基于關系曲線和水力學法的泄洪閘門泄流曲線率定

劉和詠，王 偉，胡晨賀，薛萬軍

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川省成都市 617000）

1 概述

錦屏二級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。水庫正常蓄水位1646m、死水位1640m，日調節庫容為496萬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施等組成。泄洪閘布置在主河床，共設置5個閘室段，每個閘室寬20m，泄洪凈寬13m，泄洪閘段總長100m，閘頂高程1654m，最大閘高34m。閘室溢流堰采用平底寬頂堰類型，閘室底板頂高程為1626m，底板厚6m。泄洪閘工作門采用開敞式弧形閘門，尺寸為13m×22m（寬×高）。

依據2015年汛期歷史泄流數據，選取典型時間段泄洪閘水位—開度—流量關系數據，采用關系曲線法（閘上水位與流量關系）及傳統水力學法（綜合流量系數），對單孔泄流曲線進行率定，并將率定結果反代回實際工況進行校驗，通過分析校驗結果得到對實際泄洪閘門調度具有參考意義的結論。因各孔泄流能力相同，故以單孔為例進行研究。

2 基于水位關系率定泄流曲線

根據2015年汛期水電站閘門運行情況，因為多孔閘門泄流能力與單孔成倍數關系，且大多數情況下閘門均為成組開啟的方式（常用方式有3號單孔，2號、4號雙孔，2號、3號、4號或1號、3號、5號三孔，1號、2號、3號、4號、5號五孔），選取不同水位下閘門開度相同的數據點，按照出入庫流量平衡公式（忽略河道區間流量、水庫蒸發、滲漏等影響），計算出相同開度下不同水位時單孔泄流能力[1]。本文中僅以0.7m開度時的原始數據為例，1.7m及2.8m開度情況下的數據處理與0.7m時一致，原始數據個數不同開度下各不相同，主要按照泄洪閘上游水位排序，并根據其最大最小值確定加權平均段的劃分。

相同水位下，閘門開度越大則泄流能力越大；相同開度下，水庫水位越高則泄流能力越強。

3 基于流量系數法率定泄流曲線

3.1 堰流流量率定[3]

五孔泄洪閘全開時，閘壩過流為堰流，按照設計資料其淹沒系數介于0.8～0.9之間，根據《水閘設計規范》（SL 266—2001）可查得0.86≤hs/h0≤0.91，因為hs=hl且hu＜h0，所以hl/hu≥0.8，即說明此時閘壩過流為淹沒堰流。按照規范中的閘孔總凈寬公式可知流量，從設計資料中查得1640～1646m間的計算成果見表1。

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

表1 設計資料中的流量、系數、水位計算成果Tab.1 Calculation results of flow， coefficient and water level in design data.

表2 不同水位對應M值表Tab.2 Corresponding M table of different water levels

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

因實際運行過程中，五孔泄洪閘從未全開運行過，故上述數據的準確性無法通過歷史數據進行校驗，需在今后有條件時再進行率定。

因錦屏二級攔河閘屬于平底寬頂堰，根據多數水力學教程及計算手冊中均采用的判別標準，當e/hu≥0.65時為堰流，當e/hu＜0.65時為孔流。故得到孔流、堰流交接面的閘門開度見表4。

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

3.2 孔流流量率定

研究閘門淹沒在水中時出流流態為孔流的情況。查詢孔流歷史運行資料可知，對于錦屏二級攔河閘任何孔流流態下均滿足hu＞e＜hl，故其為典型的淹沒孔流，流量的計算適用公式為。

圖1中，hu為上游水頭，m；hl為下游水頭，m；e為閘門開啟高度，m；B為閘門總寬，m；ΔZ為水頭差，m；M、M1為不同流態的綜合流量系數，可由實測流量利用以上公式進行反算。

3.2.1 孔流時段選取

選擇2015年錦屏二級、錦屏一級電站負荷相對穩定，錦屏二級泄洪閘開度相對固定的時段，因2015年單孔泄洪閘開度大于4m的時段不具有穩定性（穩定性主要是指閘門開啟后至少在該開度下穩定運行3h，否則計算所得的單孔泄流能力誤差較大，容易對率定結果造成較大誤差），故選取典型時段泄洪閘開度均未超過4m、大于開度4m部分的綜合流量系數可根據實際流量加以修正[5]。

3.2.2 孔流綜合流量系數計算

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

根據計算結果繪制綜合流量系數M1與上下游水位差對應關系曲線如圖2所示，綜合流量系數M1與閘門開度對應關系曲線如圖3所示。

根據以上計算結果和關系曲線圖可以看出：隨著閘門開度的增大，閘下水位隨之升高，上下游水位差隨之減小，計算得出的綜合流量系數M1也逐步增大。

根據綜合流量系數M1計算結果，對應不同閘門開度下，綜合流量系數M1取值參考見表5。

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

圖2 綜合流量系數M1與上下游水位差對應關系曲線圖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M1與閘門開度對應關系曲線圖Fig.3 correlation curve of the integrated flow coefficient M1 and gate opening

4 泄流曲線驗證

根據不同水位下的單孔泄流能力表、不同水位下的閘孔過流能力表以及孔流、堰流交接開度表擬合得到不同水位下各開度的單孔過流能力表，見表6。將表6的數據插值后在Excel中做成基于關系曲線的泄流曲線查詢表[7]，如圖4所示。

選取非典型時段泄洪閘流量關系數據，校核水位流量關系曲線法及綜合流量系數法所求得泄流量數據的準確性[8]，計算結果見表7（注：實測流量根據流量平衡原理通過水調自動化系統查得）。率定結果與設計曲線對比如圖5所示，各曲線與實測值的偏差如圖6所示（默認實測值偏差為0，則陰影面積越大說明誤差越大，正負誤差可以抵消以貼合實際工作）。

表6 不同水位下各開度的單孔過流能力表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 率定結果與設計曲線對比圖Fig.5 Comparison diagram of yield and design curve

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

圖6 各曲線與實測值的偏差面積圖Fig.6 Deviation area diagram of each curve and measured value

設計1代表設計院最初根據投產初期河道地質條件計算的結果，其僅通過模型試驗率定得到，未經過實際校驗且在下游流道清淤后地質條件發生了較大變化，目前看來其誤差達到了10%以上，故在日常水庫調度中并不適用。

設計2代表設計院根據最新清淤后的地質條件改變情況并結合2013年、2014年的運行情況率定的新結果，由于工程施工的不確定性，清淤的效果可能不如預期，且經過2015年的運行可能再次淤積，實際看來其對清淤的效果過于理想化，從而導致率定結果比實際偏大，但由于其偏差基本為正偏差，故實際應用中可根據經驗設置一個小于1的比例系數。

采用綜合流量系數計算得出的泄流量與實測流量絕對偏差相對設計1、設計2來說有所減小，且其相對偏差在所有結果中是最小的，說明綜合流量系數M1經驗取值更貼合實際應用，因為在實際水庫調度中閘門的開度調整是常態，那么能在不同開度對偏差自行消除或削弱顯然更符合實際。

關系曲線法率定的結果整體偏小，但其絕對誤差是最小的，考慮其能夠根據水位和開度直接求得流量，且易于進行插值計算得到各個開度、水位下相應的流量，可開發性較強且能通過系數不斷修正，故實用性較高便于在日常水庫調度中推廣。

5 結束語

該水電站泄流曲線率定主要結合設計資料和實際運行情況，基于出入庫流量平衡原理，通過采取現有水位流量歷史數據繪制關系曲線，以及按傳統水力學法計算分析的兩種途徑對錦屏二級電站泄流曲線進行率定、分析，因此，關系曲線法率定的結果實用性較高便于在日常水庫調度中推廣。

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

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

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

薛萬軍（1988—），男，工程師，主要研究方向：水電站運行。E-mail：244351073@qq.com