水力学试验的创新之作——葛洲坝二江泄水闸分区调度运行.pdf

'第41卷第4期人民长江V0l_41．No．42010年2月YangtzeRiverFeb．，2010文章编号：1001—4179(2010)04—0091—04水力学试验的创新之作葛洲坝二江泄水闸分区调度运行李麟祯苏鲁平(长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010)摘要：葛洲坝二江泄水闸既是超大型多孔泄洪闸，又是运用频繁的调节闸。它的安全运行，成为葛洲坝工程设计的关键问题之一。为此，力求通过水力学设计，做到既防止消力池后过度冲刷，又避免水跃拍打闸门，并为闸门事故提供应急处置条件。初步试验表明，惟有增设两道高隔墙将消力池分隔为三区，分区泄洪，有可能解决问题。但如何确保调度合理，不致顾此失彼，则是一个全新的研究课题，国内外均无先例。试验组以创新思维，推出以控制水跃跃头位置为目标的“三步试验法”：首先测定等跃头位置线；再按设计的分流关系测出坝址水位绳套；最后通过坐标变换，绘出便于应用的“闸孔调度图”。令人困扰的设计难题由此迎刃而解。运行单位则以此为基础，累积原型资料，不断优化调度方案，实现安全运行，迄今已近30年。关键词：多孔闸；闸孔调度图；等跃头位置线；葛洲坝二江泄水闸中图法分类号：TV66文献标志码：A坝。枢纽布置见图1。1概述二江泄水闸作为径流式枢纽泄洪排沙的主要通长江葛洲坝水利枢纽系三峡工程的反调节水库，道，任务繁重。不但要有极大的(80000m／s以上)宣水头不高，有效库容小，但来水量大，其变幅也大；在三泄洪水能力，汛期还得频繁调度闸门开度，以排出发峡大坝建成之前，将有大量泥沙、粗沙和卵石推移质过电、通航、冲沙、排漂所需之外的余水，维持库水位及通图1葛洲坝水利枢纽布置收稿日期：2010—01—10作者简介：李麟祯，男，长江委长江科学院水力学所原副所长，教授级高级工程师，国务院特殊津贴专家。 92人民长江2010生航河势稳定，加之闸下水位呈绳套关系，运行条件极为“葛洲坝二、三江工程及其水电机组”随即获颁1985复杂。如何确保二江闸自身长期安全可靠地运行，自年度国家科学技术进步特等奖。二江泄水闸至今已安然成为关系全局的重大问题之一。为此，二江泄水闸全运行近3O年。实践证明，葛洲坝工程建设者与管理设计成开敞式平底闸，共27孔，每孔净宽12m，高24者没有辜负这一崇高荣誉。m，工作闸f-JR用双层布置：下层为弧形门，开度由0～本文拟对二江泄水闸后期水力学研究作一简要回12m连续调节；上层为平板门，遇大洪水时分档开启。顾。2O世纪70年代中期，长江科学院承担了二江泄2原布置方案水闸后期水力学问题的研究与试验工作。试验证实，当枢纽建成投入正常运转，二江泄水闸消能防冲的主二江泄水闸消力池属低弗氏数，底流消能设施，要矛盾将发生转换，即随着二江泄水闸分流比下降，闸护坦上(F)常在2．5～4．5之间，处于不稳定水跃范下水位相应升高，消力池内水跃位置上移，池后冲刷程围，消能率甚低。其基本体型是按照二期导流条件，在度有所减轻，但经常出现“水跃打闸门”现象。闸门是1／60断面模型上试验确定的。受制于地基条件及结构否安全，一时成为二江泄水闸最后定型的关键问题。稳定要求，未能采用其他改善消能的措施，只得布置长经反复探索，找到了一种新的试验方法，证实了增设高长的防冲护固段及加糙海漫段，文献[1]对此有详细隔墙是惟一可行的解决办法。介绍。原布置的平面与剖面亦可参见图2、图3。惟一高隔墙方案并不改变原布置的基本体型，只是用区别是：原布置消力池内只有两道检修用的低隔墙，并两道高隔墙将闸下消力池分隔为左(6孔)、中(12无高隔墙。孔)、右(9孔)三区，实行分区均匀泄流，调度运行；同2．1闸孔均匀开启时的流态时将池后防淘墙适度加深。见图2、图3。1980年，二江泄水闸建成，同年12月过水，次年在正常运行期，即全部闸孔均匀开启条件下，试验即经历了新中国成立以来最大洪水(72000m。／s)的观察到，对于每一级“闸孔单宽流量”q(m／(s·m)，考验。1985年4月，葛洲坝一期工程通过国家验收。下同)，例如q=120，90，60，30，当闸下水位由低升高圈＼＼1／■4-l，二『IIIlIlzl0l、o。』⋯l一一^一一^一一^一一^一．^．．、^一．^^^^^●～目旨目目茸茸旨旨茸吕旨目旨目骂冒茸目目旨昔／I-fJ!lIIlJII●J，ilJI’·IIJ／I’lI-JII¨-I．1I·l’lIl‘·’·’l12I：一。。一7‘‘。‘。。。。。‘。’。。‘‘。一．‘‘。。。。。1防冲板2防冲铺盖‘jI。洲¨、一：川l3防渗板4．闸室5消力池6检修平台13o30．5l，7防冲护固段8加糙海漫段9．下纵防冲板(1927孔)(7"18孔)(卜6孔)l0左导墙排漂孔11左隔墙6032．0j2右导墙厘2H。川’lI87_／：o230l5。1．／：a13进厂公路图2二江泄水闸平面布置示意(单位：m) 第4期李麟祯，等：水力学试验的创新之作——葛洲坝二江泄水闸分区调度运行93图3二江泄水闸剖面(单位：m)(相当于枢纽总泄量Q增大，或二江闸分流比减小)，方案”为例，介绍作者所采取的“三步试验法”，其目的水跃跃头位置会相应向上游移动。当跃头位于斜坡段是实现合理调度，将水跃跃头控制在设计允许的范围(距闸墩尾L=5～83m)的中部，受斜坡约束，前后窜之内。动不太大，水跃形态正常。当闸下水位更高，跃头升至3一等跃头位置线平台段，形成平底淹没水跃，跃头将前后冲荡，反复拍首先，测定等跃头位置线。这一试验只需开启中击闸门支臂乃至弧门面板。二江闸分流比愈小，水跃区，即将整体模型当断面模型用(其余两区性能与之进入闸室的机会愈多。但当泄量小而闸下水位很高相近)。时，淹没水跃变成表面波动。此即“小开度大淹没度给定库水位，试验一系列闸孔单宽流量q，对出流”，它可作为一种辅助运用方式。每一级q，测出水跃跃头距闸墩尾的距离￡分别为5O，此种流态演变，其实初设阶段已在宜昌工地的整20，0，一10，一30m时各自对应的闸下水位。由体模型试验中发现，但未及深入研究。到了二江泄水此，可在纵坐标为、横坐标为q的图上，画出一系列闸最后定型时候，必须拿出可行的应对方案。等跃头位置线，见图4(摘自文献[2])。2．2几种试验探索(1)改变闸孔运用方式。其一，隔孔对称开启，即单数孔与双数孔开度不同。其结果是流态仍大体正常，但并不能将水跃推得更远。其二，关闭若干孔，加大其余各孔泄量。由于出流不对称，消力池内水流失稳，出现绝不容许的折冲水流乃至大漩流。其三，某孔闸门出现事故，被迫关闭检修门。此时该孔两侧立即出现强烈折冲水流。(2)工程措施。其一是延长闸墩至斜坡段起点。其二是将闸室平台段改为弧形，顶部高程提升2m至单宽流量q／Ira。·(s·Ⅲ)](a)H1-=63i139m。其三是将消力池底部高程提升1．5m至32m。试验表明，这几种措施都有些功效，但加在一起也不能解决问题，何况每种措施都有副作用，因而很快被否定。剩下的只有“增设高隔墙、分区运用”这一方案。3高隔墙方案从闸墩至消力池尾部增设几道高隔墙，即可实现分区均匀泄流，前述折冲水流不致出现；如某区出现闸门事故，可关闭该区以应急；由于可以少开一、二区，增单宽流量q／[rn。-(s·m)]大泄流区单宽流量，可将水跃推得更远；这些都是显而(b)H~=66il易见的。但是，如何才能实现合理调度，却需要认真研究。弄不好又会反过来，导致闸下过度冲刷。作者在图4q～一关系走过一段弯路之后，认识到常规方法已不敷应用，必须为节省篇幅，图4只画出了q=20～150在试验方法上有所创新。下面以“二隔三区(6，12，9)m／(s·m)的对应关系，实际上，试验一直进行到闸门 人民长江2010芷全开(q=247m／(s·m))。情况，L<50m)；第3段(XQ>60000m／s)，三江模型试验中，流量、水位测量精度较高，而水跃跃闸也开启冲沙，分流10500m／s，因出现概率小，上界头老是前后窜动，值测读误差较大，可能达到5～10适度放宽，取为L=一10m，下界亦为q=q⋯=247m。m／(s·m)。3．2坝址水位绳套其次，建立闸下水位与枢纽总流量SQ的关系。由于探索阶段已发现，不能套用初设拟定的、以右岸紫阳河口站为代表的坝址水位绳套，必须在整体模型上进行试验。此阶段试验，模型均为定床，但按二期导流试验制作了局部冲坑。在坝下从右岸至左岸横向布设了4处测站，即紫阳河口、大江电厂下、二江闸下右、二江闸下左。控制库水位，试验各级XQ，按宜昌站建坝前水位绳套2345678(暂时假定它不受建坝影响，实际将逐年缓缓下切)控总流薰0／(1Om·s。。)制下游水位。各泄流口的分流关系则由设计单位专门图5闸子L调度图示例拟定，其特点是尽可能多发电且以大流量冲沙，因而二(3)闸孔调度线。闸孔调度图的特点是直观易江泄水闸分流比是偏小的。这既是常见情况，又正好懂，便于应用。图5中，调度通道之内的阶梯状折线是用以严格检验二江泄水闸对抗水￡瓤跃上匣旺移旧的能力。852963使用者画出的，称为“闸孔调度线”。它显示分区运用试验测出了上述各站的坝址水位绳套。由于二江状况。因为是二隔三区(6，I2，9)方案，从开6孔到开出流受西坝顶托(参见图1)，各级流量下，二江泄水闸21孔，调度级差都是3孔。调度线不是惟一的。只要下水位均高于右岸水位。设计单位据此修正了分流关调度线包含在调度通道之内就表明这一调度方式是可系，再次进行试验。所得出的“二江闸下左”的水位即行的。图5画出的是理想情况，即尽可能使“下折点”前述试验中的“闸下水位”。离下界远一些。3．3闸孔调度图图5是按一种相当严苛的条件——闸下水位为上第3步，利用上述两项基础资料，作出调度通道及限，二江闸分流比偏小绘制出的。其它常见情形，将会闸孑L调度线，形成闸孔调度图。其方法如下：有更宽的调度通道。至于个别极端状况，可以运用特(1)坐标变换。首先，利用坝址水位绳套关系的殊调度措施予以处理。至此可以说，高隔墙方案的可上限，将图4的纵坐标换算成总流量XQ，作为新行性已得到全面证实。图的横坐标；然后按前述设计拟定的二江闸分流比，将(4)冲深极值点与减冲措施。调度线上每一点代图4的横坐标q换算为开启孔数N(每孔流量：q·表一种运行方式。如果进行冲刷试验，各自会得出一12n1)，作为新图的纵坐标(这里虚拟地将开启孔数Ⅳ个冲深值。不难看出，调度线的每个下折点都是冲深也视作连续变量)，形成由坐标系(q，Ha)至坐标系极值点。因此，冲刷验证试验只需对每个下折点进行(SQ，N)的坐标变换。从而可将图4中的等跃头位即可。置线转画至新图上。如图5所示。随后的冲刷验证试验表明，影响冲深的两个主要(2)调度通道。为图面简洁，图5中没有画出更因素中，护坦单宽流量比水位落差更重要。当Q较多的等跃头位置线，只画了两条曲线，称之为调度通道大时，冲深有可能超过二期导流的试验值。设计单位的上界与下界。二者既反映了消力池的性能，也有一为此适当加深了消力池后防淘墙的深度，同时拟定了定的选择余地。调度通道愈宽，调度性能愈佳。它们两项特殊调度措施，供运行单位在大流量时试用。分为3段，是因大江闸、三江闸相继开启冲沙所致。第其一，将原来的关闭区以小开度均匀开启，形成大1段(XQ≤45000111／s)，上界取为L：0(即不让跃淹没度出流，从而减小正常泄洪区的单宽流量。头上平台)，下界取为L=50m(跃头位于斜坡段上其二，当．ZQ>65000m／s，不妨多开3孔(即由1／3处)；第2段(45000m／s