马迹塘水电厂泄洪闸门优化调度方案研究

周亚杰，廖成志

（1.五凌电力有限公司马迹塘水电厂，湖南 益阳 413405；
2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

马迹塘为低水头径流式电厂，混凝土闸坝，1983年3台机组相继投产发电，设计装机容量为5.55万kW（1.85万kW×3台），水量利用系数为0.8。1986年，竣工验收核定最大出力约为43 MW，较机组铭牌出力减少22.5%。泄水建筑物为表孔开敞式溢流坝，长度为267.5 m，分23孔，每孔净宽为10 m，闸墩厚为1.5 m；
右1号～10号孔为浅孔一区，11号～18号孔为浅孔二区，19号～23号孔为深孔区，浅孔区与深孔区分别设置10 m×6.5 m和10 m×9.5 m（宽×高）弧形闸门，河床式厂房发电机组与深孔区相邻。坝下采用底流消能，1号～10号孔（浅孔一区）下游设置短护坦（长15 m），11号～18号孔（浅孔二区）下游设置长护坦（长30 m），19号～23号孔（深孔区）下游设置消力池（长35 m）。

2.1 研究必要性

2004年4月份上游柘溪水电站开始扩机，2008年4月、8月两台机组分别投产运行，其机组最大引用流量达1 900 m3/s，已远超马迹塘电厂机组850 m3/s的最大引用流量，导致电厂在非洪水过程频繁开闸弃水，形成较大的弃水。

2010年4月下游白竹洲水电站投产蓄水，特别是2012年蓄水至核准水位运行，对电厂的尾水形成直接顶托，壅高尾水水位，同时影响电厂发电经济效益。2013年经湖南省水利水电设计院复核，电厂机组发电最大出力为4.2万kW，实际年平均发电量1.89亿kW·h，为设计年发电量的72.46%，水量利用率降至0.7，顶托损失电量3044万kW·h。

由于深孔区布置在厂房侧，泄水时降低了上游进水口水位，影响了进水口流态；
下游拆除导墙30 m，深孔区泄洪时尾水区域产生回流，壅高了厂房尾水位，降低了3台机组出力，运行工况变差，3台机组满发时，3号机组进水口流态紊乱，形成漩涡，泄洪时3号机组振动更是明显大于1号、2号机组。

2.2 研究目的

为改善临近厂房区域频繁开闸泄洪造成上游进水口水位降低、下游尾水位壅高，改善机组过流流态，减少机组振动，提高机组发电效益和安全稳定运行，马迹塘电厂于2018年开展了上游电站扩机后闸门优化调度及应用研究科技项目，并提出了泄洪闸门启闭程序优化调度初拟方案。现闸门调度启闭程序是2002年湖南省水利水电勘测设计研究总院针对之前下游消力池、护坦的冲刷情况制定的，柘溪电站扩机、下游白竹洲水电站蓄水顶托后未进行修改完善。为此，进行泄洪闸门优化调度方案的研究是十分必要的。

2.3 闸门调度原则

（1）2002年前闸门调度原则

阶段1：当850 m3/s＜实际流量Q＜3 600 m3/s时，对称均匀开启深孔闸门，直至5孔深孔闸门全开。要求单孔泄洪时，控制单宽流量q≤20 m3/s/m；
3孔泄洪时，控制单宽流量q≤30 m3/s/m。

阶段2：深孔加浅孔泄洪，当实际流量Q＞3 600 m3/s时，对称均匀开启浅孔区域，先开启浅孔二区，再开启浅孔一区。

（2）2002年至今闸门调度原则

2002年因下游消力池、护坦几次出现冲刷与掏空后，电厂重新由湖南省水利水电勘测设计研究总院对电厂溢流坝泄水时的调度原则进行了调整与细化，开启的原则是“分区域按开度逐步均匀对称开启”：先将深孔区（19号～23号孔）各开至2 m，再将浅孔二区（11号～18号孔）各开至2 m，然后将深孔区（19号～23号孔）各开至3 m，再将浅孔二区（11号～18号孔）各开至2.5 m，最后将深孔全开、浅孔二区全开、浅孔一区全开。

3.1 计算方法

3.1.1 计算依据

计算参考资料及规范主要为《水力计算手册》（第二版）、《水工设计手册》（第二版）、SL 744-2016《水工建筑物荷载设计规范》及SL 265-2016《水闸设计规范》等。

3.1.2 计算方法

根据马迹塘电厂闸门启闭程序优化初拟方案，本次计算工况与23孔泄洪闸门启闭程序优化初拟方案表一致，同时为简化计算，仅考虑发电满发流量及停机前流量计算（停机流量Q=3 400 m3/s）。

（1）实用堰闸孔出流下泄流量计算公式

式（1）中：e—闸门开启高度；

b—每孔净宽；

n—闸孔孔数；

H0—包括行进流速水头的闸前水头；

μ0—闸孔出流流量系数；

σs—淹没系数。

（2）实用堰堰流下泄流量计算公式

式（2）中：c—上游堰面坡度影响修正系数值；

ε—侧收缩系数；

m—实用堰流流量系数；

（3）水流衔接状态判别式、收缩水深hc及共轭水深h""c计算公式

水流衔接状态判别式为：

式（3）、（4）、（5）中：h""c—收缩断面水深的共轭水深；

ht—下游水深，查马迹塘水电站天然与顶托后的下游流量关系曲线表可得。若为远离水跃，则必须采取工程措施，强迫水流发生临界或稍有淹没的水跃。

收缩水深hc及共辄水深h""c的基本计算式为：

式（6）、（7）、（8）中：E0—以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头；

q—收缩断面处的单宽流量；

g—重力加速度；

φ—流速系数；

Frc—收缩断面弗劳德数。

（4）水跃长度Lj计算公式

式（9）、（10）中：Lj—水跃长度。

（5）满足抗冲要求的护坦厚度计算公式

式（11）中：t—护坦底板厚度(m)；

q—单宽流量(m3/s/m）；

Δh—上下游水位差(m）；

K—经验系数，采用设计水位差时取0.2，采用最大水位差时取0.175。

（6）满足抗浮要求的护坦厚度计算公式

式（12）中：U—相对于护坦面下游水头产生的扬压力（kN/m2)；

tn—计算断面处护坦面上的水深（m)；

γc—混凝土容重（kN/m3)；

γ—水的容重(kN/m3)；

K—安全系数，取1.2；

计算断面处的脉动压力（kN/m2），按式（13）计算

式（13）中：am—脉动压力系数，取0.075；
Vn—断面平均流速(m/s)。

3.2 泄洪闸门优化调度方案研究

（1）尾水流量水位关系曲线

根据湖南省水利水电勘测设计研究总院2016年研究的《资水东坪、株溪口、马迹塘3个水电厂泄流曲线复核》报告成果，采用两条马迹塘水电厂尾水位流量关系线进行分析，一条为白竹洲蓄水前的天然线（①为1号线），另一条为2010年白竹洲蓄水后目前实际下游水位流量关系曲线（②为2号线），本次直接引用这一成果作为研究依据（见图1）。

图1 马迹塘水电厂坝下水位流量关系线

（2）原闸门开启方式下浅孔二区最大单宽能量计算

根据马迹塘水电厂现行闸门开启程序（2002年），当深孔5孔闸门开启至2 m后，再开启浅孔二区8孔闸门，此时最大开度控制不超过2 m，此时对应泄流量为1 080 m3/s。

采用1号线计算出库流量1 710～2 790 m3/s浅孔二区的单宽流量和单宽能量。

库水位55.7 m，对应尾水位为51.23 m，水头4.47 m，出库流量2 335 m3/s时，其中发电855 m3/s、浅孔区泄流625 m3/s，深孔区泄流855 m3/s。对应浅孔二区2 m开度闸门最大单宽流量、最大单宽能量分别为：

1）最大单宽流量：qmax=Q/B=1 080/（8×10） =13.5 m3/s/m；

2）最大 单 宽 能量：Emax=rqh=1.0×13.5×4.47 =60.3 (t·m)/s/m；

（3）3台机组满发，新方案浅孔二区最大单宽能量计算

采用2号线计算，直接开启浅孔二区，11号～18号闸门2 m开度，控制出库流量在1 935 m3/s以下时，计算尾水位51.3 m，水头4.4 m，出库流量1 718 m3/s，其中浅孔二区泄流863 m3/s，深孔区泄流0 m3/s，发电855 m3/s。浅孔区2 m开度闸门最大单宽流量，最大单宽能量分别为：

1）最 大 单 宽 流 量：qmax=Q/B=1 080/（8×10）=13.5 m3/s/m；
与2002年方案一致；
由于此时下游水位略高，闸门泄流能力有一定的影响，实际单宽流量略小于13.5 m3/s/m，远小于原设计“单孔泄洪时，控制单宽流量q≤20 m3/s/m；
3孔泄洪时，控制单宽流量q≤30 m3/s/m”的要求，偏安全。

2）最大 单 宽 能量：Emax=rqh=1.0×13.5×4.40 =59.4 (t·m)/s/m。最大单宽能量值略小于2002年方案，说明浅孔二区闸门2 m开度运行方式安全可行。

（4）两台机组满发，新方案浅孔二区最大单宽能量计算

1）两台机组满发，浅孔二区11号～18号闸门在2 m开度下最大单宽能量计算

采用2号线计算，直接开启浅孔二区，11号～18号闸门2 m开度控制出库流量在1 650 m3/s，对应尾水位51.05 m，水头4.65 m，出库流量1 433 m3/s，其中发电570 m3/s（两台机满发）、浅孔区泄流863 m3/s，深孔区泄流0 m3/s。浅孔二区2 m开度闸门最大单宽流量、最大单宽能量分别为：

①最大单宽流量为13.5 m3/s/m；
与2002年方案一致；
由于此时下游水位略高，闸门泄流能力有一定的影响，实际单宽流量略小于13.5 m3/s/m，远小于原设计“单孔泄洪时，控制单宽流量q≤20 m3/s/m；
3孔泄洪时，控制单宽流量q≤30 m3/s/m”的要求，偏安全。

②最大单宽能量为Emax=rqh=1.0×13.5×4.65 =62.8 (t·m)/s/m，单孔最大单宽能量值略大于2002年方案，说明2台机组满发时浅孔二区闸门2 m开度运行方式存在一定风险。

2）两台机组满发，浅孔二区11号～18号闸门在1.5 m开度下最大单宽能量计算

采用2号线计算，直接开启浅孔二区，11号～18号闸门1.5 m开度控制出库流量在1 402 m3/s，对应库水位55.70 m，尾水位50.73 m，水头4.97 m，出库流量1 164 m3/s，其中发电570 m3/s（两台机满发）、浅孔区泄流594 m3/s，深孔区泄流0 m3/s。浅孔二区1.5 m开度闸门最大单宽流量、最大单宽能量分别为：

①最大单宽流量为10.4 m3/s/m；
小于2002年方案时的单宽流量，安全。

②最大单宽能量为Emax=rqh=1.0×10.4×4.97 =51.7 (t·m)/s/m，小于2002年方案，说明2台机组满发时浅孔二区闸门1.5 m开度运行方式安全可行。

经水力计算后可知，泄洪闸门优化调度初拟方案中，3台机、2台机及1台机满发工况下，闸门各局部开启高度下的跃后断面水深h”c小于下游水深ht，能够产生淹没水跃；
浅孔二区闸门开高为2.5 m时水跃长度为30.95 m，略大于护坦长度30 m，闸门开高小于2.5 m时水跃长度最大值为29.18 m，均小于护坦长度30 m；
下游水流流速（假设水流不扩散）最大值为2.15 m/s，均小于基岩允许抗冲流速5 m/s。3台机、2台机满发工况下，按抗冲、抗浮稳定要求计算护坦厚度最大值为1.05 m,小于浅孔二区现有护坦厚度1.2 m（前半段）；
1台机满发工况下，浅孔二区闸门开高为0.5 m时，按抗冲、抗浮稳定要求计算护坦厚度最大值为1.29 m,大于浅孔二区现有护坦厚度1.2 m（前半段）。

综上所述，在白竹洲正常蓄水位49.0 m顶托作用下，3台机、2台机满发工况下，现有的消能设施能满足下游消能防冲要求，1台机满发工况下，现有的消能设施不能满足下游消能防冲要求，说明泄洪闸门优化调度初拟方案在3台机及2台机满发工况下安全可行。

4.1 优化调度初拟方案试运行情况

为进一步检验泄洪闸门启闭采用“泄洪闸门优化调度初拟方案”对机组经济运行、下游消力池、护坦冲刷以及机组振动的影响，马迹塘水电厂于2019年3月按照泄洪闸门启闭程序优化初拟方案试运行1年。

3月中旬正式开始实施优化后泄洪闸门调度方案，并于4月25日完成泄洪闸门自动联调系统内程序更新和配置文件更改。截止到7月底，按照优化方案调度，泄洪闸门开启32次，对尾水位、机组振动、机组负荷等数据记录53组，对上下游水流情况进行记录。

试运行期间未发生影响设备安全运行的异常情况，每周对记录数据进行对比分析，并开展两次在相同工况下，分别按照原方案及优化后方案运行，同时，从7月15日开始，转为原方案运行，并记录相应数据，进行对比分析。

4.2 优化调度初拟方案试运行效果分析

通过记录数据及对比分析，泄洪闸门优化调度初拟方案对尾水位壅高及机组振动等问题有所改善。

（1）缓解了原方案采用首先开启深孔区泄洪，机组尾水受到泄洪顶托、壅高尾水的问题

按照优化调度初拟方案，首先开启浅孔二区，远离机组，有利于尾水扩散，按此方式下泄减少下游水位影响。当只开启浅孔二区时，下游流态基本正常，基本未受泄洪影响，尾水扩散正常，机组发电效益增加明显。

（2）改善了机组振动情况

通过选取泄洪闸门优化调度前后振动数据进行对比分析，判断泄洪闸门优化调度对机组振动带来的影响，因数据较多，选取具有代表性的水导X向、水导Y向振动数据进行分析。时间上，选取2019年3月份按原泄洪闸门调度方式运行的振动情况，2019年5月份按泄洪闸门优化调度方式运行的振动情况，同时选取2018年5月份振动情况进行对比分析。同时因7月份进行了新旧方案对比分析，15日前按照优化后方案运行，15日后按照原案方案运行，因此将7月份上下半月振动数据进行对比分析后发现，按照优化调度初拟方案运行1号机组整体振动有所下降，振动数据超过二级告警的次数明显减少。按照优化调度初拟方案运行2号机组情况较1号机组类似，整体振动有所下降，振动数据超过二级告警的次数明显减少。按照优化调度初拟方案运行3号机组振动情况未见明显好转，3号机组振动情况仍是3台机组最差。

综上所述，优化方案后，改善了机组过流流态，1号、2号机组振动情况有所改善，3号机组振动未见明显变化，但通过振动数据分析，3号机组异常振动频率有所下降。

（3）提高了机组运行效率

通过优化后泄洪闸门调度方案运行，改善了临近厂房区域频繁开闸泄洪造成上游进水口水位降低、下游尾水位壅高，减少了发电水头损失，机组出力有所提升。但因在泄洪闸门优化方案运行前对下游水位进行了校核调整，因此优化后记录数据与下游水位调整前数据无对比性，因此，在7月份进行了新旧方案轮换运行，15日前按照优化后方案运行，15日后按照原方案运行，并记录相关数据，进行对比分析，按照优化后泄洪闸门程序运行，相同工况下，机组出力有所提升，在不同出库流量下，机组出力提高1 MW左右。

（4）减少因深孔区泄洪闸门设备长期频繁启闭造成的设备故障、密封磨损等问题，减少深孔区泄洪闸门设备维护量，提高泄洪闸门设备可靠性。

通过马迹塘电厂闸门启闭次数统计对比，按照原泄洪闸门启闭程序运行，深孔区泄洪闸门启闭次数远大于浅孔二区泄洪闸门启闭次数，导致深孔区泄洪闸门故障频次及密封磨损等问题较浅孔二区严重，而通过定期将优化后方案与原方案切换运行，减少单一泄洪闸门开启次数，减少其损伤程度。同时因马迹塘电厂与上游柘溪电厂流量不匹配，导致马迹塘电厂每年弃水天数超过100 d，为电厂深孔区泄洪闸门检修带来极大不便，而通过灵活切换泄洪闸门调度方案，可解决泄洪闸门检修时间安排问题。

（5）下游消力池、护坦、闸墩及上游迎水面冲刷情况

2019年10月21日～26日，由江苏神龙海洋工程集团公司对电厂消力池及护坦等水工建筑物进行水下摄像检查。通过检查浅孔二区11号～18号溢流坝段下游侧未发现异常，消力墩、尾坎运行情况良好，未发现有冲刷槽，护坦末端与海漫结合部位运行情况良好，14号～15号弧门护坦向下游有一较深低洼处，与2018年检查情况基本一致。深孔区19号～23号溢流坝段下游侧有两处掏空，分别为23号右侧闸墩下游末端底部淘空及22号～23号尾坎下游护坦末端淘空，其余较2018年检查基本一致。浅孔二区11号～18号闸墩上游侧水下检查未发现异常，情况良好。深孔区19号～23号闸墩上游侧水下检查发现有4处掏空及1处渗漏，分别为19号右侧弧门钢板边底部有1处掏空，20号右侧门槽底部止水钢板边有1处掏空，21号右侧弧门钢板边底部有1处掏空，22号右侧门槽底板止水钢板上游有1处淘空，21号左侧门槽下游外侧有1处渗漏。

通过水下摄像对下游消力池、护坦、闸墩及上游迎水面冲刷情况检查发现，泄洪闸门按照优化后调度程序运行未破坏浅孔二区11号～18号泄洪闸门下游消力池、护坦、闸墩及上游迎水面，运行情况良好。同时因减少深孔区域泄洪闸门的启闭次数及开启时长，减小了深孔区19号～23号下游消力池、护坦、闸墩及上游迎水面的破坏程度。

（6）运行中存在的问题

截止到目前，按照优化后泄洪闸门调度方案运行暂未发现存在异常。电厂每月对水工建筑物及水工设备设施巡视检查，未发现因改变泄洪闸门调度方案运行而产生的问题，机组整体运行正常。

（1）泄洪闸门优化调度初拟方案中，3台机、2台机及1台机满发工况下，闸门各局部开启高度下的跃后断面水深h”c小于下游水深ht，能够产生淹没水跃；
浅孔二区闸门开高为2.5 m时水跃长度为30.95 m，略大于护坦长度30 m，闸门开高小于2.5 m时水跃长度最大值为29.18 m，均小于护坦长度30 m；
下游水流流速（假设水流不扩散）最大值为2.15 m/s，均小于基岩允许抗冲流速5 m/s。3台机、2台机满发工况下，按抗冲、抗浮稳定要求计算护坦厚度最大值为0.91 m,小于浅孔二区现有护坦厚度1.2 m（前半段）；
1台机满发工况下，浅孔二区闸门开高为0.5 m时，按抗冲、抗浮稳定要求计算护坦厚度最大值为1.29 m,大于浅孔二区现有护坦厚度1.2 m（前半段）。因此，在白竹洲正常蓄水位49.0 m顶托作用下，3台机、两台机满发工况下，现有的消能设施能满足下游消能防冲要求，1台机满发工况下，现有的消能设施不能满足下游消能防冲要求，说明泄洪闸门优化调度初拟方案在3台机及2台机满发工况下安全可行。

（2）通过水下摄像对下游消力池、护坦、闸墩及上游迎水面冲刷情况检查发现，泄洪闸门按照优化初拟方案调度程序运行未破坏浅孔二区11号～18号泄洪闸门下游消力池、护坦、闸墩及上游迎水面，运行情况良好。

（3）按照优化调度初拟方案，首先开启浅孔二区，远离厂房，有利于尾水扩散，此方式下泄洪减小了下游尾水位壅高程度，减少了发电水头损失，相同工况下，机组出力有所提升，在不同入库流量下，机组出力提高1 MW左右，预计年平均增加发电量为：240.77万kW·h。

（4）通过验算浅孔区闸门单独局部开启不同高度，在满足消能防冲设计要求前提下，浅孔二区单独局部开启最大高度为2 m。泄洪闸门推荐优化调度方案计算成果满足规程规范要求，在白竹洲正常蓄水位49.0 m顶托作用下，3台机、2台机满发工况下，现有的消能设施能满足下游消能防冲要求，1台机满发工况下，现有的消能设施不能满足下游消能防冲要求，说明泄洪闸门优化调度推荐方案在3台机及2台机满发工况下安全可行。偏安全情况下，考虑白竹洲死水位影响，3台机、2台机满发工况下，现有的消能设施能满足下游消能防冲要求，1台机满发工况下，现有的消能设施不能满足下游消能防冲要求，说明泄洪闸门优化调度推荐方案在3台机满发、2台机满发工况下安全可行。

综上所述，马迹塘电厂泄洪闸门优化调度方案经安全性、经济性分析论证，在白竹洲正常蓄水位49.0 m顶托及考虑死水位影响作用下，优化调度初拟方案与推荐优化调度方案在3台机及2台机满发工况下均具有一定的可行性。为保证安全，1台机满发工况下，不允许采用优化调度初拟方案及推荐方案运行，仍采用原调度方案运行。同时，本次复核计算边界条件十分复杂，包括只有白竹洲电站顶托正常蓄水位工况，死水位工况暂无资料，发电流量只考虑满发流量等，与实际运行情况尚有出入，因此，在今后实际运行调度时，应根据实际情况对闸门优化调度方式进行相应修正。