石佛寺水庫(kù)防洪檢修閘門調(diào)度運(yùn)行方案可行性分析

楊麗娜，高 杰

（1.遼寧省水利工程技術(shù)審核與造價(jià)管理中心，遼寧沈陽(yáng)110003；2.寬甸縣水利局，遼寧寬甸118200）

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石佛寺水庫(kù)防洪檢修閘門調(diào)度運(yùn)行方案可行性分析

楊麗娜1，高 杰2

（1.遼寧省水利工程技術(shù)審核與造價(jià)管理中心，遼寧沈陽(yáng)110003；2.寬甸縣水利局，遼寧寬甸118200）

摘要：為減少小流量對(duì)閘門啟閉設(shè)備的影響，本文從石佛寺水庫(kù)防洪檢修閘門的過(guò)流能力及實(shí)測(cè)入庫(kù)過(guò)程兩方面分析防洪檢修閘門參與小流量調(diào)度運(yùn)行的可行性，從分析成果及實(shí)際運(yùn)行效果上看，調(diào)度運(yùn)行方案是可行的。

關(guān)鍵詞：石佛寺水庫(kù)；防洪檢修閘門；調(diào)度運(yùn)行

1　工程概況

石佛寺水庫(kù)位于沈陽(yáng)市新城子區(qū)黃家鄉(xiāng)和法庫(kù)縣依牛堡鄉(xiāng)，是遼河干流唯一的一座控制性工程。壩址以上流域面積164786km2。總庫(kù)容1.85億m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。工程的主要任務(wù)是防洪。當(dāng)入庫(kù)流量小于5500m3/s時(shí)，閘門敞泄，空庫(kù)運(yùn)行；發(fā)生超過(guò)下游堤防允許流量5500 m3/s的洪水時(shí)，水庫(kù)控制放流，使其不超過(guò)下游堤防安全流量5500 m3/s；當(dāng)水庫(kù)遭遇100年一遇以上設(shè)計(jì)洪水和庫(kù)水位超過(guò)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，水庫(kù)控制其泄量不大于最大入庫(kù)洪峰流量。泄洪閘共16孔，其中一期工程13孔參與水庫(kù)控制放流，3孔關(guān)閉或封堵運(yùn)用。

2　水庫(kù)蓄水調(diào)度運(yùn)行方式

為充分發(fā)揮水庫(kù)作用，改善生態(tài)環(huán)境，水庫(kù)2009年開始蓄水運(yùn)行，種植荷花等水生植物。結(jié)合水庫(kù)已征土地范圍及對(duì)周邊設(shè)施及浸沒(méi)影響分析確定水庫(kù)正常蓄水位46.2m。水庫(kù)蓄水基本運(yùn)用方式為：汛期空庫(kù)迎洪，非汛期蓄水，具體見表1。

表1　石佛寺水庫(kù)蓄水運(yùn)行方式

由于該一期工程的主要作用是防洪，因此，在一期工程建設(shè)期間未考慮設(shè)置檢修閘門，利用非汛期對(duì)閘門進(jìn)行檢修。水庫(kù)生態(tài)蓄水運(yùn)行后，為保證水庫(kù)防洪安全，需要設(shè)置檢修閘門。同時(shí)，由于蓄水后為控制水庫(kù)水位，需頻繁開啟閘門，導(dǎo)致閘門產(chǎn)生振動(dòng)，致使閘門水封、啟閉設(shè)備使用年限減少，運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用增加。為此，2010年，利用現(xiàn)狀泄洪閘檢修門槽和預(yù)留的啟閉設(shè)備基礎(chǔ)，將泄洪閘16孔中的3孔增設(shè)防洪檢修疊梁閘，形成開敞式溢流堰。綜合考慮冬季作為過(guò)水堰調(diào)節(jié)流量及閘門剛度及結(jié)構(gòu)要求，鋼疊梁設(shè)計(jì)分為3節(jié)，高度分別為1.5m、2.45m、2.45m，根據(jù)需要可組成3.95m、4.9m和6.4m的擋水高度。

3　防洪檢修閘門調(diào)度運(yùn)行方案

由于水庫(kù)入庫(kù)流量的不確定性，而且差別較大，要控制水庫(kù)蓄水高程，對(duì)開敞式溢流堰必須采用不同的高度，調(diào)節(jié)出口流量，以保持水庫(kù)水位高程的基本穩(wěn)定。石佛寺水庫(kù)目前可每天同步接收到上游水文站鐵嶺站及下游馬虎山站的水文資料，通過(guò)預(yù)報(bào)和疊梁堰頂高程的實(shí)時(shí)調(diào)度，可以對(duì)水庫(kù)水位進(jìn)行有效控制。由于不同時(shí)段來(lái)水過(guò)程不同，采用冬季、春季、汛前期、汛期和汛后期等時(shí)段分別考慮調(diào)度方式。依據(jù)鐵嶺站及馬虎山站的實(shí)測(cè)流量，水庫(kù)常遇水情的基本運(yùn)行方式見表2。

表2　石佛寺水庫(kù)蓄水閘門運(yùn)行方式

4　調(diào)度運(yùn)行方案可行性分析

防洪檢修閘門調(diào)度與天然來(lái)水過(guò)程有關(guān)，又與檢修閘門的泄流能力有關(guān)。兩者匹配方案才可行。因此，從不同鋼疊梁閘門方案的泄流能力及水庫(kù)的來(lái)水過(guò)程兩方面進(jìn)行分析。

4.1 鋼疊梁溢流堰泄流能力分析

按一個(gè)閘孔寬12.5m的計(jì)算過(guò)流能力，堰上水頭按10cm累加計(jì)算，在這一過(guò)程中就會(huì)分別出現(xiàn)寬頂堰流流態(tài)、實(shí)用堰流流態(tài)和薄壁堰流流態(tài)，分別計(jì)算出各種情況下的泄量。

堰流流態(tài)與堰頂形狀和堰頂厚度有關(guān)：

當(dāng) δ/H＜0.67為薄壁堰

0.67＜δ/H＜2.5為實(shí)用堰

2.5＜δ/H＜10為寬頂堰

其中：δ—堰頂厚度，為0.5m；H—堰上水頭。

（1）寬頂堰和實(shí)用堰流的泄流公式計(jì)算（當(dāng)H ＜0.75m時(shí)）：

式（1）中：Q—流量，m/s；

b—溢流堰凈寬；

H0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

m—流量系數(shù)；

σc—閘墩側(cè)收縮系數(shù)；

σs—淹沒(méi)系數(shù)；

（2）薄壁堰的泄流公式計(jì)算（當(dāng)H＞0.75m時(shí)）：

式中：Ce—流量系數(shù)；

he—有效堰頂水頭；

h—實(shí)測(cè)堰面水頭；

p—堰高，m。

具體計(jì)算結(jié)果見表3：

表3　石佛寺水庫(kù)不同鋼疊梁組合閘門方案堰上水頭與泄量關(guān)系

由表3可知，4.9m高閘門方案庫(kù)水位在46.0 -46.5m變動(dòng)情況下，可調(diào)節(jié)流量在0.62 m3/s至38.37 m3/s之間；3.95m高閘門方案庫(kù)水位在46.0 -46.5m變動(dòng)情況下，可調(diào)節(jié)流量在24.65 m3/s至134.3m3/s之間。由此可見，三孔鋼疊梁閘門不同組合方案可滿足流量0.62 m3/s至134.3 m3/s。

4.2 水庫(kù)入庫(kù)流量過(guò)程分析

石佛寺水庫(kù)入庫(kù)流量分析采用馬虎山水文站作為參證站。馬虎山站2001～2009年日平均流量非汛期頻率成果見圖1。

圖1　馬虎山水文站2001 ~2009年實(shí)測(cè)日流量頻率圖

4.3 防洪檢修閘門調(diào)度方案可行性分析

冬季——11月15號(hào)～3月14號(hào)，馬虎山站實(shí)測(cè)最大來(lái)流量為51.1m3/s，最小來(lái)流量為1.54 m3/s，日均來(lái)流量為9.00 m3/s。石佛寺水庫(kù)的目標(biāo)蓄水位為46.0～46.2m，按表2運(yùn)行方式，3孔堰頂高程45.9m，3孔鋼疊梁堰泄流能力在1.86～13.62m3/s之間，實(shí)測(cè)過(guò)程中16.9%及以上頻率來(lái)水均可正常過(guò)流。考慮到冬季農(nóng)作物已收割，水面結(jié)冰，無(wú)風(fēng)浪對(duì)水位的影響，若水庫(kù)蓄水至46.3m，則三孔鋼疊梁堰的泄流能力可增至20.94m3/s，則基本可以滿足實(shí)測(cè)過(guò)程中94.37%來(lái)水的過(guò)流要求。

3月15號(hào)～4月30號(hào)，石佛寺水庫(kù)的目標(biāo)蓄水位46.2m，仍采用3孔堰頂高程45.9m，3孔鋼疊梁堰在水位46.0～46.3之間的泄流能力為1.86～20.94m3/s，可滿足實(shí)測(cè)過(guò)程中65.09%來(lái)水的過(guò)流要求。當(dāng)來(lái)流量繼續(xù)增大的時(shí)候，可開啟1孔大閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5月為我省水田泡田期，清河水庫(kù)、柴河水庫(kù)、南城子水庫(kù)將通過(guò)河道放水，滿足下游盤錦和營(yíng)口地區(qū)的農(nóng)田用水需求。此段時(shí)間內(nèi)，馬虎山站實(shí)測(cè)最大來(lái)流量為274.0m3/s，最小來(lái)流量為0.16m3/s，日均來(lái)流量為70.03 m3/s。此時(shí)石佛寺水庫(kù)的目標(biāo)蓄水位46.2m，考慮到上游水庫(kù)放水流量增大因素，5月份采用3孔堰頂高程44.95m，堰頂高程較冬季降低0.95m，以增加泄流量。3孔鋼疊梁堰在水位46.0～46.2之間的泄流能力為24.65 ～108.62m3/s，可滿足實(shí)測(cè)過(guò)程中72.14%來(lái)水的過(guò)流要求。當(dāng)來(lái)流量繼續(xù)增大的時(shí)候，可開啟1孔大閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6月份及9月11號(hào)至11月14鐵嶺站來(lái)水過(guò)程與5月份相近，采用與5月份相同的調(diào)度方式基本是可行的。

7月1號(hào)至9月10號(hào)，分正常期和洪水期兩種情況，正常期，來(lái)水量小于110 m3/s，通過(guò)3孔疊梁堰調(diào)節(jié)，其余時(shí)間通過(guò)13孔大閘門中的部分閘門調(diào)節(jié)，滿足蓄水位46.2m；非常期來(lái)洪水時(shí)（來(lái)水量小于300 m3/s），疊梁堰處3孔大閘門關(guān)閉，通過(guò)其余13孔大閘門調(diào)度運(yùn)行。

由此可見，按照表2調(diào)度運(yùn)行方式及2001 -2009年馬虎山站實(shí)測(cè)日均流量過(guò)程，3孔45.9m方案，冬季在不啟動(dòng)閘門情況下基本可以保證冬季水庫(kù)蓄水水位要求。其余時(shí)間段的非洪水期，在3孔疊梁堰調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)的同時(shí)，根據(jù)來(lái)流量情況增加1孔大閘門調(diào)節(jié)，可以滿足水庫(kù)蓄水水位要求，水庫(kù)閘門調(diào)度運(yùn)行方案是可行的。

由于水庫(kù)來(lái)水不確定性非常大，對(duì)于5月1日至11月14日期間，也可根據(jù)上游來(lái)水量通過(guò)疊梁堰調(diào)節(jié)小于110 m3/s水位。當(dāng)來(lái)流量小于4.54m3/ s時(shí)，只開啟一孔閘門，采用兩個(gè)2.45m高鋼疊梁，閘門頂高程為45.9m；當(dāng)來(lái)流量大于4.54m3/s且小于9.08m3/s時(shí)，開啟2孔閘門，每孔采用兩個(gè)2.45m高鋼疊梁，閘門頂高程為45.9m；當(dāng)來(lái)流量大于9.08m3/s且小于13.62m3/s時(shí)，開啟3孔閘門，每孔采用兩個(gè)2.45m高鋼疊梁，閘門頂高程為45.9m；當(dāng)來(lái)流量大于13.62m3/s且小于32.18m3/s時(shí)，開啟1孔閘門，采用2.45m和1.5m高鋼疊梁各一個(gè)，閘門頂高程為44.95m；當(dāng)來(lái)流量大于32.18m3/s且小于64.36m3/s時(shí)，開啟2孔閘門，每孔采用2.45m和1.5m高鋼疊梁各一個(gè)，閘門頂高程為44.95m；當(dāng)來(lái)流量大于64.36m3/s且小于110.0m3/s時(shí)，開啟3孔閘門，每孔采用2.45m和1.5m高鋼疊梁各一個(gè)，閘門頂高程為44.95m，具體見表4。總之，本著簡(jiǎn)單方便，操控靈活的原則，根據(jù)疊梁堰泄流曲線和水庫(kù)來(lái)水實(shí)際情況，水庫(kù)在實(shí)際運(yùn)行中可充分利用大閘門和疊梁堰各自的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化非冬季期間的調(diào)度運(yùn)用方案。

通過(guò)以上分析，利用3扇檢修閘門的疊梁組成的三孔疊梁堰，在水庫(kù)蓄水位滿足46.2m的要求下，在水庫(kù)最常遇來(lái)水（110m3/s以下）時(shí)，基本可以避免大閘門的啟閉，特別是冬季，解決大閘門操作困難的難題，而且操作簡(jiǎn)單可行，運(yùn)行管理方便。當(dāng)遇到極特殊情況時(shí)，可通過(guò)操作大閘門，或疊梁堰和大閘門聯(lián)合控制，保證水庫(kù)植物越冬和水庫(kù)度汛的安全。綜合分析，利用3扇檢修閘門的鋼疊梁組成的3孔疊梁堰，通過(guò)不同的組合，能滿足石佛寺水庫(kù)蓄水調(diào)度運(yùn)行要求，其調(diào)度方案是合理可行的。

表4　石佛寺水庫(kù)防洪檢修閘門非冬季正常期運(yùn)行方式

5　結(jié)論與建議

石佛寺水庫(kù)鋼疊梁檢修閘門工程建成后經(jīng)2013、2014和2015年實(shí)際運(yùn)行，效果良好，滿足了小流量時(shí)不啟動(dòng)大閘門的蓄水要求。實(shí)踐證明，防洪檢修閘門的調(diào)度運(yùn)行方案是可行的。石佛寺水庫(kù)在46.0m至46.2m之間有80萬(wàn)m3的可調(diào)蓄庫(kù)容，建議根據(jù)石佛寺水庫(kù)蓄水后的實(shí)測(cè)來(lái)水過(guò)程，進(jìn)一步分析庫(kù)容調(diào)蓄對(duì)閘門調(diào)度的影響，優(yōu)化閘門運(yùn)行方式，減少閘門變動(dòng)次數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：楊麗娜（1979年—），女，高級(jí)工程師。

收稿日期：2016-01-08

中圖分類號(hào)：TV697.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0080-03

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.030