金峰水庫(kù)分層取水口運(yùn)行方案分析

雷 亞，高 山，趙倩輝，白 雪

(1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072；2.克拉瑪依市水務(wù)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依，834000)

1 工程概況

武都引水工程是四川省的一項(xiàng)大型水利項(xiàng)目，是在四川省“西水東調(diào)”總體規(guī)劃、嘉(嘉陵江)涪(涪江)地區(qū)水利規(guī)劃和涪江綜合利用規(guī)劃中確定的。武都引水工程共分二期建設(shè)，其中一期工程已于2002年完成；二期工程包括武都水庫(kù)工程和二期灌區(qū)工程。

金峰水庫(kù)是武都二期灌區(qū)工程中的一個(gè)囤蓄水庫(kù)，在西河右岸的一級(jí)支流鳳鳴河上源，壩址位于綿陽(yáng)市鹽亭縣境內(nèi)。水庫(kù)任務(wù)為通過(guò)調(diào)蓄西梓干渠補(bǔ)充的水源，滿足水庫(kù)斷面以下的農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村人畜用水。大壩正常蓄水位475.00m，總庫(kù)容9796萬(wàn)m3。主要建筑物包含大壩、放空洞和分層取水口。

2 分層取水口設(shè)計(jì)

分層取水口布置在水庫(kù)右岸，為塔式取水結(jié)構(gòu)，閘室位于庫(kù)內(nèi)，底板高程442.35m，閘頂高程477.30m。為滿足灌區(qū)作物對(duì)水溫的要求，取水閘室布置為多孔平板閘分層取水形式，能夠滿足從正常蓄水位至死水位變幅情況下取用表層水。分層取水口布置為六層取水，470.85m以下每層孔口均設(shè)一扇平板閘門(mén)，為潛孔布置。上面一孔的底板同時(shí)作為下面一孔的胸墻，胸墻厚度為1.2m。取水孔口高度均為4.5m，寬度均為4.20m。分層取水閘的底高程分別為470.85m、465.15m、459.45m、453.75m、448.05m和442.35m。分層取水門(mén)后依次布置一道平板事故檢修門(mén)和一道弧形工作門(mén)，分層取水閘與弧形門(mén)工作閘通過(guò)混凝土胸墻分隔，前部為進(jìn)水閘室，后部為弧形門(mén)工作閘室。閘室后接消力池，消力池尾坎后接水長(zhǎng)坪隧洞，然后進(jìn)入西梓干渠的下游渠道，將庫(kù)內(nèi)水取至各灌面。

在457.819m操作平臺(tái)設(shè)置1臺(tái)搖擺式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制弧形門(mén)啟閉，通過(guò)旋轉(zhuǎn)樓梯上到閘墩頂部；閘頂設(shè)5臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)用于分層取水門(mén)的啟閉，設(shè)1臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)用于事故檢修門(mén)的啟閉，同時(shí)設(shè)置1臺(tái)雙梁門(mén)式起重機(jī)用于吊裝檢修分層取水門(mén)、檢修事故門(mén)、工作門(mén)和配套啟閉機(jī)。

圖1 分層取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱剖布置

3 分層取水口運(yùn)行方案分析

分層取水口的運(yùn)行方案包含分層取水門(mén)、事故檢修門(mén)和弧形工作門(mén)的運(yùn)行方案。通常事故檢修門(mén)使用頻率較低，僅在檢修設(shè)備或緊急事故時(shí)下放至門(mén)槽。因此本文僅分析討論分層取水門(mén)和弧形工作門(mén)在蓄水時(shí)和取水時(shí)的運(yùn)行方案。

3.1 分層取水門(mén)運(yùn)行方案分析

3.1.1 蓄水時(shí)

蓄水時(shí)，取水口弧形工作門(mén)為全關(guān)閉狀態(tài)，事故檢修門(mén)為全開(kāi)啟狀態(tài)。分層取水門(mén)從下到上依次為1#至5#門(mén)，取水門(mén)在首次蓄水時(shí)有3種方案可行，非首次蓄水時(shí)可參照?qǐng)?zhí)行。

方案一：首先1#門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)，2#-5#門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)水位上升至2#門(mén)底檻以上0.5m時(shí)，首先關(guān)閉1#門(mén)再開(kāi)啟2#門(mén)。以此類(lèi)推，當(dāng)水位上升至470.85m高程以上0.5m時(shí)，關(guān)閉5#門(mén)，直至水位蓄至正常水位。

方案二：蓄水過(guò)程中，始終保持1#門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)，2#-5#門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)，直至水位蓄至正常水位時(shí)，關(guān)閉1#門(mén)。

方案三：首先1#-5#門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)水位上升至2#門(mén)底檻以上0.5m時(shí)，關(guān)閉1#門(mén)。以此類(lèi)推，依次關(guān)閉2#-5#門(mén)，直至水位上升至正常水位。

結(jié)合運(yùn)行過(guò)程中的檢修需要及操作難度，分層取水門(mén)三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。

表1 分層取水門(mén)三種方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

在蓄水過(guò)程中，分層取水門(mén)的三種方案均能保證分層取水門(mén)前后無(wú)較大水位差，方案是可行的，能滿足水庫(kù)蓄水要求。蓄水后，分層取水門(mén)多數(shù)時(shí)間的使用頻次較低，尤其是下部取水門(mén)，長(zhǎng)期不使用有損壞的可能。為及時(shí)檢查分層取水門(mén)的啟閉功能，金峰水庫(kù)蓄水時(shí)分層取水門(mén)選用方案一的運(yùn)行方式。

3.1.2 取水時(shí)

取水時(shí)，分層取水口1#-5#取水門(mén)為全關(guān)閉狀態(tài)，事故檢修門(mén)為全開(kāi)啟狀態(tài)，弧形工作門(mén)動(dòng)水開(kāi)啟取水。當(dāng)庫(kù)水位下降至470.85m高程以上2.5m時(shí)，先全關(guān)弧形工作門(mén)，再靜水開(kāi)啟5#隔水門(mén)底緣距5#門(mén)底檻以上5.0m處懸停，再動(dòng)水開(kāi)啟弧形工作門(mén)取水。以此類(lèi)推，當(dāng)水位下降至2#隔水門(mén)底檻以上2.5m時(shí)，先全關(guān)弧形工作門(mén)，再靜水開(kāi)啟1#隔水門(mén)底緣距1#門(mén)底檻以上5.0m處懸停，靜水關(guān)閉2#隔水門(mén)，再動(dòng)水開(kāi)啟弧形工作門(mén)取水。此時(shí)除1#隔水門(mén)為開(kāi)啟狀態(tài)，其余2#-5#隔水門(mén)均為關(guān)閉狀態(tài)。

取水時(shí)，分層取水門(mén)運(yùn)行過(guò)程中關(guān)閉弧形工作門(mén)是為了在靜水中啟閉取水門(mén)，減小取水門(mén)啟閉難度，確保取水門(mén)安全。關(guān)閉弧形工作門(mén)時(shí)，庫(kù)水位距離當(dāng)層取水門(mén)底檻以上的高度(2.5m)不能過(guò)低，以免下游取水流量大于取水門(mén)過(guò)流流量，引起短期負(fù)壓。

3.2 弧形工作門(mén)運(yùn)行方案分析

金峰水庫(kù)的水流經(jīng)過(guò)取水口的分層取水門(mén)進(jìn)入取水閘室，然后通過(guò)弧形工作門(mén)進(jìn)入消力池和隧洞，隨著西梓干渠進(jìn)入各灌面。取水時(shí)，弧形工作門(mén)需要在動(dòng)水中啟閉，采用局開(kāi)方式調(diào)節(jié)下泄流量。因此弧形工作門(mén)運(yùn)行方案主要討論在不同的上游水位時(shí)，不同的下泄流量需要的閘門(mén)開(kāi)度。

計(jì)算時(shí)，采用閘孔出流流量公式：

式中：σs——淹沒(méi)系數(shù)，弧形工作門(mén)后下挖消力池，根據(jù)計(jì)算為自由出流，σs=1.0；

e——閘門(mén)開(kāi)啟高度；

n——閘孔孔數(shù)，一孔n=1；

b——每孔凈寬，4.2m；

g——重力加速度，取9.81；

H0——含行進(jìn)流速的閘前水頭，通常行進(jìn)流速很小，可忽略，用閘前凈水頭H代替；

本工程設(shè)計(jì)取水流量為16.5m3/s，根據(jù)規(guī)范要求，加大流量和最小流量分別取設(shè)計(jì)流量的1.2和0.4倍，為19.8m3/s和6.6m3/s。金峰水庫(kù)死水位為445.0m，正常蓄水位為475.0m。因此，本文分析上游庫(kù)水位在475.0m～445.0m范圍變化時(shí)，取水流量在6.6m3/s～19.8m3/s范圍變化時(shí)的弧形門(mén)開(kāi)度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，不同的上游水位下，不同下泄流量時(shí)弧形門(mén)的開(kāi)度詳見(jiàn)表2。

表2 不同水位和下泄流量時(shí)取水口弧形門(mén)開(kāi)度(單位：m)

弧形工作門(mén)運(yùn)行操作時(shí)，可根據(jù)表2，在不同的上游水位和下泄流量時(shí)控制閘門(mén)開(kāi)度。值得討論的是，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度較小，相對(duì)開(kāi)度e/H<0.1時(shí)，流量系數(shù)μ0的計(jì)算不在其應(yīng)用范圍內(nèi)。但目前的規(guī)范并無(wú)相對(duì)開(kāi)度較小時(shí)流量系數(shù)的計(jì)算方法，因此，本文仍采用原流量系數(shù)的計(jì)算公式。在后期的取水口實(shí)際操作中，弧形門(mén)開(kāi)度應(yīng)與下游測(cè)流量計(jì)讀數(shù)驗(yàn)證取水流量，并修正完善不同水位(m)-下泄流量(m3/s)-取水口弧形門(mén)開(kāi)度(m)關(guān)系表。同時(shí)，可通過(guò)大量實(shí)際數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納在小相對(duì)開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)的計(jì)算公式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析討論了金峰水庫(kù)分層取水口的運(yùn)行方案設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)比較分層取水門(mén)運(yùn)行的3種方案，為類(lèi)似取水工程提供了選擇；通過(guò)閘孔出流流量公式，得到了弧形工作門(mén)在不同上游水位-不同下泄流量的閘門(mén)開(kāi)度關(guān)系表，為弧形工作門(mén)的運(yùn)行操作提供了一定的依據(jù)和參考。同時(shí)在計(jì)算分析過(guò)程中，出現(xiàn)了超出計(jì)算公式應(yīng)用范圍的情況，工程后續(xù)運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，驗(yàn)證取水流量，并大量記錄實(shí)際數(shù)據(jù)，為后期總結(jié)歸納在小相對(duì)開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)的計(jì)算公式提供依據(jù)。