三峡枢纽泄洪建筑物泄流能力复核研究

胡晗; 耿峻; 童广勤; 丁宇

doi:10.11988/ckyyb.20231025

长江科学院院报 >

2025 , Vol. 42 >Issue 1: 115 - 119

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231025

水力学

三峡枢纽泄洪建筑物泄流能力复核研究

胡晗 ^,¹^,² ,
耿峻 ³ ,
童广勤 ³ ,
丁宇 ³

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¹ 长江科学院水力学研究所,武汉 430010
² 长江科学院水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010
³ 中国长江三峡集团有限公司,湖北宜昌 443000

胡晗(1988-),男,湖北武汉人,高级工程师,博士,研究方向为高坝枢纽泄洪安全。E-mail:huhan@mail.crsri.cn

Copy editor: 罗娟

收稿日期: 2023-09-19

修回日期: 2023-11-28

网络出版日期: 2025-01-21

基金资助

国家自然科学基金重点项目(52130903)

中国三峡集团有限公司资助项目(SXSN/4982)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023312/SL)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF20241022/SL)

收起

Verification of Discharge Capacity of Flood Discharge Structures of Three Gorges Project

HU Han ^,¹^,² ,
GENG Jun ³ ,
TONG Guang-qin ³ ,
DING Yu ³

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¹ Hydraulics Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
² Key Laboratory of Ministry of Water Resources on River-Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
³ China Three Gorges Corporation,Yichang 443000,China

Received date: 2023-09-19

Revised date: 2023-11-28

Online published: 2025-01-21

Fold

摘要

三峡大坝自2003年建库蓄水以来,泄洪消能建筑物经历了多场大洪水考验。为进一步总结三峡泄洪消能建筑物设计及实际运行情况,在三峡水利枢纽大坝安全首次定期检查期间,对三峡工程的泄流能力进行了全面复核。通过黄陵庙水文站实测数据复核了电站机组过机流量曲线,实测电站出流数据表明,水轮机出力曲线计算得出的左岸电站、右岸电站和地下电站机组流量均能准确反映真实的电站过机流量。复核了深孔和表孔的实际泄流能力,并和设计值与模型试验值进行了对比,通过对比可知,深孔实测泄流能力和设计值相当;表孔实测泄流能力,较设计值略微偏大;深孔和表孔实测联合泄流能力和设计值基本一致。

关键词： 三峡枢纽; 深孔; 表孔; 泄流能力

本文引用格式

胡晗 , 耿峻 , 童广勤 , 丁宇 . 三峡枢纽泄洪建筑物泄流能力复核研究[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(1) : 115 -119 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231025

Abstract

Since the completion of the Three Gorges Dam in 2003, its flood discharge and energy dissipation structures have withstood many flood tests. To further evaluate and summarize the design and actual performance of these structures, the discharge capacity of the Three Gorges Project was comprehensively assessed during the first regular dam safety inspection. The flow capacity of the power station units was verified using data from the Huanglingmiao Hydrological Station. The measured flow data from the power station indicate that the turbine output curve accurately reflects the actual flow rates of the left bank, right bank, and underground power stations. The actual discharge capacities of deep holes and surface holes were also evaluated and compared with their respective design values and model test results. The comparison reveals that the measured discharge capacity of deep holes matches the design value, while the measured discharge capacity of surface holes is slightly higher than the design value. However, the combined discharge capacity of deep holes and surface holes is basically consistent with the design value.

Key words： Three Gorges Project; deep outlet; surface outlet; discharge capacity

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

三峡工程是综合治理长江水患和开发利用长江水资源的关键性工程,工程开发任务主要是防洪、发电、航运和水资源综合利用。三峡枢纽工程由大坝、电站厂房、通航建筑物、茅坪溪防护坝和右岸地下电站等主要建筑物组成^[1-2]。

三峡大坝自2003年建库蓄水以来,泄洪消能建筑物经历了多场大洪水考验,其出库水量平衡性和水位流量关系广受关注^[3⇓-5]。为进一步总结三峡工程泄洪消能建筑物设计及实际运行情况,在三峡水利枢纽大坝安全首次定期检查期间,长江科学院对三峡工程的泄流能力进行了全面复核。

三峡大坝轴线长度2 309.5 m,坝顶高程185 m,最大坝高181 m。泄洪坝段位于河床中部,前缘总长483 m。三峡工程永久泄洪设施的布置兼顾了水库防洪调度、工程防洪、水库排沙、排漂等不同功能的要求。永久泄洪设施为泄洪深孔和表孔,低水位时少量的排沙孔和排漂孔参与泄洪。

泄洪坝段分为23个坝段(每个坝段宽21.0 m),共设22个泄洪表孔、23个泄洪深孔和22个导流底孔(蓄水后已封堵)。泄洪设施分3层布置,表孔与深孔相间布置、底孔在表孔正下方立体交错布置。23个深孔布置在坝段中间,采用有压短管接明流泄槽、跌坎掺气的体型方案,进口底高程90.0 m,孔口尺寸7.0 m×9.0 m;22个表孔跨横缝布置,为开敞式溢流堰,堰顶高程158.0 m,孔宽8.0 m^[6]。

三峡工程参加泄洪的泄水设施还包括泄洪坝段左侧和右侧各设的1个泄洪排漂孔、左岸厂房坝段设3个排沙孔和右岸厂房坝段设4个排沙孔、左岸坝后厂房14台机组、右岸坝后厂房12台机组和右岸地下厂房6台机组。

1 泄流能力模型试验结果

三峡工程建有多座不同部位、不同比尺的水工模型,并多次开展了泄水建筑物的模型试验^[7]。2010年长江科学院通过1∶100水工整体模型分别进行了深孔单独运用、表孔单独运用、深孔和表孔联合运用以及排漂孔、排沙孔单独运用的泄流能力试验,试验成果见表1。该试验成果分别与1∶20三峡深孔断面模型试验、1∶150水工整体模型成果进行了对比验证,证明成果可靠。

表1 深孔泄流能力(模型试验)

Table 1 Discharge capacity of deep outlets (model test)

库水位 H/m	流量Q/ (m³·s^-1)	流量系数 μ	库水位 H/m	流量Q/ (m³·s^-1)	流量系数 μ
92.85	1 065		135.38	34 270	0.885
97.54	5 200		139.50	36 420	0.892
100.82	9 010		146.16	38 700	0.887
103.13	11 820		149.36	40 700	0.894
110.79	19 830	0.899	159.21	44 250	0.889
117.79	24 790	0.891	169.23	47 600	0.885
126.54	29 740	0.883	179.63	50 910	0.883
131.35	32 220	0.883

1.1 深孔泄流能力

模型试验结果显示,23个深孔全开敞泄条件下,在库水位93~180 m时,泄流量及流量系数见表1。

流量系数μ按孔流公式计算,即

(1)

μ = Q 23 A 2 g Δ H 。

式中:A为为单个深孔的出口面积;ΔH = H_u - H',H_u为三峡上游库水位,H'为有压段出口顶部高程;g为重力加速度。

深孔在库水位110~180 m下流量系数为0.899~0.883。

1.2 表孔泄流能力

模型试验结果显示,22个表孔全开敞泄条件下,在库水位161~183 m时,泄流量及流量系数见表2。

表2 表孔泄流能力(模型试验)

Table 2 Discharge capacity of surface outlets (model test)

库水位 H/m	流量Q/ (m³·s^-1)	流量系数 μ	库水位 H/m	流量Q/ (m³·s^-1)	流量系数 μ
161.64	2 270	0.419	180.08	36 010	0.445
167.03	8 700	0.411	182.86	44 050	0.456
175.08	23 950	0.435

表孔为堰流,流量系数按堰流公式计算,即

(2)

μ = Q 22 b 2 g H 0 3 / 2 。

式中:b为三峡表孔流道宽度;H₀为三峡表孔堰上水头。

表孔在库水位161~183 m下流量系数为0.411~0.456。

1.3 深孔和表孔联合泄流能力

23个深孔、22个表孔全开联合敞泄条件下,在库水位167~183 m时,总泄流量见表3。

表3 深孔和表孔联合泄流能力(模型试验)

Table 3 Combined discharge capacity of deep outlets and surface outlets

库水位H/m	167.15	175.19	180.02	182.88
流量Q/(m³·s^-1)	55 660	73 420	86 900	96 000

表4统计了模型试验测得的各泄水设施综合泄流能力。

表4 各泄水设施泄流能力(模型试验)

Table 4 Comprehensive discharge capacity of discharge facilities (model test)

泄水设施	不同库水位下泄流能力/(m³·s^-1)
泄水设施	135 m	140 m	145 m	150 m	155 m	160 m	165 m	170 m	175 m	180 m	183 m
深孔	34 170	36 520	38 720	40 780	42 720	44 550	46 280	47 920	49 490	50 990	51 580
表孔	—	—	—	—	—	800	6 000	13 460	23 770	35 810	44 050
深孔+表孔	34 170	36 520	38 720	40 780	42 720	45 350	52 280	61 380	73 260	86 800	9 5630
排漂孔	110	730	1 700	2 630	3 390	4 000	4 540	5 020	5 440	5 840	6 030
排沙孔	2 308	2 418	2 516	2 606
	2 370	2 471	2 566	2 660
	2 428	2 525	2 628	2 718

2 原型泄流能力复核

2.1 复核方法

通过原型黄陵庙水文站流量实测资料来复核三峡深孔和表孔的泄流能力。黄陵庙水文站是三峡工程专用水文站,地处西陵峡东段和西段之间的庙(河)南(沱)开阔段,上距三峡大坝12 000 m,下距葛洲坝26 000 m,测验河段上下游4 000 m顺直^[8]。黄陵庙水文站采用美国RD仪器公司的流量在线监测设备H-ADCP来监测三峡枢纽的下泄流量^[9-10]。

黄陵庙水文站实测出库流量扣除左岸发电流量、右岸发电流量、电源电站发电流量和船闸流量之后的流量即为深孔和表孔的实测流量。其中电站发电流量为三峡电厂根据水轮机出力反算得出,船闸流量取日平均值。

由于泄洪期间三峡深孔和表孔调度变化比较频繁,为避免表孔和深孔闸门在启闭过程中流量的不稳定,按照三峡水电站提供的闸门调度资料分别选取表孔和深孔闸门在1 d以内均保持稳定开启无操作的时间段进行分析。为了减少干扰,选取冲沙孔、排沙孔和排漂孔均不运行,仅深孔和表孔单独运行时的特征工况来对三峡深孔和表孔的泄流能力进行复核。

2.2 电站泄流能力复核

三峡电站包括左岸电站厂房、右岸电站厂房、地下电站厂房和电源电站。其中电源电站发电流量较小,不作为本项目研究重点。本项目主要复核了左岸电站厂房、右岸电站厂房和地下电站厂房过机流量。

项目组收集了由三峡电厂提供的2003—2021年各机组厂房的计算流量。通过原型黄陵庙水文站流量实测资料来复核三峡电站各厂房的出力流量关系。

2.2.1 左岸电站

2003年12月—2007年5月,右岸电站厂房、地下电站厂房尚未投入运行,仅左岸电站发电。选取2006—2007年非汛期流量资料进行了对比。

由图1可以看出,由机组特性曲线计算得到的左岸电站机组流量计算值和实测值吻合较好,经分析,平均误差在2%以内。因此由机组特性曲线计算得到的左岸电站机组流量计算值能反映左岸电站的真实过机流量。

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图1 左岸电站机组流量计算值与实测值对比

Fig.1 Comparison of flow discharge in left bank power units between calculation and observation

2.2.2 左岸+右岸电站

2007年6月—2011年5月,地下电站厂房尚未投入运行,因此黄陵庙水文站实测流量扣除电源电站流量和船闸流量之后的流量即为左岸电站发电流量和右岸电站发电流量之和。选取2007—2010年非汛期流量资料进行了对比。

由图2可以看出,机组特性曲线计算得到的左岸+右岸电站机组流量计算值和实测值吻合较好,经分析,平均误差仍然在2%以内。由前文分析,由机组特性曲线计算得到的左岸电站机组流量计算值能反映左岸电站的真实过机流量,因此由机组特性曲线计算得到的右岸电站机组流量计算值同样能反映右岸电站的真实过机流量。

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图2 左岸+右岸电站机组流量计算值与实测值对比

Fig.2 Comparison of flow discharge in left bank and right bank power units between calculation and observation

2.2.3 左岸+右岸电站+地下电站

2012年5月起,地下电站厂房投入运行,因此黄陵庙水文站实测流量扣除电源电站流量和船闸流量之后的流量即为左岸电站、右岸电站和地下电站发电流量之和。选取了2012—2015年不泄洪时间段流量资料进行对比。

由图3可以看出,机组特性曲线计算得到的左岸+右岸+地下电站机组流量计算值和实测值吻合较好,经分析,平均误差同样在2%以内。由前文分析,由机组特性曲线计算得到的左岸/右岸电站机组流量计算值能反映左岸/右岸电站的真实过机流量,同理由机组特性曲线计算得到的地下电站机组流量计算值同样能反映地下电站的真实过机流量。

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图3 左岸+右岸+地下电站机组流量计算值与实测值对比

Fig.3 Comparison between calculation and observation for flow discharge in left bank and right bank and underground power units

综上,由三峡电厂根据水轮机出力曲线计算得出的左岸电站、右岸电站和地下电站机组流量均能准确反映真实的电站过机流量。因此可以以此为依据,进一步由实测资料验证深孔和表孔的泄流能力。

2.2.4 深孔泄流能力复核

选取了库水位146.12~163.27 m一共4组工况对三峡深孔的泄流能力进行了复核,结果如图4所示。

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图4 深孔泄流能力复核

Fig.4 Verification of discharge capacity of deep outlets

2013年7月23日关闭了13^#深孔,保持了7^#和17^# 2个深孔泄洪;2013年7月25日关闭了7^#深孔,保持了17^#深孔泄洪,且期间表孔、排沙孔、排漂孔保持关闭,因此在2013年7月24日为7^#和17^# 2个深孔保持稳定泄洪的工况。2013年7月24日上游库水位153.40 m,黄陵庙水文站实测出库流量为34 500 m³/s,扣除左岸发电流量、右岸发电流量、电源电站发电流量和船闸流量之后,7^#和17^# 2个深孔泄洪流量为3 580 m³/s,深孔单孔流量为1 790 m³/s。

按照同样的方法遴选泄洪资料,在2018年7月17—19日2^#、6^#、9^#、15^#、18^#、22^#共 6个深孔均稳定保持开启,且期间表孔、排沙孔、排漂孔保持关闭。因此选择2018年7月18日的工况进行分析。2018年7月18日上游库水位153.84 m,黄陵庙水文站实测出库流量为41 600 m³/s,扣除左岸发电流量、右岸发电流量、电源电站发电流量和船闸流量之后,2^#、6^#、9^#、15^#、18^#、22^#共6个深孔泄洪流量为10 761 m³/s,深孔单孔流量为1 793 m³/s。

同理遴选了2019年8月8日和2020年7月29日的数据进行了分析,如表5所示。

表5 深孔泄流能力复核

Table 5 Verification of discharge capacity of deep outlets

日期	深孔开启数量	库水位/ m	实测深孔流量/ (m³·s^-1)	实测单孔流量/ (m³·s^-1)	模型试验流量/ (m³·s^-1)	流量系数 μ
2013-07-24	2	153.40	3 580	1 790	1 832	0.870
2018-07-18	6	153.84	10 761	1 793	1 839	0.868
2019-08-08	1	146.12	1 666	1 666	1 705	0.870
2020-07-29	7	163.27	13 604	1 943	1 991	0.869

由实测资料分析得三峡深孔实际泄流能力和设计值相当。实测深孔流量系数μ约为0.87。

2.2.5 表孔泄流能力复核

三峡枢纽表孔单独泄流的工况较少,选取了库水位160.42 m和172.62 m这2组工况对三峡表孔的泄流能力进行了复核,如表6和图5所示,以下2个工况中表孔均为全开泄洪。

表6 表孔泄流能力复核

Table 6 Verification of discharge capacity of surface outlets

日期	表孔开启数量	库水位/ m	实测表孔流量/ (m³·s^-1)	实测单孔流量/ (m³·s^-1)	模型试验流量/ (m³·s^-1)	流量系数 μ
2012-07-30	3	160.42	163	54	55	0.407
2008-11-09	4	172.62	3 381	845	846	0.427

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图5 表孔泄流能力复核

Fig.5 Verification of discharge capacity of surface outlets

由实测资料分析得三峡表孔实测泄流能力,与模型试验值相当,较设计值略微偏大,偏差在2%以内。在160.42~172.62 m库水位条件下,实测表孔流量系数μ约为0.407~0.427。

2.2.6 深孔和表孔联合泄流能力

通过实测资料计算得到的深孔和表孔流量系数μ推断深孔和表孔在各水位条件下的联合泄流能力,如表7所示。

表7 深孔和表孔联合泄流能力

Table 7 Combined discharge capacity of deep outlets and surface outlets

库水位/m	泄水设施泄流能力/(m³·s^-1)
	深孔			表孔			深孔+表孔
	设计值	模型试验	实测推断	设计值	模型试验	实测推断	设计值	模型试验	实测推断
135	33 510	34 170	33 503	—	—	—	33 510	34 170	33 503
140	35 760	36 520	35 754	—	—	—	35 760	36 520	35 754
145	37 880	38 720	37 872	—	—	—	37 880	38 720	37 872
150	39 880	40 780	39 877	—	—	—	39 880	40 780	39 877
155	41 790	42 720	41 786	—	—	—	41 790	42 720	41 786
160	43 620	44 550	43 612	820	800	820	44 440	45 350	44 432
165	45 370	46 280	45 364	5 850	6 000	5 967	51 220	52 280	51 331
170	47 060	47 920	47 051	13 630	13 460	13 834	60 690	61 380	60 885
175	48 680	49 490	48 679	23 540	23 770	23 822	72 220	73 260	72 501
180	50 260	50 990	50 255	35 260	35 810	35 648	85 520	86 800	85 903
183	51 180	51 580	51 177	43 090	44 050	43 521	94 270	95 630	94 698

23个深孔、22个表孔全开联合敞泄,在库水位170、175、180 m条件下泄洪流量分别为60 885、72 501、85 903 m³/s。

3 结论

通过黄陵庙水文站实测数据复核了深孔和表孔的实际泄流能力,并和设计值与模型试验值进行了对比,通过对比可知,深孔实测泄流能力和设计值相当;表孔实测泄流能力较设计值略微偏大;深孔和表孔实测联合泄流能力和设计值基本一致。

实测电站出流数据表明,水轮机出力曲线计算得出的左岸电站、右岸电站和地下电站机组流量均能准确反映真实的电站过机流量。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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0 引言

1 泄流能力模型试验结果

表1 深孔泄流能力(模型试验)

1.1 深孔泄流能力

1.2 表孔泄流能力

表2 表孔泄流能力(模型试验)

1.3 深孔和表孔联合泄流能力

表3 深孔和表孔联合泄流能力(模型试验)

表4 各泄水设施泄流能力(模型试验)

2 原型泄流能力复核

2.1 复核方法

2.2 电站泄流能力复核

2.2.1 左岸电站

图1 左岸电站机组流量计算值与实测值对比

2.2.2 左岸+右岸电站

图2 左岸+右岸电站机组流量计算值与实测值对比

2.2.3 左岸+右岸电站+地下电站

图3 左岸+右岸+地下电站机组流量计算值与实测值对比

2.2.4 深孔泄流能力复核

图4 深孔泄流能力复核

表5 深孔泄流能力复核

2.2.5 表孔泄流能力复核

表6 表孔泄流能力复核

图5 表孔泄流能力复核

2.2.6 深孔和表孔联合泄流能力

表7 深孔和表孔联合泄流能力

3 结论

参考文献