馬跡塘水電廠泄洪閘門優化調度方案研究

周亞杰，廖成志

（1.五凌電力有限公司馬跡塘水電廠，湖南 益陽 413405；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 工程概況

馬跡塘為低水頭徑流式電廠，混凝土閘壩，1983年3臺機組相繼投產發電，設計裝機容量為5.55萬kW（1.85萬kW×3臺），水量利用系數為0.8。1986年，竣工驗收核定最大出力約為43 MW，較機組銘牌出力減少22.5%。泄水建筑物為表孔開敞式溢流壩，長度為267.5 m，分23孔，每孔凈寬為10 m，閘墩厚為1.5 m；右1號～10號孔為淺孔一區，11號～18號孔為淺孔二區，19號～23號孔為深孔區，淺孔區與深孔區分別設置10 m×6.5 m和10 m×9.5 m（寬×高）弧形閘門，河床式廠房發電機組與深孔區相鄰。壩下采用底流消能，1號～10號孔（淺孔一區）下游設置短護坦（長15 m），11號～18號孔（淺孔二區）下游設置長護坦（長30 m），19號～23號孔（深孔區）下游設置消力池（長35 m）。

2 研究背景

2.1 研究必要性

2004年4月份上游柘溪水電站開始擴機，2008年4月、8月兩臺機組分別投產運行，其機組最大引用流量達1 900 m3/s，已遠超馬跡塘電廠機組850 m3/s的最大引用流量，導致電廠在非洪水過程頻繁開閘棄水，形成較大的棄水。

2010年4月下游白竹洲水電站投產蓄水，特別是2012年蓄水至核準水位運行，對電廠的尾水形成直接頂托，壅高尾水水位，同時影響電廠發電經濟效益。2013年經湖南省水利水電設計院復核，電廠機組發電最大出力為4.2萬kW，實際年平均發電量1.89億kW·h，為設計年發電量的72.46%，水量利用率降至0.7，頂托損失電量3044萬kW·h。

由于深孔區布置在廠房側，泄水時降低了上游進水口水位，影響了進水口流態；下游拆除導墻30 m，深孔區泄洪時尾水區域產生回流，壅高了廠房尾水位，降低了3臺機組出力，運行工況變差，3臺機組滿發時，3號機組進水口流態紊亂，形成漩渦，泄洪時3號機組振動更是明顯大于1號、2號機組。

2.2 研究目的

為改善臨近廠房區域頻繁開閘泄洪造成上游進水口水位降低、下游尾水位壅高，改善機組過流流態，減少機組振動，提高機組發電效益和安全穩定運行，馬跡塘電廠于2018年開展了上游電站擴機后閘門優化調度及應用研究科技項目，并提出了泄洪閘門啟閉程序優化調度初擬方案?，F閘門調度啟閉程序是2002年湖南省水利水電勘測設計研究總院針對之前下游消力池、護坦的沖刷情況制定的，柘溪電站擴機、下游白竹洲水電站蓄水頂托后未進行修改完善。為此，進行泄洪閘門優化調度方案的研究是十分必要的。

2.3 閘門調度原則

（1）2002年前閘門調度原則

階段1：當850 m3/s＜實際流量Q＜3 600 m3/s時，對稱均勻開啟深孔閘門，直至5孔深孔閘門全開。要求單孔泄洪時，控制單寬流量q≤20 m3/s/m；3孔泄洪時，控制單寬流量q≤30 m3/s/m。

階段2：深孔加淺孔泄洪，當實際流量Q＞3 600 m3/s時，對稱均勻開啟淺孔區域，先開啟淺孔二區，再開啟淺孔一區。

（2）2002年至今閘門調度原則

2002年因下游消力池、護坦幾次出現沖刷與掏空后，電廠重新由湖南省水利水電勘測設計研究總院對電廠溢流壩泄水時的調度原則進行了調整與細化，開啟的原則是“分區域按開度逐步均勻對稱開啟”：先將深孔區（19號～23號孔）各開至2 m，再將淺孔二區（11號～18號孔）各開至2 m，然后將深孔區（19號～23號孔）各開至3 m，再將淺孔二區（11號～18號孔）各開至2.5 m，最后將深孔全開、淺孔二區全開、淺孔一區全開。

3 研究方法

3.1 計算方法

3.1.1 計算依據

計算參考資料及規范主要為《水力計算手冊》（第二版）、《水工設計手冊》（第二版）、SL 744-2016《水工建筑物荷載設計規范》及SL 265-2016《水閘設計規范》等。

3.1.2 計算方法

根據馬跡塘電廠閘門啟閉程序優化初擬方案，本次計算工況與23孔泄洪閘門啟閉程序優化初擬方案表一致，同時為簡化計算，僅考慮發電滿發流量及停機前流量計算（停機流量Q=3 400 m3/s）。

（1）實用堰閘孔出流下泄流量計算公式

式（1）中：e—閘門開啟高度；

b—每孔凈寬；

n—閘孔孔數；

H0—包括行進流速水頭的閘前水頭；

μ0—閘孔出流流量系數；

σs—淹沒系數。

（2）實用堰堰流下泄流量計算公式

式（2）中：c—上游堰面坡度影響修正系數值；

ε—側收縮系數；

m—實用堰流流量系數；

（3）水流銜接狀態判別式、收縮水深hc及共軛水深h''c計算公式

水流銜接狀態判別式為：

式（3）、（4）、（5）中：h''c—收縮斷面水深的共軛水深；

ht—下游水深，查馬跡塘水電站天然與頂托后的下游流量關系曲線表可得。若為遠離水躍，則必須采取工程措施，強迫水流發生臨界或稍有淹沒的水躍。

收縮水深hc及共輒水深h''c的基本計算式為：

式（6）、（7）、（8）中：E0—以下游河床為基準面的泄水建筑物上游總水頭；

q—收縮斷面處的單寬流量；

g—重力加速度；

φ—流速系數；

Frc—收縮斷面弗勞德數。

（4）水躍長度Lj計算公式

式（9）、（10）中：Lj—水躍長度。

（5）滿足抗沖要求的護坦厚度計算公式

式（11）中：t—護坦底板厚度(m)；

q—單寬流量(m3/s/m）；

Δh—上下游水位差(m）；

K—經驗系數，采用設計水位差時取0.2，采用最大水位差時取0.175。

（6）滿足抗浮要求的護坦厚度計算公式

式（12）中：U—相對于護坦面下游水頭產生的揚壓力（kN/m2)；

tn—計算斷面處護坦面上的水深（m)；

γc—混凝土容重（kN/m3)；

γ—水的容重(kN/m3)；

K—安全系數，取1.2；

計算斷面處的脈動壓力（kN/m2），按式（13）計算

式（13）中：am—脈動壓力系數，取0.075；Vn—斷面平均流速(m/s)。

3.2 泄洪閘門優化調度方案研究

（1）尾水流量水位關系曲線

根據湖南省水利水電勘測設計研究總院2016年研究的《資水東坪、株溪口、馬跡塘3個水電廠泄流曲線復核》報告成果，采用兩條馬跡塘水電廠尾水位流量關系線進行分析，一條為白竹洲蓄水前的天然線（①為1號線），另一條為2010年白竹洲蓄水后目前實際下游水位流量關系曲線（②為2號線），本次直接引用這一成果作為研究依據（見圖1）。

圖1 馬跡塘水電廠壩下水位流量關系線

（2）原閘門開啟方式下淺孔二區最大單寬能量計算

根據馬跡塘水電廠現行閘門開啟程序（2002年），當深孔5孔閘門開啟至2 m后，再開啟淺孔二區8孔閘門，此時最大開度控制不超過2 m，此時對應泄流量為1 080 m3/s。

采用1號線計算出庫流量1 710～2 790 m3/s淺孔二區的單寬流量和單寬能量。

庫水位55.7 m，對應尾水位為51.23 m，水頭4.47 m，出庫流量2 335 m3/s時，其中發電855 m3/s、淺孔區泄流625 m3/s，深孔區泄流855 m3/s。對應淺孔二區2 m開度閘門最大單寬流量、最大單寬能量分別為：

1）最大單寬流量：qmax=Q/B=1 080/（8×10） =13.5 m3/s/m；

2）最大 單 寬 能量：Emax=rqh=1.0×13.5×4.47 =60.3 (t·m)/s/m；

（3）3臺機組滿發，新方案淺孔二區最大單寬能量計算

采用2號線計算，直接開啟淺孔二區，11號～18號閘門2 m開度，控制出庫流量在1 935 m3/s以下時，計算尾水位51.3 m，水頭4.4 m，出庫流量1 718 m3/s，其中淺孔二區泄流863 m3/s，深孔區泄流0 m3/s，發電855 m3/s。淺孔區2 m開度閘門最大單寬流量，最大單寬能量分別為：

1）最 大 單 寬 流 量：qmax=Q/B=1 080/（8×10）=13.5 m3/s/m；與2002年方案一致；由于此時下游水位略高，閘門泄流能力有一定的影響，實際單寬流量略小于13.5 m3/s/m，遠小于原設計“單孔泄洪時，控制單寬流量q≤20 m3/s/m；3孔泄洪時，控制單寬流量q≤30 m3/s/m”的要求，偏安全。

2）最大 單 寬 能量：Emax=rqh=1.0×13.5×4.40 =59.4 (t·m)/s/m。最大單寬能量值略小于2002年方案，說明淺孔二區閘門2 m開度運行方式安全可行。

（4）兩臺機組滿發，新方案淺孔二區最大單寬能量計算

1）兩臺機組滿發，淺孔二區11號～18號閘門在2 m開度下最大單寬能量計算

采用2號線計算，直接開啟淺孔二區，11號～18號閘門2 m開度控制出庫流量在1 650 m3/s，對應尾水位51.05 m，水頭4.65 m，出庫流量1 433 m3/s，其中發電570 m3/s（兩臺機滿發）、淺孔區泄流863 m3/s，深孔區泄流0 m3/s。淺孔二區2 m開度閘門最大單寬流量、最大單寬能量分別為：

①最大單寬流量為13.5 m3/s/m；與2002年方案一致；由于此時下游水位略高，閘門泄流能力有一定的影響，實際單寬流量略小于13.5 m3/s/m，遠小于原設計“單孔泄洪時，控制單寬流量q≤20 m3/s/m；3孔泄洪時，控制單寬流量q≤30 m3/s/m”的要求，偏安全。

②最大單寬能量為Emax=rqh=1.0×13.5×4.65 =62.8 (t·m)/s/m，單孔最大單寬能量值略大于2002年方案，說明2臺機組滿發時淺孔二區閘門2 m開度運行方式存在一定風險。

2）兩臺機組滿發，淺孔二區11號～18號閘門在1.5 m開度下最大單寬能量計算

采用2號線計算，直接開啟淺孔二區，11號～18號閘門1.5 m開度控制出庫流量在1 402 m3/s，對應庫水位55.70 m，尾水位50.73 m，水頭4.97 m，出庫流量1 164 m3/s，其中發電570 m3/s（兩臺機滿發）、淺孔區泄流594 m3/s，深孔區泄流0 m3/s。淺孔二區1.5 m開度閘門最大單寬流量、最大單寬能量分別為：

①最大單寬流量為10.4 m3/s/m；小于2002年方案時的單寬流量，安全。

②最大單寬能量為Emax=rqh=1.0×10.4×4.97 =51.7 (t·m)/s/m，小于2002年方案，說明2臺機組滿發時淺孔二區閘門1.5 m開度運行方式安全可行。

經水力計算后可知，泄洪閘門優化調度初擬方案中，3臺機、2臺機及1臺機滿發工況下，閘門各局部開啟高度下的躍后斷面水深h”c小于下游水深ht，能夠產生淹沒水躍；淺孔二區閘門開高為2.5 m時水躍長度為30.95 m，略大于護坦長度30 m，閘門開高小于2.5 m時水躍長度最大值為29.18 m，均小于護坦長度30 m；下游水流流速（假設水流不擴散）最大值為2.15 m/s，均小于基巖允許抗沖流速5 m/s。3臺機、2臺機滿發工況下，按抗沖、抗浮穩定要求計算護坦厚度最大值為1.05 m,小于淺孔二區現有護坦厚度1.2 m（前半段）；1臺機滿發工況下，淺孔二區閘門開高為0.5 m時，按抗沖、抗浮穩定要求計算護坦厚度最大值為1.29 m,大于淺孔二區現有護坦厚度1.2 m（前半段）。

綜上所述，在白竹洲正常蓄水位49.0 m頂托作用下，3臺機、2臺機滿發工況下，現有的消能設施能滿足下游消能防沖要求，1臺機滿發工況下，現有的消能設施不能滿足下游消能防沖要求，說明泄洪閘門優化調度初擬方案在3臺機及2臺機滿發工況下安全可行。

4 初擬方案試運行情況及效果分析

4.1 優化調度初擬方案試運行情況

為進一步檢驗泄洪閘門啟閉采用“泄洪閘門優化調度初擬方案”對機組經濟運行、下游消力池、護坦沖刷以及機組振動的影響，馬跡塘水電廠于2019年3月按照泄洪閘門啟閉程序優化初擬方案試運行1年。

3月中旬正式開始實施優化后泄洪閘門調度方案，并于4月25日完成泄洪閘門自動聯調系統內程序更新和配置文件更改。截止到7月底，按照優化方案調度，泄洪閘門開啟32次，對尾水位、機組振動、機組負荷等數據記錄53組，對上下游水流情況進行記錄。

試運行期間未發生影響設備安全運行的異常情況，每周對記錄數據進行對比分析，并開展兩次在相同工況下，分別按照原方案及優化后方案運行，同時，從7月15日開始，轉為原方案運行，并記錄相應數據，進行對比分析。

4.2 優化調度初擬方案試運行效果分析

通過記錄數據及對比分析，泄洪閘門優化調度初擬方案對尾水位壅高及機組振動等問題有所改善。

（1）緩解了原方案采用首先開啟深孔區泄洪，機組尾水受到泄洪頂托、壅高尾水的問題

按照優化調度初擬方案，首先開啟淺孔二區，遠離機組，有利于尾水擴散，按此方式下泄減少下游水位影響。當只開啟淺孔二區時，下游流態基本正常，基本未受泄洪影響，尾水擴散正常，機組發電效益增加明顯。

（2）改善了機組振動情況

通過選取泄洪閘門優化調度前后振動數據進行對比分析，判斷泄洪閘門優化調度對機組振動帶來的影響，因數據較多，選取具有代表性的水導X向、水導Y向振動數據進行分析。時間上，選取2019年3月份按原泄洪閘門調度方式運行的振動情況，2019年5月份按泄洪閘門優化調度方式運行的振動情況，同時選取2018年5月份振動情況進行對比分析。同時因7月份進行了新舊方案對比分析，15日前按照優化后方案運行，15日后按照原案方案運行，因此將7月份上下半月振動數據進行對比分析后發現，按照優化調度初擬方案運行1號機組整體振動有所下降，振動數據超過二級告警的次數明顯減少。按照優化調度初擬方案運行2號機組情況較1號機組類似，整體振動有所下降，振動數據超過二級告警的次數明顯減少。按照優化調度初擬方案運行3號機組振動情況未見明顯好轉，3號機組振動情況仍是3臺機組最差。

綜上所述，優化方案后，改善了機組過流流態，1號、2號機組振動情況有所改善，3號機組振動未見明顯變化，但通過振動數據分析，3號機組異常振動頻率有所下降。

（3）提高了機組運行效率

通過優化后泄洪閘門調度方案運行，改善了臨近廠房區域頻繁開閘泄洪造成上游進水口水位降低、下游尾水位壅高，減少了發電水頭損失，機組出力有所提升。但因在泄洪閘門優化方案運行前對下游水位進行了校核調整，因此優化后記錄數據與下游水位調整前數據無對比性，因此，在7月份進行了新舊方案輪換運行，15日前按照優化后方案運行，15日后按照原方案運行，并記錄相關數據，進行對比分析，按照優化后泄洪閘門程序運行，相同工況下，機組出力有所提升，在不同出庫流量下，機組出力提高1 MW左右。

（4）減少因深孔區泄洪閘門設備長期頻繁啟閉造成的設備故障、密封磨損等問題，減少深孔區泄洪閘門設備維護量，提高泄洪閘門設備可靠性。

通過馬跡塘電廠閘門啟閉次數統計對比，按照原泄洪閘門啟閉程序運行，深孔區泄洪閘門啟閉次數遠大于淺孔二區泄洪閘門啟閉次數，導致深孔區泄洪閘門故障頻次及密封磨損等問題較淺孔二區嚴重，而通過定期將優化后方案與原方案切換運行，減少單一泄洪閘門開啟次數，減少其損傷程度。同時因馬跡塘電廠與上游柘溪電廠流量不匹配，導致馬跡塘電廠每年棄水天數超過100 d，為電廠深孔區泄洪閘門檢修帶來極大不便，而通過靈活切換泄洪閘門調度方案，可解決泄洪閘門檢修時間安排問題。

（5）下游消力池、護坦、閘墩及上游迎水面沖刷情況

2019年10月21日～26日，由江蘇神龍海洋工程集團公司對電廠消力池及護坦等水工建筑物進行水下攝像檢查。通過檢查淺孔二區11號～18號溢流壩段下游側未發現異常，消力墩、尾坎運行情況良好，未發現有沖刷槽，護坦末端與海漫結合部位運行情況良好，14號～15號弧門護坦向下游有一較深低洼處，與2018年檢查情況基本一致。深孔區19號～23號溢流壩段下游側有兩處掏空，分別為23號右側閘墩下游末端底部淘空及22號～23號尾坎下游護坦末端淘空，其余較2018年檢查基本一致。淺孔二區11號～18號閘墩上游側水下檢查未發現異常，情況良好。深孔區19號～23號閘墩上游側水下檢查發現有4處掏空及1處滲漏，分別為19號右側弧門鋼板邊底部有1處掏空，20號右側門槽底部止水鋼板邊有1處掏空，21號右側弧門鋼板邊底部有1處掏空，22號右側門槽底板止水鋼板上游有1處淘空，21號左側門槽下游外側有1處滲漏。

通過水下攝像對下游消力池、護坦、閘墩及上游迎水面沖刷情況檢查發現，泄洪閘門按照優化后調度程序運行未破壞淺孔二區11號～18號泄洪閘門下游消力池、護坦、閘墩及上游迎水面，運行情況良好。同時因減少深孔區域泄洪閘門的啟閉次數及開啟時長，減小了深孔區19號～23號下游消力池、護坦、閘墩及上游迎水面的破壞程度。

（6）運行中存在的問題

截止到目前，按照優化后泄洪閘門調度方案運行暫未發現存在異常。電廠每月對水工建筑物及水工設備設施巡視檢查，未發現因改變泄洪閘門調度方案運行而產生的問題，機組整體運行正常。

5 結論

（1）泄洪閘門優化調度初擬方案中，3臺機、2臺機及1臺機滿發工況下，閘門各局部開啟高度下的躍后斷面水深h”c小于下游水深ht，能夠產生淹沒水躍；淺孔二區閘門開高為2.5 m時水躍長度為30.95 m，略大于護坦長度30 m，閘門開高小于2.5 m時水躍長度最大值為29.18 m，均小于護坦長度30 m；下游水流流速（假設水流不擴散）最大值為2.15 m/s，均小于基巖允許抗沖流速5 m/s。3臺機、2臺機滿發工況下，按抗沖、抗浮穩定要求計算護坦厚度最大值為0.91 m,小于淺孔二區現有護坦厚度1.2 m（前半段）；1臺機滿發工況下，淺孔二區閘門開高為0.5 m時，按抗沖、抗浮穩定要求計算護坦厚度最大值為1.29 m,大于淺孔二區現有護坦厚度1.2 m（前半段）。因此，在白竹洲正常蓄水位49.0 m頂托作用下，3臺機、兩臺機滿發工況下，現有的消能設施能滿足下游消能防沖要求，1臺機滿發工況下，現有的消能設施不能滿足下游消能防沖要求，說明泄洪閘門優化調度初擬方案在3臺機及2臺機滿發工況下安全可行。

（2）通過水下攝像對下游消力池、護坦、閘墩及上游迎水面沖刷情況檢查發現，泄洪閘門按照優化初擬方案調度程序運行未破壞淺孔二區11號～18號泄洪閘門下游消力池、護坦、閘墩及上游迎水面，運行情況良好。

（3）按照優化調度初擬方案，首先開啟淺孔二區，遠離廠房，有利于尾水擴散，此方式下泄洪減小了下游尾水位壅高程度，減少了發電水頭損失，相同工況下，機組出力有所提升，在不同入庫流量下，機組出力提高1 MW左右，預計年平均增加發電量為：240.77萬kW·h。

（4）通過驗算淺孔區閘門單獨局部開啟不同高度，在滿足消能防沖設計要求前提下，淺孔二區單獨局部開啟最大高度為2 m。泄洪閘門推薦優化調度方案計算成果滿足規程規范要求，在白竹洲正常蓄水位49.0 m頂托作用下，3臺機、2臺機滿發工況下，現有的消能設施能滿足下游消能防沖要求，1臺機滿發工況下，現有的消能設施不能滿足下游消能防沖要求，說明泄洪閘門優化調度推薦方案在3臺機及2臺機滿發工況下安全可行。偏安全情況下，考慮白竹洲死水位影響，3臺機、2臺機滿發工況下，現有的消能設施能滿足下游消能防沖要求，1臺機滿發工況下，現有的消能設施不能滿足下游消能防沖要求，說明泄洪閘門優化調度推薦方案在3臺機滿發、2臺機滿發工況下安全可行。

綜上所述，馬跡塘電廠泄洪閘門優化調度方案經安全性、經濟性分析論證，在白竹洲正常蓄水位49.0 m頂托及考慮死水位影響作用下，優化調度初擬方案與推薦優化調度方案在3臺機及2臺機滿發工況下均具有一定的可行性。為保證安全，1臺機滿發工況下，不允許采用優化調度初擬方案及推薦方案運行，仍采用原調度方案運行。同時，本次復核計算邊界條件十分復雜，包括只有白竹洲電站頂托正常蓄水位工況，死水位工況暫無資料，發電流量只考慮滿發流量等，與實際運行情況尚有出入，因此，在今后實際運行調度時，應根據實際情況對閘門優化調度方式進行相應修正。