陸渾灌區(qū)渠首閘分水計(jì)算方法研究

齊潤利，韓明海，費(fèi)海宇，李學(xué)軍

（河南省陸渾水庫管理局，河南 洛陽 471003）

1 水庫和灌區(qū)基情

陸渾水庫位于黃河二級(jí)支流伊河中游的嵩縣境內(nèi)，壩址坐落于河南省洛陽市嵩縣陸渾鎮(zhèn)陸渾村西南的峽谷中，陸渾峽谷古稱陸渾關(guān)，故陸渾水庫因此得名。水庫總庫容13.20 億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、城市供水和旅游等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程，同時(shí)亦是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。

陸渾灌區(qū)位于伏牛山北麓，嵩山、熊耳山谷地，跨黃河、淮河兩個(gè)流域。灌區(qū)西從陸渾水庫飲水，東至滎陽的汜水河、南到汝河北岸、北達(dá)伊洛河南岸。灌區(qū)于1970年2月開始動(dòng)工興建，規(guī)劃總控制灌溉面積12萬hm2，其中新發(fā)展灌溉面積8.93萬hm2，改善灌溉面積3.07萬hm2，設(shè)計(jì)保證率78%；整個(gè)灌區(qū)規(guī)劃工程包括總干渠、東一干渠、東二干渠、西干渠、灘渠五條干渠，總長377 km，渠系建筑物1 100多座。灌區(qū)覆蓋（縣）市有：嵩縣、伊川縣、汝陽縣、偃師區(qū)、鞏義市、滎陽市、汝州市，惠及沿渠廣袤地域的42個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、470個(gè)行政村151萬人口。

2 灌區(qū)渠首段基情

灌區(qū)渠首段蜿蜒盤繞在右壩肩山腰，系陸渾灌區(qū)總干渠（全長44.40 km）的起始部分，位于水庫溢洪道和輸水洞之間，處于水庫工程管理范圍內(nèi)，日常運(yùn)行維護(hù)由水庫管理處負(fù)責(zé)。渠首段上部連接灌溉洞工作門出口消力池和灌溉洞電站尾水出口，渠道原為漿砌石護(hù)砌，2004年陸渾水庫除險(xiǎn)加固工程期間，將該段全部采用150 mm厚鋼筋混凝土襯砌加固，不僅解決了渠首段嚴(yán)重的滲漏問題，同時(shí)改善和優(yōu)化了渠道糙率、流速和流態(tài)。加固后渠首斷面型式仍保留為梯形，底部寬13.50 m，上口寬度17.80 m，渠深4.30 m，渠底高程為292.34～292.49 m，設(shè)計(jì)輸水流量為77 m3/s；渠首段總長度320.50 m，其中閘前彎曲段（K0+074.50～K0+235）長160.50 m，閘后至“東方紅一號(hào)渡槽”直線段（K0+245～K0+395）長度為150 m，閘室段（K0+235～K0+245）長度10 m；在彎曲段和直線段銜接部位分別設(shè)置2孔節(jié)制閘和2孔退水閘，整體稱謂渠首閘，其主要功能是分配節(jié)制渠道水位、流量和緊急情況下渠道快速退水，并兼顧在水庫遭遇百年一遇洪水時(shí)按照批復(fù)的汛期調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃，灌溉洞參加泄洪向伊河主河道泄水的重要任務(wù)，故渠首閘在水庫興利調(diào)度和防洪調(diào)度方面作用極為重要。

3 渠首閘分水計(jì)算方法

3.1 后汛期預(yù)泄調(diào)度過程

2017 年9 月25 日至10 月6 日，伊河流域出現(xiàn)“華西秋雨”天氣，水庫上游欒川、嵩縣縣域普降中到大雨，平均降雨量33.10 mm，雖以穩(wěn)定性降水為主但持續(xù)時(shí)間較長，最大入庫流量達(dá)428 m3/s，壩前水位由314.08 m快速漲至317.46 m，11 d上漲3.38 m，漲幅為30.70 cm/d。依據(jù)黃河防總辦批準(zhǔn)的陸渾水庫汛期調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃，由于正值后汛期（9月1日～10月31日），要求不得超限運(yùn)行，必須控制壩前水位不得超過317.50 m?；诖耍憸喫畮旆姥粗笓]部辦公室組織技術(shù)人員，經(jīng)綜合會(huì)商和研判后期雨水情及未來一周天氣情況后，報(bào)經(jīng)黃河防總辦同意和省防辦批準(zhǔn)，決定采用開啟壩后2座電站6臺(tái)機(jī)組，以最大發(fā)電流量（55 m3/s）預(yù)泄水騰庫容的措施降低壩前水位。

2017年10月6日10時(shí)，水庫壩前水位超過317.50 m，陸渾水庫防汛指揮部辦公室電話應(yīng)急請(qǐng)示黃河防總辦和省防辦，輸水洞電站3臺(tái)機(jī)組率先開機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電泄水；18時(shí)預(yù)泄水請(qǐng)示公文傳至黃河防總辦和省防辦；10月7日10時(shí)，省防辦明傳電報(bào)批復(fù)陸防辦預(yù)泄水請(qǐng)示，同意輸水洞、灌溉洞電站全部開機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電預(yù)泄擴(kuò)容；10月7日15時(shí)，經(jīng)與國網(wǎng)嵩縣供電公司電力調(diào)度中心商議，灌溉洞電站3 臺(tái)機(jī)組全開滿負(fù)荷發(fā)電泄水。至此，陸渾水庫首次實(shí)現(xiàn)自2015年完成電站機(jī)組“增效擴(kuò)容”后6臺(tái)機(jī)組全開滿負(fù)荷發(fā)電。

3.2 棄用分水計(jì)算方法

3.2.1 渠首閘位置特性

陸渾灌區(qū)渠首節(jié)制閘和退水閘居于水庫大壩右壩肩下游300 m處，兩閘呈“＜”型單體布設(shè)但緊密相連，互相配合，兩閘總寬均為15 m（包括中墩），每閘設(shè)兩孔，閘孔凈寬均為6.70 m。根據(jù)穩(wěn)定、構(gòu)造和運(yùn)用需要，節(jié)制閘設(shè)計(jì)為胸墻式，閘室長度為10 m；泄洪閘設(shè)計(jì)為敞開式，閘室長度為8 m（下接泄洪陡槽），四扇閘門均采用2-6.70 m×5 m 鋼質(zhì)平板閘門和2×15 t 固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉。

陸渾灌區(qū)渠首閘系灌區(qū)總干渠起始控制的最高點(diǎn)，閘室位置基本處于灌溉洞電站和東方紅一號(hào)渡槽兩類水工建筑物的中間部位，且位于曲線段和直線段銜接部位，位置十分獨(dú)特，屬興利除弊的上乘設(shè)計(jì)。曲線段中心半徑115 m，圓心角80 度，灌溉洞發(fā)電尾水水流中間線與退水閘泄流中心線夾角為165.49 度，接近180 度平直方向，這樣設(shè)計(jì)有利于灌溉洞參與泄洪時(shí)暢泄；直線段節(jié)制閘水流中線與閘前曲線段水流中線夾角為145.27度，這樣設(shè)計(jì)的利好在于可有效抑制或延緩渠道流速，降低沖蝕便于施測(cè)，且有利于渠道長時(shí)間、大流量、低流速安全輸水。

3.2.2 渠首閘分水計(jì)算

陸渾灌區(qū)總干渠（含渠首閘）于1970年2月開工興建，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，僅退水閘西孔有閘門開度計(jì)算公式，而東孔則沒有。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，正常情況下，節(jié)制閘與退水閘閘門全部開啟，灌溉洞電站發(fā)電尾水流經(jīng)兩個(gè)閘門，節(jié)制閘過流約1/3，退水閘過流約為2/3，由于當(dāng)時(shí)操作規(guī)范尚不健全，在實(shí)際調(diào)度執(zhí)行過程中，僅使用退水閘西孔控制渠道流量，此種單孔運(yùn)行方式對(duì)閘室結(jié)構(gòu)受力平衡不利，且存在較大誤差。

2017年10月7日17時(shí)37分，水庫防汛值班接上級(jí)調(diào)度指令，下游電廠需補(bǔ)水，要求渠道內(nèi)保持10 m3/s 輸水，其余全部退入河道。根據(jù)渠首退水閘特性，調(diào)度技術(shù)人員經(jīng)綜合會(huì)商，決定采用“全開節(jié)制閘，控制退水閘”的方案實(shí)施分水。在分水調(diào)度計(jì)算中，退水閘門開度是關(guān)鍵重點(diǎn)，退水閘門開度最終確定采取“雙扇閘門開啟，東孔參照西孔”的計(jì)算方案。如下10月7日調(diào)度計(jì)算實(shí)例：

根據(jù)《陸渾水庫調(diào)度規(guī)程》（2020版）第五章：發(fā)電調(diào)度、發(fā)電流量計(jì)算辦法、退水閘泄流計(jì)算辦法之規(guī)定，按下列公式計(jì)算：①灌溉洞電站尾流：Q總=（有功負(fù)荷+600）（/庫水位-292.70-渠道水深）/9.80=（5000+2*600）（/317.7-292.7-2.7）/9.80=28.30 m3/s；②渠道輸水流量10 m3/s，則退水閘Q退=Q總-Q干渠=18.30 m3/s；③因發(fā)電尾水多于灌溉輸水量，渠道不需太多流量，故開啟退水閘門進(jìn)行分流，在節(jié)制閘全開，東孔退水閘全關(guān)時(shí)，則退水閘西孔泄流公式為：Q退=Q總-Q干渠=4.355e，其中e為閘門開度，采用試算法假設(shè)開度計(jì)算流量，然后與要求流量比對(duì)，計(jì)算結(jié)果最接近的值對(duì)應(yīng)的e即為閘門開度。

假設(shè)e=0.50 m,試算反推退水閘西孔Q退=7.90 m3/s，東孔參照西孔，Q總退=15.80 m3/s；假設(shè)e=0.60 m,試算反推退水閘西孔Q退=9.00 m3/s，東孔參照西孔，Q總退=18.00 m3/s。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采取“雙扇閘門開啟，東孔參照西孔”的原則，退水閘東孔、西孔同時(shí)開啟0.60 m退水，經(jīng)陸渾水文站10月8日上午實(shí)測(cè)，渠道（東方紅渡槽標(biāo)準(zhǔn)斷面）實(shí)際輸水流量為8.60 m3/s，實(shí)際退入河道（陸渾三斷面）流量19.50 m3/s。

4 結(jié)語

上述計(jì)算辦法和調(diào)度方案偏于保守和安全，輸水誤差在15%左右，本次補(bǔ)水3 d，時(shí)間短、流量小，水量損失相對(duì)不大；對(duì)于長時(shí)間、大流量輸水，則水量損失、運(yùn)行成本將成倍增加，這是不經(jīng)濟(jì)、不劃算的。分析原因，退水閘東、西孔位置特性不同，若以退水閘控制渠道流量，兩孔開度相同，則總退水流量會(huì)較大，輸水流量會(huì)減小。下一步，以上述原則和計(jì)算辦法為前提，通過多次開度測(cè)試和實(shí)測(cè)比對(duì)，得出東、西孔閘門同時(shí)開啟時(shí)開度的比例和修正系數(shù)，做出科學(xué)、合理和精準(zhǔn)的分水計(jì)算方案。