桃源水電站機組甩負荷涌浪分析

周小青，龐建成，屈 星，姜伯樂

（1.湖南省水利水電勘測設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007；2.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430011）

1 概述

桃源水電站是沅水干流最末一個水電開發(fā)梯級，位于湖南省桃源縣境內(nèi)。工程于2010 年8 月開工建設(shè)，2014 年全面投產(chǎn)。水電站裝設(shè)9 臺單機容量20 MW 的貫流式機組，僅以一回出線接入漳江變電站。電站輸水道短，機組甩負荷后水擊波迅速傳遞至壩前，對壩前水位波動影響大。根據(jù)涌浪的傳播動力特性分析，甩負荷涌浪產(chǎn)生后的有害影響可能有擋水閘壩、泄洪閘門、水輪機組、船閘、庫區(qū)傳播以及庫區(qū)岸坡等。為減少涌浪可能產(chǎn)生的不利影響，需研究涌浪數(shù)學模型，利用模型計算出各種工況的模擬成果，并在此基礎(chǔ)上分析可能的風險影響，最后提出結(jié)論及合理化建議。

2 數(shù)學模型

本研究采用守恒型的平面二維潛水模型[1]。對于平面大范圍的自由表面流動，垂向尺度一般遠小于平面尺度，在此條件下，可引入淺水假設(shè)來簡化基本的守恒方程。假設(shè)沿水深方向的壓力遵循靜水壓力分布，同時對基本的質(zhì)量與動量守恒方程在水深方向積分以便引入平均化處理，可以導出以下的淺水方程[2,3]：

式中：U為自變量；F，G分別代表x，y 方向的通量；S代表源項；I，V分別代表對流通量與粘性通量；h為水深；u，v分別為x，y 方向的流速；g為重力加速度；S0x和S0y分別為x，y 方向的底坡源項；Sfx和Sfy分別為x，y 方向的底摩擦源項，具體計算式如下：

式中：n為糙率；Zb為河底高程；其中水位Z由水深h和河底高程Zb確定。

3 計算條件

3.1 計算區(qū)域與特征點

計算區(qū)域包括桃源電站整個左、右槽，并在左右槽分叉處沅水大橋位置往上游河段延伸約650 m，見圖1。

圖1 模型模擬區(qū)域

3.2 計算域網(wǎng)格

計算域網(wǎng)格剖分采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格相結(jié)合的方式，共劃分網(wǎng)格單元數(shù)24 823 個，節(jié)點數(shù)14 866 個，網(wǎng)格在近壩址位置采用結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格，并進行了局部加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為4 m，上游河道采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，依據(jù)地形散點精度和計算要求網(wǎng)格逐漸稀疏，最大網(wǎng)格尺寸40 m，上下游網(wǎng)格銜接保證疏密過渡自然。右槽近壩址處發(fā)電廠房和泄洪閘部分網(wǎng)格剖分見圖2，左、右槽交匯處及上游河道網(wǎng)格剖分見圖3。

圖2 計算域右槽近壩河段網(wǎng)格（左右槽部分）

為便于對計算結(jié)果進行分析研究，除在右槽布置的特征點之外，在左槽也布置了5 個特征點，特征點編號（L1，L2，L3，L4a 和L4b）、位置見圖4、圖5和表1。

表1 計算分析特征點一覽表

圖4 數(shù)值計算特征點（左右槽部分）

圖5 數(shù)值計算特征點和特征線（近壩址處）

3.3 計算方案

依據(jù)桃源水電站水庫運行方式和發(fā)電調(diào)度規(guī)則[4]當入庫流量≤3 699 m3/s（電站滿發(fā)流量）時，在保持庫水位維持正常蓄水位（39.50 m）的情況下，關(guān)閉樞紐閘門，出庫流量全部從水輪機下泄。因此，計算主要針對入庫流量等于3 699 m3/s，機組達到滿發(fā)流量，流量全部通過水輪機下泄的發(fā)電調(diào)度方式進行。

將9 臺機組按順序每3 臺編為1 組，共3 組。甩負荷操作按分組停機，共計7 種停機組合，本次主要研究最不利的工況，即甩9 臺工況。

考慮甩負荷同時，信息指令傳輸和弧門液壓系統(tǒng)加壓的延遲，又或者是場內(nèi)電源中斷，弧門啟動需要采用柴油發(fā)電機啟動的延遲，弧門不能同步開啟的實際情況，增加了棄水非同步工況（延遲1 min/延遲7 min）；又考慮到現(xiàn)有場內(nèi)電源電力負荷的限制，每次只能同時啟動3 扇弧門的實際情況，又增加了棄水弧門非同時開啟的工況。計算工況見表2。

表2 甩機組計算工況匯總表

3.4 初邊值條件

上游入流邊界：上游入口邊界（左、右槽分叉位置上游650 m 河道斷面）給定常值流量3 699 m3/s[5]。

下游出流邊界：將下游9 臺發(fā)電機組作為泄流通道，在滿發(fā)運行狀態(tài)下，每臺機組的常值下泄流量為411 m3/s。當機組甩負荷運行需要關(guān)停時，機組導葉按比例分兩段關(guān)閉：①導葉從100%關(guān)至40%，時間為4.7 s；②從40%關(guān)至0%，時間為3.3 s，共計8 s。下泄流量近似認為遵循線性非恒定變化過程，8 s 內(nèi)從411 m3/s 減小為0 m3/s。

初始條件：為了保證電站滿發(fā)運行狀態(tài)下壩前蓄水位達到39.50 m，本文將模擬3 h 電站滿發(fā)正常運行情況作為初始方案，然后在此基礎(chǔ)上依次模擬其他甩負荷停機方案。

固壁邊界：電站發(fā)電廠房、泄洪閘側(cè)壁以及河道邊坡岸線均定義為固壁邊界條件，且固壁處的法向速度定義為0。

泄洪閘泄流邊界：桃源電站液壓式弧門啟門速度為0.70 m/min，在調(diào)度規(guī)程中要求弧門的開度范圍內(nèi)，根據(jù)弧門開度與上游水深的關(guān)系，判定泄洪閘泄流類型為寬頂堰閘孔出流，依據(jù)閘下共軛水深與下游水深的關(guān)系，判定閘孔為自由出流或淹沒出流，最終單孔泄洪閘開啟時的泄流過程由寬頂堰閘孔出流計算公式[6,7]得出。

4 計算成果分析

各工況計算成果見表3 和表4 從計算結(jié)果可以看出：甩負荷停機情況下，棄水比不棄水好，早棄水比晚棄水好。

表3 甩9 臺機組泄洪閘段各計算工況特征值統(tǒng)計表

表4 甩9 臺機組上游左、右槽入口位置各計算工況特征值統(tǒng)計表

不棄水工況Case 9 A 因泄洪閘不開啟，水位持續(xù)雍高，G11 位置離甩負荷機組最近，在第11 s 即開始翻閘，G6 位置位于泄洪閘段正中間，在第26 s開始翻閘，G1 位置離甩負荷機組最遠，在第53 s 開始翻閘，翻閘后水位持續(xù)走高，至甩負荷后1 h，最高水位可漲至約44.50 m。右槽入口位置U8 首浪水位40.28 m，浪高0.61 m，漲水速率約0.55 m/min。左槽入口位置L1，同時也位于主航道上，該位置首浪水位40.45 m，浪高0.74 m，漲水速率約0.35 m/min。同步同時棄水工況Case 9 B 泄洪弧門按調(diào)度規(guī)程弧門棄水方式開啟，受弧門開啟速率限制，涌浪并不會迅速消減，隨著弧門開度增大，泄洪量加大，后期水位持續(xù)走低。G1 位置最高涌浪40.14 m，自甩負荷第53 s 開始翻閘，持續(xù)約47 s，G6 位置最高涌浪水位接近40.00 m，涌浪基本不翻閘，G11 位置最高涌浪水位40.23 m，自甩負荷第11 s 開始翻閘，持續(xù)約47 s。總體來看該工況下，個別位置涌浪翻閘，但翻閘時間較短，水位因泄洪量加大迅速下降。右槽入口位置U8 首浪水位40.10 m，浪高0.43 m，漲水速率0.42 m/min。左槽入口位置L1 首浪水位40.12 m，浪高0.41 m，漲水速率約0.24 m/min。

非同步同時棄水工況Case 9 C（延遲1min 弧門啟動）泄洪弧門按調(diào)度規(guī)程棄水方式開啟，相比工況Case 9 B，因弧門開啟較晚，初期水位略高，后期弧門泄洪量穩(wěn)定之后，水位基本保持一致。該工況下G1 位置最高涌浪40.42 m，第35 s 開始翻閘，翻閘持續(xù)約91 s，G6 位置最高涌浪水位40.30 m，第26 s 開始翻閘，翻閘持續(xù)約104 s，G11 位置最高涌浪水位40.33 m，第11 s 開始翻閘，翻閘持續(xù)約153 s。右槽入口位置U8首浪水位40.27 m，浪高0.60 m，漲水速率0.57 m/min。左槽入口位置L1 首浪水位40.32 m，浪高0.61 m，漲水速率約0.33 m/min。

工況Case 9 D（延遲7min 弧門啟動）與Case 9 C 工況類似，因弧門開啟較晚，最高涌浪水位較高，各特征位置涌浪翻閘時間相同，涌浪翻閘持續(xù)時間較長，G11 位置涌浪翻閘持續(xù)約514 s。右槽入口位置U8 首浪水位40.29 m，浪高0.62 m，漲水速率0.57 m/min。左槽入口位置L1 首浪水位40.45 m，浪高0.74 m，漲水速率約0.35 m/min。

非同步非同時棄水工況Case 9 D1（延遲7 min弧門啟動，且弧門非同時開啟）為極端工況，此工況下弧門因供電中斷啟用柴油發(fā)電機啟門，且每次同時只能開啟3 扇弧門，相比工況Case 9 D（延遲7 min 弧門啟動），因8 號和4 號弧門延遲至8 min 開啟；9 號和3 號弧門延遲至9 min 開啟，水位回落較慢，但從長歷時計算結(jié)果來看，后期回落水位基本保持一致。該工況下發(fā)電廠房段G11 位置涌浪翻閘持續(xù)時間最長，約543 s。左、右槽入口位置首浪水位、浪高和漲水速率與工況Case 9 D 一致。

非同步非同時棄水工況Case 9 E 考慮到啟動弧門電力負荷的限制，每次同時只能開啟3 扇弧門，弧門不能按調(diào)度規(guī)程棄水方式同時開啟。該工況G1 位置最高涌浪水位40.45 m，涌浪翻閘持續(xù)約214 s，G6 位置最高涌浪水位40.32 m，涌浪翻閘持續(xù)約209 s，G11 位置最高涌浪水位40.38 m，涌浪翻閘持續(xù)約329 s。右槽入口位置U8 首浪水位40.28 m，浪高0.61 m，漲水速率0.58 m/min。左槽入口位置L1 首浪水位40.38 m，浪高0.67 m，漲水速率約0.33 m/min。

非同步非同時棄水工況Case 9 F 考慮到涌浪傳播路線，調(diào)整調(diào)度規(guī)程弧門開啟方式，先開啟離機組最近的3 扇弧門，隨后再開啟離弧門最遠的3 扇。該工況下G1 位置最高涌浪水位40.48 m，翻閘持續(xù)時間約173 s，G6 位置最高涌浪水位40.36 m，翻閘持續(xù)時間約184 s，G11 位置最高涌浪水位40.32 m，翻閘持續(xù)時間約160 s。右槽入口位置U8 首浪水位40.27 m，浪高0.60 m，漲水速率0.55 m/min。左槽入口位置L1 首浪水位40.37 m，浪高0.67 m，漲水速率約0.25 m/min。圖6、圖7 分別顯示甩9 臺機組A、B、E、F 工況下泄洪閘段1 號、11 號弧門特征位置長、短歷時的水位波動過程對比。

圖6 泄洪閘段1 號弧門位置水位波動過程對比（長、短歷時）

圖7 泄洪閘段11 號弧門位置水位波動過程對比（長、短歷時）

5 成果分析與建議

5.1 成果分析討論

甩9 臺機組情況下，不開啟泄洪閘棄水時，水位持續(xù)上漲，1 h 后弧門前最高涌浪水位44.50 m，浪高5.00 m，涌浪在甩負荷停機后11 s 開始翻閘，且翻閘一直持續(xù)；泄洪閘同步、同時開啟時涌浪11 s 開始翻閘，最長持續(xù)約47 s；泄洪閘非同步（延遲1 min）、同時開啟時涌浪同樣11 s 開始翻閘，最長持續(xù)約153 s；泄洪閘非同步（延遲1 min）、非同時開啟（錯時165 s）時涌浪11 s 開始翻閘，最長持續(xù)約329 s；泄洪閘非同步（延遲1 min）、非同時開啟（錯時60 s）時涌浪11 s 開始翻閘，最長持續(xù)約184 s；當弧門延遲7 min 且非同時開啟時，最高涌浪水位不變，涌浪翻閘起始時間不變，但翻閘持續(xù)時間增加，持續(xù)約9 min 左右；左、右槽入口位置浪高不大于0.74 m，漲水速率不大于0.58 m/min，浪高相對較高，但漲水速率不大，對左槽通航基本無影響。

5.2 建議

（1）甩負荷停機時，應(yīng)盡早開啟泄洪弧門棄水，并盡量保證初始棄水量。完善信息化聯(lián)合調(diào)度機制，提高機組設(shè)備，縮短弧門啟動反應(yīng)時間；建設(shè)場外備用電源，避免出現(xiàn)供電線路單一的，防范供電故障。適當考慮增大弧門啟門供電負荷，盡力實現(xiàn)能同時開啟更多扇弧門。同時也需要做好柴油發(fā)電機組的日常維護工作。

（2）需校核弧門在一定時間內(nèi)水量翻閘情況下弧門的力學性能和運行穩(wěn)定性以及進行機組甩負荷涌浪對攔河閘壩穩(wěn)定、雙洲副壩壩坡穩(wěn)定及連接壩段壩坡穩(wěn)定等研究，并根據(jù)本研究結(jié)果提出處理措施。

（3）盡管甩負荷涌浪對左槽通航船只通航安全基本不構(gòu)成影響，但仍需建立電站機組甩負荷預(yù)警機制，防范對上、下游游覽船只和人員造成傷害。

（4）因發(fā)生甩負荷幾率較小，不是經(jīng)常性的對庫岸進行沖擊，對庫區(qū)岸坡的影響甚微。

（5）在條件允許的情況下，人為或有計劃地安排少量機組的甩負荷操作，設(shè)置現(xiàn)場觀測儀器設(shè)備，搜集掌握第一手的原觀數(shù)據(jù)，以便于對電站甩負荷數(shù)值模型做進一步的檢驗。

6 結(jié)語

通過數(shù)值模擬計算研究，對桃源水電站機組停機甩負荷時涌浪影響進行了分析討論，并針對存在的風險提出了預(yù)防措施及建議。研究成果及方法可供類似工程參考。

參考文獻：

[1] 顏凡塵，郭志全．耦合模型在遼河口地區(qū)水沙計算中的應(yīng)用[J]．東北水利水電，2006，24（3）：43-45．

[2] 王光磊．二維水動力模型在老哈河鐵路橋防洪影響評價中的應(yīng)用研究[D]．長春：吉林大學，2016．

[3] 梁博．水力信息系統(tǒng)在潰壩洪水計算中的應(yīng)用[D]．大連：大連理工大學，2008．

[4] 周小青，邢巖，姜伯樂．湖南省沅水桃源水電站機組甩負荷風險評估報告[R] ，2016．

[5] 趙丹祿，王賀成，張吉．桃源水電站機組甩負荷庫區(qū)涌浪數(shù)值模擬[J]．水電站機電技術(shù)，2019，42（8）：49-57．

[6] 肖興斌，王業(yè)紅．高水頭平板閘門水力特性研究[J]．水利水電科技進展，2001，21（4）：29-31．

[7] 劉景，李俊杰．不同開度時溢流壩弧形閘門水流三維數(shù)值模擬[D]．大連：大連理工大學，2013（11）：191-194．