陡河水库放水洞闸门开度出流影响分析

2023-10-12郑玉峰

海河水利 2023年9期

关键词：闸孔水洞开度

郑玉峰

（河北省唐山水文勘测研究中心，河北唐山 064106）

1 陡河流域概况

1.1 基本情况

陡河水库位于河北省唐山市区东北15 km处的陡河上，是一座以防洪为主、兼供唐山市区生活及工农业生产用水等综合利用的大型水利枢纽工程，引滦入唐工程实施后也是引滦入唐输水工程终端调节水库。

陡河为季节性河流，独流入海，属河北沿海水系，介于滦河、蓟运河两水系之间。陡河上游分为东、西两支：东支管河，河长33.0 km，集水面积263 km2，发源于迁安市东蛇探峪村，其中有分支龙湾河在滦县宋家峪村汇入；西支泉水河，河长38.5 km，集水面积239 km2，发源于丰润区上水路村东北马蹄泉，于丰润区千佛院村有腰带河汇入其中；东、西两支在双桥附近汇合后始称陡河。陡河穿过唐山市区，于开平区越河村南纳石榴河，而后向南经侯边庄入丰南区境内，于涧河注入渤海，全长121.5 km，流域面积1 340 km2[1]。

1.2 地形地貌

陡河水库以上流域内多山，北部有腰带山、达子山、华山、成山等，高程300～500 m（大沽高程，下同），山坡陡峻，基岩裸露；中间和两翼为浅山区，有凤山、巍山、高山、长山等，高程在200～250 m，形成三面高山屏障、一面平原的地貌特点。上游山区山坡陡立，一般为20°以上，山麓地带多开垦梯田，沟壑发育，冲刷切割较严重；中部为平原地区，地势平坦，土地肥沃，为粮食主产区；下游地势平缓，河槽窄小弯曲，洪水泄流不畅，丰南区柳树以下为草泊及滨海洼地。流域平均宽度19.7 km，平均长度26.7km。

陡河水库以上流域内森林面积很少，主要为野生针叶松，一般为10～15 a 的幼林；草本植物中，山地阳坡主要为百草和黄背草，阴坡主要为牛毛草。流域内土壤主要为黄土类土壤，按其成因可分为风成黄土和河流沉积物，风成黄土主要分布于浅山区和丘陵地区，河流沉积物则分布于河谷平原，土壤质地主要为黏壤土和砂壤土。

1.3 水文气象

陡河流域气候温和，四季分明，属暖温带季风性气候区，多年平均气温10.6oC，最高气温39.3oC（1972 年7 月），最低气温-22.4oC（1966 年2月）。霜冻期约130 d，最大冻土深度1.0 m，最大风速21.7 m∕s，多发生春季。

陡河流域下游地区靠近渤海，又受北部燕山山脉影响，每年夏秋季节易形成暴雨，且有山前地区的气候特性，雨量大部分集中于汛期，而汛期又多集中于几次暴雨，极易发生春旱夏涝，且年际变化较大。根据1953—2011 年降水资料统计分析，陡河水库以上流域多年平均年降水量为658.1 mm，其中汛期6—9 月降雨量536.9 mm，占年降水量的81.6%，汛期最大降雨量886.9 mm（1969 年）、最小297.6mm（1968 年）。

陡河水库以上流域的径流变化较大，年际差别悬殊，年内分配不均匀，主要集中在汛期，而汛期又集中在几次雨洪中，一次暴雨径流历时一般为1～3 d。由于流域内源短流急，雨后径流汇集很快，河水暴涨暴落。根据1953—2011 年径流资料统计分析，水库以上流域多年平均年径流量0.598 亿m3，年最大径流量1.645 亿m3（1959 年）、最小0.011 亿m3（1992年），丰水年是枯水年的150倍，多1.634 亿m3。建库后，最大一次洪水发生在1959 年7 月21—23 日，3 d洪量0.533亿m3，洪峰流量1 320 m3∕s[2]。

1.4 水库上游主要蓄水工程

陡河上游东、西两支共有7 座小型水库，控制流域面积共71.91 km2，累计库容1 558.6 万m3，小龙潭水库和皈依寨水库为小（1）型水库，其余梅山沟水库、老水湖水库、田各庄水库、西新庄营水库、西胡各庄水库为小（2）型水库。小水库拦蓄了部分洪水，起到了一定防洪兴利作用，但当超过300 a一遇极端雨洪时有可能溃坝，形成水害。

2 陡河水库及放水洞流量测验概况

2.1 水库工程现状

陡河水库于1955年开始兴建，1956年建成并投入运用，历经1969—1971 年续建、1976—1977 年震后修复、1988—1989 年提高保坝标准工程建设，到1990 年全部完工，达到1 000 a 一遇设计洪水标准、可能最大洪水校核标准。水库总库容5.152 亿m3，其中调洪库容4.742 亿m3、兴利库容0.684 亿m3，在实际运用中，为满足陡河电厂供水要求，水库水位不低于30.0 m，实际上水库兴利库容仅为0.557亿m3。

2.2 放水洞概况

陡河水库放水洞位于大坝左端、凤山脚下，全长640 m，其中引水渠长173.05 m、进水塔长8.7 m、渐变段长8.9 m、隧洞长145.6 m、消能段长40.75 m、尾水渠长263 m。进水塔设2 个宽1.75 m×3.0 m 的长方形进水洞口，底高程22.545 m；设2 扇平板钢闸门和QPQ2×40 t 启闭机进行闸门启闭，每扇闸门尺寸为2.55 m×3.20 m。隧洞洞身直径3.6 m，洞底纵坡1∕50，出口底高程20.0 m；消力池底板高程18 m，池深2.0 m，设计最大流量150 m3∕s。

放水洞是水库的枢纽工程之一，是向下游灌区供水的主要出口。在闸下650 m 处，设有水文测验断面，由陡河水库水文站施测水位、流量。

2.3 流量测验基本情况

陡河水库放水洞的流量测验断面位于闸下650 m的河道内。该河段基本顺直，断面形状稳定，历来无较大变化。特别是2009 年后随着唐山市环城水系建设工程正式开工，对陡河河道进行了规整，测验断面为规则的梯形，上宽38.3 m，两岸为砌石，底部河床由块石组成，并由铅丝网固定，从而保证了断面稳定，基本无冲淤变化，提高了流量测验精度。

该断面原有的测验设施是闭口式手摇缆道，于2015 年改建成电动缆道，使用郑州星睿水利科技有限公司生产的缆道控制台，铅鱼重约75 kg。设备的更新提高了流量测验精度，能够满足校测放水洞流量的要求。

3 放水洞堰闸率定

放水洞的闸门型式为平板闸门、平底闸，其出流状态为自由孔流。根据水文资料整编规范中水工建筑物流量的推流方法，其闸孔出流计算公式为[3]：

式中：Q为流量（m3∕s）；M1为自由孔流流量系数；B为闸孔总宽（m）；e为闸门开启高度（m）；hu为上游水头（m）；hc为收缩断面处水深（m），可以e代替。

式中：hu为上游水头（m）；Zu为上游水位（m）；Za为闸底高程（m）。

2016年5月3日—7月19日，根据上游水位和控制流量，闸门启闭32 次，同时施测流量16 次。利用28 次（其中4 次闭闸，开度为0）闸门启闭记录中的数据和16次校核流量，通过智能闸门控制仪反求的闸门开度，计算了44 次e∕hu和M1值。这44 个相关点在原定的e∕hu-M1相关曲线上，或只有微小误差临近原曲线，如图1 所示。这说明至今仍使用原率定成果和上述公式，利用智能闸门控制仪进行操作，来控制闸孔出流。

图1 e/hu-M1关系曲线

从图1 可以看出，当e∕hu较小（0.100 以下）时，流量系数M1较大，并随e∕hu值的减小不断增大；e∕hu值较大（0.100 以上）时，M1较小且趋于稳定。这也符合e∕hu-M1相关曲线的一般规律，是比较合理的。

4 放水洞流量影响因素分析

4.1 流量系数M1的影响

由式（1）可以看出，M1值是决定闸孔出流的主要因素之一。由于放水洞的堰闸率定是20 世纪末进行的，时至今日，其相关关系是否发生了变化是首先需要解决的问题。

根据已经刊布在水文年鉴中的陡河水库放水洞堰闸率定成果表选用近年的成果，分析e∕hu-M1相关关系是否发生了变化。在最近2005—2015 年共11 a中，去掉2次在临时断面测流和8次测流断面有死水可能存在流量测验误差的成果，尚有144 次测流成果可采用。分析表明，其中127 次率定成果的系统误差小于5%，占144 次的88.2%，即与原来相关曲线比较，有88.2%的数据点的M1误差在±5%之内，且点群重心也与原率定曲线吻合，如图1 所示。这说明e∕hu-M1关系至今没有明显改变，可用已采用原率定成果的智能闸门控制仪进行操作。

4.2 上游水位Zu的影响

为分析上游水位升降和闸门开度变化对放水洞流量的影响，根据e∕hu-M1相关关系，绘制Zu-e-Q关系曲线图，考虑到陡河电厂用水对坝上水位的要求及溢洪道建成后放水洞功能的侧重，同时考虑这里不是做堰闸率定，而是分析影响放水洞出流的有关因素，故采用近年（2005—2015 年）放水洞的流量率定成果中Zu、e、Q的变化范围作为相关图中上述3个参数的取值范围，能够满足对上游水位涨落和闸门开度变化进行分析的要求，如图2所示。

图2 Zu-e-Q关系曲线

从图2 可以看出，以e为参数的Zu-Q关系线基本为一条直线，且与纵轴夹角较小，即当Zu在30.50～33.50 的范围内同时e值不变的情况下，各级水位的变化对流量的影响是基本相同的，且影响较小。这里计算了Zu升降0.10 m 时对放水洞出流的影响，结果详见表1。

表1 坝上水位Zu 升降0.10m时对放水洞流量影响的计算成果m3∕s

表1中的相对影响值取某一闸门开度下对最小流量（图2中Zu为30.50 m 时的流量）影响的相对数，即某一闸门开度下最大的相对影响值。由表1 可知，当Zu升降0.10 m 时，e从0.10～3.00 m 发生的流量变化只有0.025～0.297 m3∕s，其相对影响值仅为0.8%左右，可见Zu的升降虽改变了水头hu，但对出流的影响是有限的。当然，当Zu变化较大时，应考虑其对放水洞流量的影响。

2016 年5 月3 日—7 月19 日，共启闭闸门32次，2 次动闸之间Zu均无较大变化，经统计，Zu涨落小于0.10 m 的有14 次，Zu涨落在0.10～0.20 m 的有12 次，Zu变化大于0.20 m 的有2 次，并有4 次闸门全关、开度为0。其中，Zu变化最大的一次发生在7 月3 日11：30—7 月7 日12：00，7 月3 日11：30Zu为31.64 m，一孔闸门开启，开度0.46 m，控制流量8.00 m3∕s，直到7 月7 日12：00，闸门开度一直未变，此时段Zu下降了0.35 m，根据表1 计算，受Zu下降影响，会使放水洞出流减小0.20 m3∕s，不足控制流量的3%。这种情况可以微调闸门开度（上升0.01 m）进行弥补，若操作难度较大也可暂不调整，待Zu变化较大时一并处理。

2016 年5 月3 日—7 月19 日，共施测流量16次，水文站测流是为了建立本断面的Zu-Q关系，用于推求流量，同时进行放水洞的堰闸率定，也用来校核控制流量的准确度。为保证校核流量的精度，一般在上游闸门开启后水流变得平稳时进行，致使测流时间较动闸时间滞后，在这一时段内Zu有较大变化时会使实测的校核流量与控制流量不一致，两者失去可比性。经统计，上述16 次测流中，施测时与最近一次动闸时的Zu变化有15 次在0.06 m之内，变化很小，可不考虑其影响。只有第6 次测流与最近的第9 次动闸之间Zu上涨了0.13 m，按表1 计算，校核流量比控制流量增加0.17 m3∕s，虽数值较小，但两者比较时应予考虑。

4.3 闸门开启高度e的影响

由式（1）可以看出，闸门开度e是闸孔出流的重要影响因素。从图2以e为参数的Zu-Q相关曲线可以看出，在同一上游水位级下，随着e的变大，闸孔出流不断增加且流量增幅不断减少，即流量随着闸门开度变大而增加，闸门开度越小流量增幅越大，反之闸门开度越大流量增幅越小。

为比较直观地了解e对Q的影响，计算了Zu在30.50～33.50 m 范围内e为0.10～3.00 m 时的Q值以及e变化0.10 m 时Q随之变化的绝对值和相对值，详见表2。

表2 闸门开度e变化0.1、0.5 m时对放水洞出流影响计算成果

表2中“～”左边为e下降0.10 m，右边为e上升0.10 m 造成Q变化的数值。由表2 可知，在水位30.50～33.50 m 的范围内，e从0.10～3.00 m 时，放水洞单孔出流为2.11～47.9 m3∕s；当e变化0.10 m 时，Q变化的绝对值为1.80～1.10 m3∕s、相对值为0.74-0.03，e越小则Q越小，且e变化0.10 m 时Q变化的相对值越大，反之亦然。同时，小流量往往对应小开度且e变化对Q的影响越大，当Q小于8.00 m3∕s 时，e变化0.10 m 引起的Q变化相对值会大于0.20，而当Q大于10.0 m3∕s 时，e变化0.10 m 引起的Q变化相对值会小于0.15，可见小流量时闸门开度变化对流量的影响是比较显著的。

一般情况下，率定闸孔出流取决于Zu、Q、e值。推算闸孔出流量取决于Zu、e、M1值，其中Zu值较易获取，Q值误差不大且精度不断提高，M1值由Zu、Q、e所决定，只有e因启闭闸门机制较复杂同时闸门开启部分多淹没在水下，其实际开启高度难以随时监测，容易形成其预想开度与实际开度不一致且不易察觉，造成出流量的误差。

为弄清预想闸门开度与闸门实际开度是否一致，水库管理处与水文站的工作人员协作，利用闭闸期间放水洞无水的有利时机，在2016 年8 月初进行了e值的对比观测，由水库工作人员通过智能闸门控制仪输入预想的闸门开度，水文站工作人员到洞内量测闸门的实际开度，经对比，两者并不一致，具体结果详见表3。

表3 闸门开度e不符值统计

表3中的智能闸门控制仪输入开度是根据2016年5—7 月放水洞32 次动闸的部分开启高度随机输入的，不符值由智能闸门控制仪输入开度减去实际量测开度得到。由表3 可知，为满足下游需水要求和达到控制流量，向智能闸门控制仪输入了预想的闸门开度，但是与闸门的实际开度不符，其中1号闸门的不符值为1～3 cm，2 cm 最多；2 号闸门不符值为4～5 cm，多为4 cm，且在13 次对比中，均是预想开度高于实际开度，特别是小流量时其相对不符值显得更大。由于实际开度低于预想开度，放水洞实际流量小于控制流量，无法满足下游需水要求，也使控制流量与校核流量不一致，小开度时表现更为明显。当然，一次对比观测很难成为定量的依据，但定性地看实际开度低于预想开度，使实际闸孔出流小于控制流量。