葛洲壩二江泄水閘分區運行對電站尾水位影響研究

曾 輝，喻 峰，袁 達，吳俊東，朱世洪

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

葛洲壩水利樞紐位于湖北省宜昌市長江三峽出口南津關下游2.3 km處，是長江干流上修建的第一座大型水利水電工程。葛洲壩水利樞紐壩軸線全長2 606.5 m，從左向右主要建筑物依次為左岸土石壩，三江三號船閘、6孔三江沖沙閘和二號船閘，二江7臺機組廠房和27孔二江泄水閘，大江14臺機組廠房和排沙底孔、一號船閘、9孔大江沖沙閘，右岸混凝土擋水壩段。葛洲壩水利樞紐總過流能力為設計流量86 000 m3/s、校核流量110 000 m3/s。

葛洲壩水電站屬于徑流式無調節能力電站[1]，徑流式水電站主要利用天然徑流進行發電，無法對來流進行調節。徑流式電站水頭較低，當下泄流量增加時，下游水位上升，引起發電水頭減小，當發電水頭小于機組額定水頭時，電站機組出力受限，電站發電量減小。葛洲壩電站設計水頭18.6 m，共裝機21臺，包括2臺170 MW機組和19臺125 MW機組，單機容量125 MW的機組正在進行增容至150 MW的改造，改造全部完成經相關主管部門批準后，總裝機容量為3 210 MW。樞紐工程長期運行水位為66.0 m。當入庫流量大于電站滿發流量時，葛洲壩全機組發電，二江泄水閘參與泄水。當入庫流量進一步增大時，二江泄水閘下泄棄水流量增大，電站尾水位抬升，導致發電水頭減小，當發電水頭小于額定水頭時，葛洲壩電站出力受限，發電量減少。

國內外研究主要通過前期規劃布置和工程措施降低尾水位提高徑流式電站機組發電水頭。在前期規劃階段，包中進等[2]通過前期優化尾水渠布置來降低尾水位，提高發電效益；陳世蓮[3]通過對徑流式電站合理的布置以盡可能減小水頭損失來提高發電水頭；王斌等[4]通過物理模型試驗，優化了電站尾水渠布置，有效地增加了電站的發電效益；李元杰等[5]通過選擇新型消能工、增加隔流墩來減小下泄水流對電站尾水位的影響。電站建成后，通過擴挖尾水渠、尾水渠清淤等工程措施也可以降低電站尾水位[6-12]。

本文通過優化葛洲壩水利樞紐運行期二江泄水閘調度運行方式來降低尾水位，提高發電水頭。因葛洲壩電站發電水頭相對較低，將發電水頭提高后，即使發電水頭增加值較小，但其占發電水頭比例也將相對較大，并且由于樞紐工程機組臺數多、年發電量大，提高發電水頭將顯著增加發電量，工程的經濟效益將顯著提高，因此，有必要通過研究優化葛洲壩水電樞紐運行期二江泄水閘調度運行方式，提高發電水頭。

二江泄水閘是葛洲壩樞紐的主要泄水排沙建筑物，不僅承擔排泄長江上游主要來水來沙的任務，還是樞紐運行中控制上游水位，實現通航發電綜合效益的關鍵性建筑物；二江泄水閘共27孔，分為三區，采用底流水躍消能，在設計蓄水位時，27孔閘總下泄流量81 000 m3/s，單孔泄流能力為3 000 m3/s。

2 研究模型構建

2.1 模型簡介與原理

水動力模型的控制方程為簡化Navier-Stokes方程組得到的二維平面淺水方程組[13-15]，包含水流連續方程和水流動量方程，即

二維水流的總水深

h=η+d

(1)

二維淺水方程的的連續方程

(2)

二維淺水方程的動量方程

(3)

(4)

(5)

(6)

模型邊界條件為：①閉合邊界。閉合邊界垂直方向上的流速都為0，而沿著閉合邊界方向上的流速為0時閉合邊界為無滑移邊界，沿著閉合邊界方向不為0時為滑移邊界。該模型采用無滑移邊界，閉合邊界垂向和平行方向的流速均為0。②開邊界。水動力模型中的開邊界可以設定為流量邊界、單一水位邊界、單一的流速邊界、通量邊界和水位-流速邊界等。③干濕動邊界。該模型可能在計算區域中存在干濕交替區，為了避免模型干濕交替區單元水深過小出現高速不穩定流進而發散，故設定濕水深hwet=0.05 m，淹沒水深hflood=0.005 m，干水深hdry=0.001 m。

2.2 水動力模型建立

2.2.1 模型范圍

選取葛洲壩水利樞紐下游5 km范圍建立水力學模型，如圖1所示。

圖1 葛洲壩二江泄水閘運行方式研究水動力模型

2.2.2 網格布置

計算網格采用三角形網格。整個計算區域共布置了131 969個網格節點和261 370個計算單元。網格間距為2～40 m。主要研究區域葛洲壩壩下區域，網格間距為2 m，其他區域采用過渡網格。網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

2.2.3 測點位置

大江、二江機組下游7號站、8號站下游水位計算點位置見圖3。

圖3 模型測點及水位站位置

2.3 模型驗證

數模計算涉及的主要參數有河道糙率、紊動粘性系數等。河道糙率實際上是一個綜合阻力系數，反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響。

選取2020年9月7日葛洲壩水工設施運行資料對模型進行驗證。計算所采用的河道糙率取值如下：對于開挖渠道及邊坡為0.020，河道高程65.0 m以下為0.027，河道高程65.0 m以上采用0.033。紊動粘性系數采用Smagorinsky公式計算，其中Smagorinsky系數取0.28。

葛洲壩水利樞紐水工設施2020年9月7日運行時下游水位分布計算值見圖4，特征點位置計算值與實測值結果對比見表1。從圖4和表1可以看出：計算和實測水位值基本吻合，差值不大于0.02 m，滿足相關規范。說明該模型能滿足工程計算的要求。

圖4 驗證模型

3 二江泄水閘分區運行方案研究

3.1 入庫流量與二江泄水閘運行方式

分析樞紐2020年運行資料，入庫流量大于17 400 m3/s時，全機組發電，僅二江泄水閘參與泄水運行方式中，17 400 m3/s<入庫流量≤25 000 m3/s時，二江泄水閘常采用右區泄水運行方式；25 000 m3/s<入庫流量≤30 000 m3/s時，二江泄水閘常采用中區泄水運行方式；30 000 m3/s<入庫流量≤45 000 m3/s時，二江泄水閘常采用中右區泄水運行方式。

為滿足正常運行期各種泄洪、沖沙的需要，需嚴格控制二江泄水閘水躍的位置，保證各種條件下的水躍既不能遠驅，又要防止水躍進入閘室撞擊閘門，二江泄水閘泄流時必須使水躍躍首控制如下：護坦單寬流量小于或等于100 m3/s時，躍首在閘墩末端以下30 m范圍以內，禁止躍首遠驅到50 m以外；護坦單寬流量大于100 m3/s時，不允許躍首遠驅到30 m以外。參照葛洲壩二江泄水閘分區泄流的模型與原型驗證[16]中一系列護坦單寬流量q與發生相應水躍躍首位置的尾水位關系曲線，得到躍首位置如圖5所示，圖中L為閘墩末端以下距離。從圖5可知，護坦單寬流量小于或等于100 m3/s時，應將單寬流量控制在圖中L=0與L=50 m之間；護坦單寬流量大于100 m3/s時，應將單寬流量控制在圖中L=0與L=30 m之間。

圖5 躍首位置

根據葛洲壩水利樞紐泄水設施調度運用程序及相關發電調度關鍵參數作以下試算：

(1)入庫流量達20 000 m3/s時，庫水位為66.0 m，尾水位擬合值為45.37 m，毛水頭為20.63 m，平均水頭損失為0.45 m，凈水頭為20.18 m(大于額定水頭18.6 m)，綜合出力系數為8.80，170 MW單機達到預想出力需過機流量957 m3/s，150 MW單機達到預想出力需過機流量845 m3/s，全機組發電流量為17 965 m3/s，二江泄水閘棄水2 035 m3/s?？刂贫顾l水躍滿足泄水安全要求，水躍發生在閘墩末端(L=0)時，單寬流量q為9 m3/s；水躍發生在閘墩末端以下50 m處(L=50 m)時，單寬流量q為34 m3/s，二江泄水閘可開5～18孔。

(2)入庫流量達25 000 m3/s時，庫水位為66.0 m，尾水位擬合值為47.04 m，毛水頭為18.96 m，平均水頭損失為0.47 m，凈水頭為18.48 m(小于額定水頭18.6 m)，綜合出力系數為8.63，170 MW單機預想出力限制為169 MW，需過機流量1 058 m3/s，150 MW單機預想出力限制為149 MW，需過機流量934 m3/s，全機組發電流量為19 861 m3/s，二江泄水閘棄水5 139 m3/s?？刂贫顾l水躍滿足泄水安全要求，水躍發生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為24 m3/s，水躍發生在閘墩末端以下50 m處(L=50 m)時單寬流量q為53 m3/s，二江泄水閘可開8～18孔。

(3)入庫流量達30 000 m3/s時，庫水位為66.0 m，尾水位擬合值為48.63 m，毛水頭為17.37 m，平均水頭損失為0.47 m，凈水頭為16.90 m(小于額定水頭18.6 m)，綜合出力系數為8.52，170 MW單機預想出力限制為151 MW，需過機流量1 048 m3/s，150 MW單機預想出力限制為134 MW，需過機流量932 m3/s，全機組發電流量為19 812 m3/s，二江泄水閘棄水10 188 m3/s?？刂贫顾l水躍滿足泄水安全要求，水躍發生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為37 m3/s，水躍發生在閘墩末端以下50 m處(L=50 m)時單寬流量q為70 m3/s，二江泄水閘可開12～23孔。

(4)入庫流量達35 000 m3/s時，庫水位為66.0 m，尾水位擬合值為50.14 m，毛水頭為15.86 m，平均水頭損失為0.44 m，凈水頭為15.42 m(小于額定水頭18.6 m)，綜合出力系數為8.48，170 MW單機預想出力限制為133 MW，需過機流量1 019 m3/s，150 MW單機預想出力限制為119 MW，需過機流量909 m3/s，全機組發電流量為19 307 m3/s，二江泄水閘棄水15 693 m3/s?？刂贫顾l水躍滿足泄水安全要求，水躍發生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為50 m3/s，水躍發生在閘墩末端以下50 m處(L=50 m)時單寬流量q為90 m3/s，二江泄水閘可開15～26孔。

(5)入庫流量達40 000 m3/s時，庫水位為66.0 m，尾水位擬合值為51.56 m，毛水頭為14.44 m，平均水頭損失為0.41 m，凈水頭為14.03 m(小于額定水頭18.6 m)，綜合出力系數為8.45，170 MW單機預想出力限制為116 MW，需過機流量978 m3/s，150 MW單機預想出力限制為103 MW，需過機流量871 m3/s，全機組發電流量為18 513 m3/s，二江泄水閘棄水21 487 m3/s?？刂贫顾l水躍滿足泄水安全要求，水躍發生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為63 m3/s，水躍發生在閘墩末端以下30 m處(L=30 m)時單寬流量q為88 m3/s，二江泄水閘可開20～27孔。

(6)入庫流量達45 000 m3/s時，庫水位為66.0 m，尾水位擬合值為52.85 m，毛水頭為13.15 m，平均水頭損失為0.38 m，凈水頭為12.77 m(小于額定水頭18.6 m)，綜合出力系數為8.38，170 MW單機預想出力限制為100 MW，需過機流量935 m3/s，150 MW單機預想出力限制為89 MW，需過機流量830 m3/s，全機組發電流量為17 649 m3/s，二江泄水閘棄水27 351 m3/s?？刂贫顾l水躍滿足泄水安全要求，水躍發生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為77 m3/s，水躍發生在閘墩末端以下30 m處(L=30 m)時單寬流量q為108 m3/s，二江泄水閘可開21～27孔。

3.2 二江泄水閘分區運行方案

根據各流量級的試算，當入庫流量達20 000 m3/s時，二江泄水閘可以開啟左區(6孔)、中區(12孔)、右區(9孔)；當入庫流量達25 000 m3/s時，二江泄水閘可以開啟右區(9孔)、中區(12孔)、左右區(15孔)、左中區(18孔)；當入庫流量達30 000 m3/s時，二江泄水閘可以開啟中區(12孔)、右中區(21孔)、左右區(15孔)、左中區(18孔)；當入庫流量達35 000 m3/s時，二江泄水閘可以開啟右中區(21孔)、左右區(15孔)、左中區(18孔)；當入庫流量達40 000 m3/s時，二江泄水閘可以開啟右中區(21孔)、左中右區(27孔)；當入庫流量達45 000 m3/s時，二江泄水閘可以開啟右中區(21孔)、左中右區(27孔)。具體模擬方案見表2。

表2 二江泄水閘分區運行模擬方案

3.3 模擬結果分析

3.3.1 工況1～3

17 910 m3/s<入庫流量≤20 000 m3/s，取20 000 m3/s作為計算工況，對工況1～3進行模擬計算，計算結果見表3。

表3 Q=20 000 m3/s，工況1～3葛洲壩電站機組下游各測點水位 m

從表3可以看出，工況1(二江泄水閘左區棄水)、工況2(二江泄水閘中區棄水)、工況3(二江泄水閘右區棄水)電站尾水位模擬計算值均為45.43 m；該流量級全機組發電，二江泄水閘左中右區分別參與泄水，尾水位無明顯改變。

3.3.2 工況4～7

20 000 m3/s<入庫流量≤25 000 m3/s，取25 000 m3/s作為計算工況，對工況4～7進行模擬計算，計算結果見表4。

表4 Q=25 000 m3/s，工況4～7葛洲壩電站機組下游各測點水位 m

從表4可以看出，入庫流量超過機組發電流量，開啟全部機組。工況4(二江泄水閘右區泄水)為該流量級常用運行方式，電站尾水位模擬計算為47.34 m。工況5(二江泄水閘中區泄水)尾水位為47.37 m，相較常用工況4尾水位升高0.03 m；工況6(二江泄水閘左右區泄水)、工況7(二江泄水閘左中區泄水)尾水位均為為47.38 m，相較常用工況4尾水位升高0.04 m。

3.3.3 工況8～11

25 000 m3/s<入庫流量≤30 000 m3/s，取30 000 m3/s作為計算工況，對工況8～11進行模擬計算，計算結果見表5。

表5 Q=30 000 m3/s，工況8～11葛洲壩電站機組下游各測點水位 m

從表5可以看出，入庫流量超過機組發電流量，開啟全部機組。工況8(二江泄水閘中區泄水)為該流量級常用運行方式，電站尾水位模擬計算為48.65 m。工況9～11分別采用左、中、右區組合下泄棄水的方式。采用兩區控泄組合方式運行的工況9、工況10、工況11尾水位分別為48.70、48.70、48.69 m，相較常用工況8尾水位分別升高0.05、0.05、0.04 m；工況8(二江泄水閘中區泄水)尾水位最低。

3.3.4 工況12～14

30 000 m3/s<入庫流量≤35 000 m3/s，取35 000 m3/s作為計算工況，對工況12～14進行模擬計算，計算結果見表6。

表6 Q=35 000 m3/s，工況12～14葛洲壩電站機組下游各測點水位 m

從表6可以看出，入庫流量超過機組發電流量，開啟全部機組。工況12(二江泄水閘右中區泄水)為該流量級常用運行方式，電站尾水位模擬計算為50.28 m。工況13(二江泄水閘左中區泄水)尾水位為50.34 m，相較常用工況12尾水位升高0.06 m；工況14(二江泄水閘左右區泄水)尾水位為50.26 m，相較常用工況12尾水位降低了0.02 m。

3.3.5 工況15～16

35 000 m3/s<入庫流量≤40 000 m3/s，取40 000 m3/s作為計算工況，對工況15～16進行模擬計算，計算結果見表7。

表7 Q=40 000 m3/s，工況15～16葛洲壩電站機組下游各測點水位 m

從表7可以看出，入庫流量超過機組發電流量，開啟全部機組。工況15(二江泄水閘右中區泄水)為該流量級常用運行方式，電站尾水位模擬計算為51.81 m。工況16(二江泄水閘左中右區泄水)尾水位為51.88 m，相較常用工況15尾水位升高0.07 m。

3.3.6 工況17～18

40 000 m3/s<入庫流量≤45 000 m3/s，取45 000 m3/s作為計算工況，對工況17～18進行模擬計算，計算結果見表8。

表8 Q=45 000 m3/s，工況17～18葛洲壩電站機組下游各測點水位 m

從表8可以看出，入庫流量超過機組發電流量，開啟全部機組。工況17(二江泄水閘右中區泄水)為該流量級常用運行方式，電站尾水位模擬計算為52.94 m。工況18(二江泄水閘左中右區泄水)尾水位為53.05 m，相較常用工況17尾水位升高0.11 m。

4 結 論

當入庫流量17 910 m3/s≤Q≤45 000 m3/s時，對大江、二江全機組發電，二江泄水閘左中右區不同組合運行參與下泄棄水下的尾水位進行了數值模擬研究，研究結果表明：

(1)17 910 m3/s<入庫流量Q≤20 000 m3/s時，葛洲壩水利樞紐運行水位為65.3～66.0 m，全機組發電。水工設施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘分區運行，尾水位無明顯改變。

(2)20 000 m3/s<入庫流量Q≤25 000 m3/s時，葛洲壩水利樞紐運行水位為66.0 m，全機組發電。水工設施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘中區或右區泄水為常用運行方式，二江泄水閘右區泄水相較中區泄水可以有效降低尾水位。

(3)25 000 m3/s<入庫流量Q≤30 000 m3/s時，葛洲壩水利樞紐運行水位為66.0 m，全機組發電。水工設施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘中區或兩區組合運行為常用運行方式，二江泄水閘中區泄水相較兩區組合運行泄水可以有效降低尾水位。

(4)30 000 m3/s<入庫流量Q≤35 000 m3/s時，葛洲壩水利樞紐運行水位為66.0 m，全機組發電。水工設施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘右中區組合運行為常用運行方式，二江泄水閘左右區組合運行泄水相較右中區組合運行泄水可以有效降低尾水位。

(5)35 000 m3/s<入庫流量Q≤45 000 m3/s時，葛洲壩水利樞紐運行水位為66.0 m，全機組發電。水工設施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘右中區組合、左中右區全開運行為常用運行方式，二江泄水閘右中區組合泄水相較左中右區全開運行泄水可以有效降低尾水位。