葛洲壩二江泄水閘分區(qū)運(yùn)行對電站尾水位影響研究

曾 輝，喻 峰，袁 達(dá)，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(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)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(guān)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(jī)組廠房和27孔二江泄水閘，大江14臺機(jī)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(shè)計(jì)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(diào)節(jié)能力電站[1]，徑流式水電站主要利用天然徑流進(jìn)行發(fā)電，無法對來流進(jìn)行調(diào)節(jié)。徑流式電站水頭較低，當(dāng)下泄流量增加時，下游水位上升，引起發(fā)電水頭減小，當(dāng)發(fā)電水頭小于機(jī)組額定水頭時，電站機(jī)組出力受限，電站發(fā)電量減小。葛洲壩電站設(shè)計(jì)水頭18.6 m，共裝機(jī)21臺，包括2臺170 MW機(jī)組和19臺125 MW機(jī)組，單機(jī)容量125 MW的機(jī)組正在進(jìn)行增容至150 MW的改造，改造全部完成經(jīng)相關(guān)主管部門批準(zhǔn)后，總裝機(jī)容量為3 210 MW。樞紐工程長期運(yùn)行水位為66.0 m。當(dāng)入庫流量大于電站滿發(fā)流量時，葛洲壩全機(jī)組發(fā)電，二江泄水閘參與泄水。當(dāng)入庫流量進(jìn)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(dǎo)致發(fā)電水頭減小，當(dāng)發(fā)電水頭小于額定水頭時，葛洲壩電站出力受限，發(fā)電量減少。

國內(nèi)外研究主要通過前期規(guī)劃布置和工程措施降低尾水位提高徑流式電站機(jī)組發(fā)電水頭。在前期規(guī)劃階段，包中進(jìn)等[2]通過前期優(yōu)化尾水渠布置來降低尾水位，提高發(fā)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(fā)電水頭；王斌等[4]通過物理模型試驗(yàn)，優(yōu)化了電站尾水渠布置，有效地增加了電站的發(fā)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(kuò)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(yōu)化葛洲壩水利樞紐運(yùn)行期二江泄水閘調(diào)度運(yùn)行方式來降低尾水位，提高發(fā)電水頭。因葛洲壩電站發(fā)電水頭相對較低，將發(fā)電水頭提高后，即使發(fā)電水頭增加值較小，但其占發(fā)電水頭比例也將相對較大，并且由于樞紐工程機(jī)組臺數(shù)多、年發(fā)電量大，提高發(fā)電水頭將顯著增加發(fā)電量，工程的經(jīng)濟(jì)效益將顯著提高，因此，有必要通過研究優(yōu)化葛洲壩水電樞紐運(yùn)行期二江泄水閘調(diào)度運(yùn)行方式，提高發(fā)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(dān)排泄長江上游主要來水來沙的任務(wù)，還是樞紐運(yùn)行中控制上游水位，實(shí)現(xiàn)通航發(fā)電綜合效益的關(guān)鍵性建筑物；二江泄水閘共27孔，分為三區(qū)，采用底流水躍消能，在設(shè)計(jì)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(gòu)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(xù)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(xù)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(shè)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(jì)算區(qū)域中存在干濕交替區(qū)，為了避免模型干濕交替區(qū)單元水深過小出現(xiàn)高速不穩(wěn)定流進(jìn)而發(fā)散，故設(shè)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(xué)模型，如圖1所示。

圖1 葛洲壩二江泄水閘運(yùn)行方式研究水動力模型

2.2.2 網(wǎng)格布置

計(jì)算網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格。整個計(jì)算區(qū)域共布置了131 969個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和261 370個計(jì)算單元。網(wǎng)格間距為2～40 m。主要研究區(qū)域葛洲壩壩下區(qū)域，網(wǎng)格間距為2 m，其他區(qū)域采用過渡網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2.3 測點(diǎn)位置

大江、二江機(jī)組下游7號站、8號站下游水位計(jì)算點(diǎn)位置見圖3。

圖3 模型測點(diǎn)及水位站位置

2.3 模型驗(yàn)證

數(shù)模計(jì)算涉及的主要參數(shù)有河道糙率、紊動粘性系數(shù)等。河道糙率實(shí)際上是一個綜合阻力系數(shù)，反映了計(jì)算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)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(shè)施運(yùn)行資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)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(shù)采用Smagorinsky公式計(jì)算，其中Smagorinsky系數(shù)取0.28。

葛洲壩水利樞紐水工設(shè)施2020年9月7日運(yùn)行時下游水位分布計(jì)算值見圖4，特征點(diǎn)位置計(jì)算值與實(shí)測值結(jié)果對比見表1。從圖4和表1可以看出：計(jì)算和實(shí)測水位值基本吻合，差值不大于0.02 m，滿足相關(guān)規(guī)范。說明該模型能滿足工程計(jì)算的要求。

圖4 驗(yàn)證模型

3 二江泄水閘分區(qū)運(yùn)行方案研究

3.1 入庫流量與二江泄水閘運(yùn)行方式

分析樞紐2020年運(yùn)行資料，入庫流量大于17 400 m3/s時，全機(jī)組發(fā)電，僅二江泄水閘參與泄水運(yùn)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(qū)泄水運(yùn)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(qū)泄水運(yùn)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(qū)泄水運(yùn)行方式。

為滿足正常運(yùn)行期各種泄洪、沖沙的需要，需嚴(yán)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(yuǎn)驅(qū)，又要防止水躍進(jìn)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(hù)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(nèi)，禁止躍首遠(yuǎn)驅(qū)到50 m以外；護(hù)坦單寬流量大于100 m3/s時，不允許躍首遠(yuǎn)驅(qū)到30 m以外。參照葛洲壩二江泄水閘分區(qū)泄流的模型與原型驗(yàn)證[16]中一系列護(hù)坦單寬流量q與發(fā)生相應(yīng)水躍躍首位置的尾水位關(guān)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(hù)坦單寬流量小于或等于100 m3/s時，應(yīng)將單寬流量控制在圖中L=0與L=50 m之間；護(hù)坦單寬流量大于100 m3/s時，應(yīng)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(jù)葛洲壩水利樞紐泄水設(shè)施調(diào)度運(yùn)用程序及相關(guān)發(fā)電調(diào)度關(guān)鍵參數(shù)作以下試算：

(1)入庫流量達(dá)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(shù)為8.80，170 MW單機(jī)達(dá)到預(yù)想出力需過機(jī)流量957 m3/s，150 MW單機(jī)達(dá)到預(yù)想出力需過機(jī)流量845 m3/s，全機(jī)組發(fā)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(fā)生在閘墩末端(L=0)時，單寬流量q為9 m3/s；水躍發(fā)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(dá)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(shù)為8.63，170 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為169 MW，需過機(jī)流量1 058 m3/s，150 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為149 MW，需過機(jī)流量934 m3/s，全機(jī)組發(fā)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(fā)生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為24 m3/s，水躍發(fā)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(dá)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(shù)為8.52，170 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為151 MW，需過機(jī)流量1 048 m3/s，150 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為134 MW，需過機(jī)流量932 m3/s，全機(jī)組發(fā)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(fā)生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為37 m3/s，水躍發(fā)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(dá)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(shù)為8.48，170 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為133 MW，需過機(jī)流量1 019 m3/s，150 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為119 MW，需過機(jī)流量909 m3/s，全機(jī)組發(fā)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(fā)生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為50 m3/s，水躍發(fā)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(dá)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(shù)為8.45，170 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為116 MW，需過機(jī)流量978 m3/s，150 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為103 MW，需過機(jī)流量871 m3/s，全機(jī)組發(fā)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(fā)生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為63 m3/s，水躍發(fā)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(dá)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(shù)為8.38，170 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為100 MW，需過機(jī)流量935 m3/s，150 MW單機(jī)預(yù)想出力限制為89 MW，需過機(jī)流量830 m3/s，全機(jī)組發(fā)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(fā)生在閘墩末端(L=0)時單寬流量q為77 m3/s，水躍發(fā)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(qū)運(yùn)行方案

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

表2 二江泄水閘分區(qū)運(yùn)行模擬方案

3.3 模擬結(jié)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(jì)算工況，對工況1～3進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

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

從表3可以看出，工況1(二江泄水閘左區(qū)棄水)、工況2(二江泄水閘中區(qū)棄水)、工況3(二江泄水閘右區(qū)棄水)電站尾水位模擬計(jì)算值均為45.43 m；該流量級全機(jī)組發(fā)電，二江泄水閘左中右區(qū)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(jì)算工況，對工況4～7進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

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

從表4可以看出，入庫流量超過機(jī)組發(fā)電流量，開啟全部機(jī)組。工況4(二江泄水閘右區(qū)泄水)為該流量級常用運(yùn)行方式，電站尾水位模擬計(jì)算為47.34 m。工況5(二江泄水閘中區(qū)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(qū)泄水)、工況7(二江泄水閘左中區(qū)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(jì)算工況，對工況8～11進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

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

從表5可以看出，入庫流量超過機(jī)組發(fā)電流量，開啟全部機(jī)組。工況8(二江泄水閘中區(qū)泄水)為該流量級常用運(yùn)行方式，電站尾水位模擬計(jì)算為48.65 m。工況9～11分別采用左、中、右區(qū)組合下泄棄水的方式。采用兩區(qū)控泄組合方式運(yùn)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(qū)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(jì)算工況，對工況12～14進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。

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

從表6可以看出，入庫流量超過機(jī)組發(fā)電流量，開啟全部機(jī)組。工況12(二江泄水閘右中區(qū)泄水)為該流量級常用運(yùn)行方式，電站尾水位模擬計(jì)算為50.28 m。工況13(二江泄水閘左中區(qū)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(qū)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(jì)算工況，對工況15～16進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。

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

從表7可以看出，入庫流量超過機(jī)組發(fā)電流量，開啟全部機(jī)組。工況15(二江泄水閘右中區(qū)泄水)為該流量級常用運(yùn)行方式，電站尾水位模擬計(jì)算為51.81 m。工況16(二江泄水閘左中右區(qū)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(jì)算工況，對工況17～18進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表8。

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

從表8可以看出，入庫流量超過機(jī)組發(fā)電流量，開啟全部機(jī)組。工況17(二江泄水閘右中區(qū)泄水)為該流量級常用運(yùn)行方式，電站尾水位模擬計(jì)算為52.94 m。工況18(二江泄水閘左中右區(qū)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(jié) 論

當(dāng)入庫流量17 910 m3/s≤Q≤45 000 m3/s時，對大江、二江全機(jī)組發(fā)電，二江泄水閘左中右區(qū)不同組合運(yùn)行參與下泄棄水下的尾水位進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)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(yùn)行水位為65.3～66.0 m，全機(jī)組發(fā)電。水工設(shè)施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘分區(qū)運(yùn)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(yùn)行水位為66.0 m，全機(jī)組發(fā)電。水工設(shè)施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘中區(qū)或右區(qū)泄水為常用運(yùn)行方式，二江泄水閘右區(qū)泄水相較中區(qū)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(yùn)行水位為66.0 m，全機(jī)組發(fā)電。水工設(shè)施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘中區(qū)或兩區(qū)組合運(yùn)行為常用運(yùn)行方式，二江泄水閘中區(qū)泄水相較兩區(qū)組合運(yùn)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(yùn)行水位為66.0 m，全機(jī)組發(fā)電。水工設(shè)施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘右中區(qū)組合運(yùn)行為常用運(yùn)行方式，二江泄水閘左右區(qū)組合運(yùn)行泄水相較右中區(qū)組合運(yùn)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(yùn)行水位為66.0 m，全機(jī)組發(fā)電。水工設(shè)施僅二江泄水閘參與泄水，二江泄水閘右中區(qū)組合、左中右區(qū)全開運(yùn)行為常用運(yùn)行方式，二江泄水閘右中區(qū)組合泄水相較左中右區(qū)全開運(yùn)行泄水可以有效降低尾水位。