姚作友

（湖南水总水利水电建设有限公司长沙市410007）

芦家洞电站位于锦江中游，距铜仁市6 km，该电站大坝于1989年动工修建，1973年3月建成投产发电。芦家洞水电站回水形成了十里锦江画廊，原水电站大坝为固定坝，使铜仁城区洪水位抬高；同时也给铜仁城区河道造成极大的淤积，造成水环境严重的污染，对十里锦江旅游环境质量也产生了不良影响；右岸船闸尚未正式投入使用，对锦江的旅游开发造成一道人为屏障，从水资源的利用方面：近年来，由于锦江上游王家山、坝盘、艾家坪、马槽河、天生桥、清水塘等电站的相继建成，芦家洞电站保证出力已经提高，而芦家洞电站为径流式电站，调节库容较小，造成水库大量弃水，发电损失严重。因此，为了减小城区河道淤积，改善城区水环境质量，提高城区防洪标准，充分利用水资源，对芦家洞水电站进行改扩建的效益非常明显。

1 工程概况

芦家洞电站原大坝为5跨连拱坝，坝顶高程239.3 m，最大坝高8.7 m，大坝全部为溢流坝，连拱坝下游为消力池；连拱坝左岸为河床式厂房，右岸为船闸，船闸闸门和充、排水系统破坏，船闸不能使用。为改善铜仁城区水环境，正常水位由原电站的239.3 m抬高到244.3 m，为提高铜仁城区防洪标准，将原芦家洞电站连拱坝改为闸坝，左岸河床式厂房改为非溢流坝和升船机，右岸为坝后式厂房。由于机组增容，不能在原厂房内改造，由于正常水位抬高，原右岸船闸不满足通航要求，且船闸闸门和充、排水系统破坏，要对船闸进行改造扩建，工程量大。因此，芦家洞水电站改扩建工程相当于“推倒重建”。

2 工程水文

芦家洞电站坝址以上流域面积3 345 km2，电站下游约250 m为芦家洞水文站，芦家洞水文站集水面积3 346 km2与铜仁水文站集水面积3 324 km2相差仅为0.66%＜3%，因此将铜仁站（1954～1973年）实测系列用面积比拟到芦家洞水文站，与芦家洞水文站（1974～2007年）实测系列作为一个连续系列使用，芦家洞电站采用可靠性、一致性、代表性较好的铜仁水文站和芦家洞水文站作为参证站。

由于芦家洞电站改扩建工程坝址位于芦家洞水文站上游约250m，集雨面积相差较小且区间无支流汇入，芦家洞电站坝址的径流成果直接采用芦家洞水文站的径流成果，电站多年平均流量90.1m3/s，水电站的正常高水位为244.30m，下游正常尾水位为231.30m，电站额定水头11.5m，装机3×7.0MW，机组引用流量3×70.68m3/s，多年平均发电量8580万kW·h。

芦家洞电站与芦家洞水文站之间无河沟、河流汇入，区间积水面积可以忽略不计。芦家洞电站在流量资料的使用上可直接采用芦家洞水文站的成果，芦家洞水文站1954～2007年及1933年、1935年历史调查洪水共56年最大洪峰流量系列，用P-Ⅲ型频率适线进行计算，芦家洞水文站年最大洪峰流量统计参数：Q=2 510 m3/s，CV=0.58，CS=3.5CV。芦家洞水文站年最大洪峰流量分析成果见表1。

表1 芦家洞水文站年最大洪峰流量计算成果表

洪水经水库调节，根据水量平衡原理进行计算，调洪计算成果见表2。

表2 芦家洞洪水调节计算成果汇总表（正常蓄水位244.3 m闸门7－13.5×10）

3 闸坝泄流能力计算

芦家洞水电站改扩建工程左岸斜面升船机、非溢流重力坝、中间溢流坝长114.5 m，溢流坝设7孔，每孔宽13.5 m，闸门挡水高度10.0 m的滚轮平板闸门，底流消能方式；右岸非溢流重力坝，坝身取水口、坝后式地面厂房组成。

泄洪建筑物的泄流能力按折线型实用堰计算，堰上水位～流量闸门部分开启时，闸门开度e/H≤0.65时为闸孔出流，计算公式为：

式中QS——淹没系数；对于闸底坎为宽顶堰（包括平底）的淹没出流，淹没系数QS查图可得；

H0——闸孔自由出流的流量系数；

e——闸门开启高度；

n——闸门孔数，n=7；

b——每孔净宽，b=13.5；H0——包括行近流速水头的闸前水头；H——闸前水头。

闸门全开时，闸门开度e/H＞0.65时为堰流，计算采用《水力计算手册》（第二版）中堰流的计算公式：

式中QS——淹没系数，当δ/H＝2.5～10时，采用宽顶堰淹没系数，根据HS/H0查宽顶堰淹没系数QS表可得淹没系数；δ——堰顶宽；

H——堰顶水头；

HS——下游堰顶水深；QC——侧收缩系数；（1-b/B），多孔闸过流时，QC的确定可取加权平均值

Qcs——边孔侧收缩系数；按计算QC计算，式中式中Qcm——中孔侧收缩系数；按计算QC计算，式中游引渠水边线之间的距离。

P——上游堰高；

α——系数，闸墩（或边墩）墩头为矩形，宽顶堰进口边缘为直角时，α＝0.19；闸墩（或边墩）墩头为曲线形，宽顶堰进口边缘为直角或圆弧时，α＝0.10。本工程取α＝0.10。

m——自由溢流的流量系数；进口边缘修圆的宽顶堰，0＜P/H＜3.0时，

式中n——闸门孔数，n=7

b——每孔净宽，b=13.5

H0——包括行近流速水头的闸前水头。

芦家洞水电站坝上游水位～流量计算成果见表3。

表3 各闸门不同开启高度时坝上游水位～流量计算成果表

4 电站运行调度方案

运行调度的原则：当上游来水小于电站发电流量即3×70.38＝211.14 m3/s时，运用电站机组进行调节，如大于电站发电流量211.14 m3/s时用闸坝的闸门开启对上游水位进行调节。

4.1 发电调度

水库调节性能较差，为日调节，调节库容为155万m3，当上游流量小于211.14 m3/s且大于24 m3/s时，通过机组通行对水位进行调节，使库水位不超为正常水位和不低于死水位，当上游流量小于24 m3/s时，以“长蓄短发”方式保证库水位不超为正常水位和不低于死水位。

4.2 洪水调度

当上游流量大于电站发电流量211.14 m3/s时用闸坝的闸门开启对上游水位进行调节。

用闸坝的闸门进行调节时，当上游流量小于4 944 m3/s时，当泄洪量小于4 944 m3/s时，保持坝上游正常水位244.3 m不变的情况下，利用闸门控制泄水量，在各种可能出现的水力条件下，都能满足消能与扩散的要求，闸门按对称，同步、均匀、分档、间隔地开启，分档高度为0.5 m。闸门的开启控制为：

（1）当下泄流量由0增加到279 m3/s时，闸孔由1孔增到5孔，闸门开度由0升到0.5 m，闸孔先开4＃孔（由左至右分别为1＃～7＃孔），再开由2＃和6＃孔，最后开由3＃和5＃孔。

（2）当下泄流量由279 m3/s增加到2 160 m3/s（相当于2年一遇洪水）时，2＃～6＃孔闸门同步均匀提升，闸门开度由0.5 m升到4.5 m。

（3）当下泄流量由2 160 m3/s增加到3 483 m3/s（相当于5年一遇洪水）时，同步均匀打开1＃和7＃孔闸门，闸门开度由0.5 m升到5.5 m；2＃～6＃闸门同步均匀提升，闸门开度由4.5 m升到5.5 m。

（4）当下泄流量由3 483 m3/s增加到4 944 m3/s时，1＃～7＃孔闸门同步均匀打开，闸门开度由5.5 m升到正常水位，即闸门全部打开。

（5）当下泄流量大于4 944 m3/s时，闸门不能控制水位，1＃～7＃孔闸闸门应提高超过洪水位0.5 m。

（6）闸门关闭则视洪水流量的逐步减小面按上述程序反向执行：首先7孔同步均匀关闭开度至5.5 m，其后将2孔均匀同步关闭，再将5孔同步均匀关闭。

4.3 说明事项

闸坝作为挡水建筑物，除抬高上游水位外，还利用闸门控制泄水，上下游有较大的水位差，过闸水流由于受闸孔约束，部分势能转为动能，流速大，易造成下游河床的冲刷，威胁闸身的安全。

闸门控制泄流时，流量和水位差多变，流量随着上游来水量逐渐变化，流量越小，落差越大，流量最大，上下游差则最小，当达到某一流量时，闸门已全部提出水面，边闸水流变为缓流。

闸孔出流有多种流态，在闸门控制泄水时，呈孔口自由流或淹没出流状态，在闸门开度e/H＞0.65时，则呈淹没堰流状态。

闸下水流的衔接型式，可在一定范围内用闸门进行调节和控制，有可能避免波状水跃或跃首撞击闸门等不利的衔接流态。

由于各个闸孔的闸门不一定同时开启，即使同时开启，也难以完全消除回流，因此，库下单宽流量的分布经常是不均匀的。