內最大回流流速0.28 m/s；堤頭下（300～650）m口門區及連接段航道內，水流流速一般在（0.5～1.8）m/s之間，最大為1.88 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，水流與航線偏角一般在5°～12°，橫流流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大為0.28 m/s；堤頭700 m以下連接段航道內水流流速在（1.32～1.58）m/s之間，水流與航線的偏角一般在5°以內，橫流流速均在0.13 m/s以內。試驗測得電站尾水位為53.71 m。

（3）開啟方式三：開啟靠近船閘側的11#～17#弧門。

堤頭上游（0～150）m口門區航道內，受航道內靜水頂托和導流堤挑流，左側三角形區域內水流與航線偏角稍大，一般在10°～16°，各級流量下左向橫流最大為0.23 m/s，滿足規范限值要求；右側三角形區域為順時針回流區。堤頭200 m以上口門區及連接段航道內水流平順，各級流量下水流與航線的偏角一般在6°以內，左向橫流均在0.17 m/s以內，縱向流速約0.8 m/s。試驗測得電站尾水位為53.68 m。

（4）開啟方式四：泄水閘從左至右依次局部開啟第3、5、7、9、12、14、16共7孔弧門。

堤頭下（0～250）m口門區左側三角形區域為斜流區，右側三角形區域為回流區，右向水流與航線的偏角在5°～12°，橫向流速一般在0.2 m/s以內，最大為0.25 m/s，回流區內最大回流流速為0.29m/s；堤頭下（300～700）m航道內，水流流速一般在（0.5～1.8）m/s之間，最大為1.83 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，指向右岸的水流偏角一般在5°～12°，橫向流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大為0.28 m/s；堤頭750 m以下連接段航道內水流流速在（1.34～1.73）m/s之間，水流偏角一般在5°以內，最大橫流為0.18 m/s。試驗測得電站尾水位為53.72 m。

3 Q=4 700 m3/s，電站引流量1 600 m3/s，泄水閘過流量3 100 m3/s時的開啟方式

（1）開啟方式一：開啟靠近電站側的1#～10#弧門。

泄水閘下泄水流與電站出流匯合順主河槽而下，在右側泄水閘下游形成一長約450 m、寬約150 m的橢圓形順時針回流區。水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，在堤頭下游（0～100）m航道內，水流以向右15°偏角斜流進入航道內，并在右側航道內形成小范圍回流區，右向橫流一般在0.2 m/s以內，最大為0.25 m/s；堤頭下（150～350）m口門區航道內，水流流速一般在（0.5～1.4）m/s之間，最大為1.46 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，水流與航線偏角一般在10°～20°，橫流流速一般在（0.1～0.25）m/s，最大為0.3 m/s；堤頭下（400～650）m航道內，水流流速在（0.8～1.57）m/s之間，指向右岸的水流偏角一般在4°～9°，橫向流速在（0.1～0.21）m/s之間；堤頭700 m以下連接段航道內水流流速在（1.16～1.58）m/s之間，水流偏角一般在4°以內，最大橫流為0.18 m/s。試驗測得電站尾水位為54.94 m。

（2）開啟方式二：開啟5#、7#、9#、11#～17#共10孔弧門。

由于開啟閘孔靠近船閘側，堤頭上游（0～150）m口門區航道內，受航道內靜水頂托和導流堤挑流，左側三角形區域內水流與航線偏角稍大，一般在10°～16°，各級流量下左向橫流最大為0.23 m/s，滿足規范限值要求；右側三角形區域為順時針回流區。堤頭200 m以上口門區及連接段航道內水流平順，各級流量下水流與航線的偏角一般在6°以內，左向橫流均在0.17 m/s以內，縱向流速約1.1 m/s。試驗測得電站尾水位為54.91 m。

（3）開啟方式三：開啟靠近船閘側的8#～17#弧門。

在電站出流與右側泄水閘下泄水流的共同作用下，左側未開啟的泄水閘下游為渦流區。水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，堤頭下（0～250）m口門區左側三角形區域為斜流區，右側三角形區域為回流區，右向水流與航線的偏角在6°～12°，橫向流速一般在0.15 m/s以內，最大為0.22 m/s，回流區內最大回流流速為0.25 m/s；堤頭下（300～700）m航道內，水流流速一般在（0.5～1.9）m/s之間，最大為1.98 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，指向右岸的水流偏角一般在5°～11°，橫向流速一般在（0.15～0.25）m/s，最大為0.3 m/s；堤頭750 m以下連接段航道內水流流速在（1.37～1.84）m/s之間，水流偏角一般在4°以內，最大橫流為0.15 m/s。試驗測得電站尾水位為54.88 m。

（4）開啟方式四：隔一開一開啟1#、3#、5#、7#、9#、10#、11#、13#、15#、17#弧門。

水流過下游導流堤堤頭后向右逐漸擴散，堤頭下（0～250）m口門區左側三角形區域為斜流區，右側三角形區域為回流區，右向水流與航線的偏角在5°～10°，橫向流速一般在0.15 m/s以內，最大為0.2 m/s，回流區內最大回流流速為0.15 m/s；堤頭下（300～650）m航道內，水流流速一般在（0.4～1.8）m/s之間，最大為1.9 m/s，航道橫斷面流速從左至右遞減，指向右岸的水流偏角一般在4°～10°，橫向流速一般在（0.15～0.24）m/s，最大為0.26 m/s；堤頭700 m以下連接段航道內水流流速在（1.31～1.69）m/s之間，水流偏角一般在4°以內，最大橫流為0.11 m/s。試驗測得電站尾水位為54.97 m。

4 結論

不同的泄水閘弧門開啟方式對船閘通航影響較小，各級典型流量下，無論采取哪種弧門開啟方式，船閘下游引航道口門區及連接段通航水流條件均能滿足要求。若采用首先開啟靠近電站側弧門的方式能有效減小下游航道內的水流流速，但增加了水流與航線的夾角；若采用首先開啟靠近船閘側弧門的方式，雖然增加了下游航道內的水流流速，但由于水流與下游航線的夾角不大，航道內橫流亦不大，能夠滿足規范限值要求。

不同的泄水閘弧門開啟方式對電站尾水位影響較大，入庫流量Q=2 560 m3/s和Q=3 600 m3/s時，優先開啟靠近船閘側弧門的方式時電站尾水位為52.43 m和53.68 m，較優先開啟靠近電站側弧門的方式時低0.08 m和0.09 m，較優先開啟靠近河道中間的弧門時尾水位低0.05 m和0.03 m；入庫流量Q=4 700 m3/s時，優先開啟靠近船閘側弧門的方式時電站尾水位為54.88 m，較優先開啟靠近電站側弧門的調式時低0.06 m，較泄水閘隔一開一時低0.03 m。

綜上，在滿足船閘通航水流條件的前提下，從電站發電效益考慮，應優先開啟靠近船閘側的泄水閘弧門。