专利名称：要素扩展型闸门控制运用曲线设计及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及水利水电工程领域，具体是要素扩展型闸门控制运用曲线设计及其应用。
背景技术：
水利水电工程泄水闸闸门的控制运用，是保证工程安全运行的主要要素，如果闸门控制运用不当，将产生非预期流态，造成严重冲刷破坏，危及工程安全。在泄水间运行设计中，是根据水力设计和水工模型试验成果，制定合适本工程的间门控制运用方式。此前关于“闸门控制运用曲线”的研究与应用情况是⑴国家现行《水闸设计规范》SL265-2001的条文说明中，用4个象限直角座标所表达的“闸门控制运用曲线”，也只能反映5个水力要素的相互关系(见附
图1) ； (2)我院在1994年，为岩滩水电站溢流表孔所制定泄洪调度“闸门控制运用曲线”，能反映6个水力要素的相互关系(其中第一象限用流量数据表达，未绘出关系曲线，见附图2)。随着技术发展，原“曲线”已不能满足我院后来所完成其他水电工程泄洪运行管理需要。综合上述，此前的“曲线”不足之处具体表现在①广西所建工程均以发电为主，原“曲线”不能表达发电引用流量与泄洪闸承担渲泄流量的关系；②现行规范及目前学者研究的“曲线”，主要对象是底流水跃消能，与我院在红水河上数个工程的消能防冲设计，普遍采用收缩射流与戽式消力池联合消能工，在流态特征和泄洪控制要素上与底流消能有着显著差异；③1994年用于岩滩的“曲线”是闸孔自由出流，除了应增力Π、完善第一象限的要素内容外，并要满足许多低水头水电工程，泄水闸多为闸孔淹没出流，其泄流能力曲线形式与上不同；并存在水跃跃首撞击闸门，引起闸门产生危害性振动等问题，应在“曲线”中得到反映；④工程运行实践证明，要有“闸孔开启顺序图表”和相关操作规程与“曲线”配合使用，才能方便工程运行管理人具体实施，达到确保坝下出流均勻平稳的目的。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种确保水利水电工程泄洪安全的要素扩展型闸门控制运用曲线及其应用。本发明解决上述技术问题的技术方案如下1.要素扩展型闸门控制运用曲线设计，曲线设计是针对中低水头水电工程的泄水闸，当天然来水流量小于敞开闸门泄洪，但又大于工程引用流量时，要通过局部提升闸门高度，满足渲泄多余流量，设计计算主要条件是1)不降低水库的正常蓄水位；2)泄水闸以局部开启闸门方式严格控制下泄流量，做到只泄多余流量；3)确保闸下出流均勻平稳，消能工要产生设计所预期的流态——消力戽产生为稳定戽流或淹没戽流流态(底流消能为淹没水跃，原理相同，本文举例从略)。概括上述即是闸门控制运用曲线是在水库为正常蓄水位时使用，当遇到有剩余流量要通过泄水闸渲泄时，消能工必须实现预计流态，确保下游安全。根据堰型、下游水位对堰流与闸孔出流的约束情况，分为自由出流与淹没出流两种工况，分别进行设计要素扩展型闸门控制运用曲线。2.要素扩展型闸门控制运用曲线设计方法，其特征在于，该曲线是闸孔自由出流的要素扩展型闸门控制运用曲线，设计方法如下将“曲线”水力要素扩展后，用四个象限座标反映10个要素、7条要素关联曲线(淹没出流为8条)。其中附图3为闸孔自由出流工况；附图4为闸孔淹没出流工况。1)第一象限含三条曲线，包含总来水流量、发电引用流量、上下游水位的三项关系曲线。第一条曲线一下游水位A 总来水流量％关系曲线取坝址下游某处的水位 Zd,绘制下游水位Α 总来水流流量％关系曲线，主要依靠水文实测资料确定；第二条曲线——水库水位& 下泄洪水流量仏关系曲线当来水流量小于敞开泄水闸闸门的过流能力及引用流量总和之前，水库水位为定值即正常蓄水位。来水流量增大
后，敞开溢流堰闸门，按自由溢流流量计算公式ρ = ·-^/^ (ε为收缩系数；m为流量
系数；η为闸孔孔数；b为每孔净宽；Htl为包括行近流速水头的闸前水头)，汇合其它泄水建筑物的下泄流量％，逐步计算高于水库正常蓄水位的泄流能力(有条件的工程通过水工模型试验验证修改)，绘制成水库水位 下泄洪水流量％关系曲线；第三条曲线——水轮发电机组运行台数N 下游水位& 发电引用流量A关系曲线以来水流量及相应下游水位为变数，近似取毛水头，即上下游水位差ΔΖ =毛水头H =水库正常蓄水位Zu-下游水位用机组制造厂家提供的各种水头H 单台水轮机最大引用流量(^1资料，即可依据该电站实际安装机组台数N = i，及对应的发电引用流量A = iQ，绘制出水轮发电机组运行台数N 下游水位& 发电引用流量A的关系曲线。在本象限中，可间接观察到两项水电力要素上下游水位差ΔΖ ；各台机组发电引用后的剩余流量AQ，即要向下游下泄的流量仏。2)第二象限含二条曲线，主要反映闸门开启高度与泄洪过闸单宽流量、下游指定流态水位的二条关系曲线。第四条曲线——闸门开高e 过闸单宽流量q的关系曲线，依据堰体结构和闸门类型，逐级变更闸门开高e，由闸孔自由出流过闸单宽流量计算公式《=μβ42ξ{Η,-εβ)， 式中μ为闸孔自由出流的流量系数；e为闸门开高；Htl为包括行近流速水头的闸前水头； ε为垂直收缩系数。直接计算获得过闸单宽流量q值，绘制闸门开高e 过闸单宽流量q 的关系曲线。有条件的工程，用水工模型试验实测资料进行修正。第五条曲线——产生设计指定流态(消力戽产生稳定戽流；消力池产生淹没水跃)的下游水位A 过闸单宽流量q 闸门开高e关系曲线底流水跃消力池，产生淹没水跃的理论计算方法已成熟，不作叙述。戽流消能，特别是当把它与收缩式消能工联合消能后，其结构形式繁多，水力边界条件差异很大，虽然目前国内进行相关试验研究单位及已经使用的工程不少，但其流态界限水位与消能工结构形式、水头、过闸单宽流量等的关系，尚无成熟理论计算公式，在设计规范内容中仍是空白，只能通过水工模型试验实测资料确定相关要素之间的关系。故本关系曲线也是通过模型试验实测这一手段确定的。“曲线”设计绘制中，要考虑到坝后河床地形特征，为节省工程投资，往往在同一工程泄水闸中采用消能工底板高度不一致的结构，由此引起A值不同对调度的要求。3)第三象限含一条曲线，包含泄水闸承担下泄流量、闸孔孔数、与过闸单宽流量的关系，有η条放射线第六条曲线一泄水闸承担下泄流量A 闸门开启孔数η 过闸单宽流量q关系曲线应用过闸单宽流量q =泄水闸承担下泄洪水流量闸孔净宽bX闸门开启孔数 η)的关系式，绘制出η条(n = 1、2、3、…)放射状相关直线。4)第四象限含有Ν+1条曲线，重点突出反映总来水流量、发电机组运行台数和泄水闸承担泄洪流量的关系第七条曲线——总来水流量 电站机组运行台数N 泄水闸承担下泄流量Qs 关系曲线当电站安装机组总台数为N时，有Ν+1条相关曲线。泄水闸承担下泄流量A = 总来水流量 N)台机组运行引用流量Qe-其他引出流量。在本象限重点突出了电站机组投入运行发电台数N与泄水闸承担泄洪流量的关系，从图中明显看出泄洪流量 随N 值增大而减少。3.要素扩展型闸门控制运用曲线设计方法，属闸孔淹没出流时要素扩展型闸门控制运用曲线设计方法如下将曲线水力要素扩展后，用四个象限座标反映10个要素、8条要素关联曲线。1)第一象限含三条曲线，包含总来水流量、发电引用流量、上下游水位的三项关系曲线第一条曲线——下游水位& 总来水流量％关系曲线，一般指坝址及其下游某处的水位A与总来水流量％关系曲线，多依靠水文实测资料取得。第二条曲线——水库水位& 下泄洪水流量仏关系曲线当下泄洪流量小于敞开泄水闸闸门的过流能力及引用流量总和之前，水库水位为定值即正常蓄水位。下泄洪流量
增大后，敞开溢流堰闸门，按淹没溢流流量计算公式ρ =计算，绘成水库水位
4 下泄洪水流量仏关系曲线，式中σ为淹没系数，其余各项与自由堰流相同；第三条曲线——水轮发电机组运行台数N 下游水位 发电引用流量A关系曲线本计算用毛水头H =上游水位Zu-下游水位A，查出厂家所提供的单台水轮机最大引用流量Q61，即可依据该电站实际安装机组台数N = i，及对应的发电引用流量A = iQ，绘制出N与A的关系曲线。在本象限中，可间接观察到两项水电力要素上下游水位差ΔΖ ；各台机组发电引用后的剩余流量AQ，即要向下游下泄的流量。2)第二象限含三条曲线，主要反映闸门开启高度与泄洪过闸单宽流量、下游指定流态水位、水跃跃首撞击闸门瞬时水位的关系曲线。第四条曲线一下游水位& 闸门开高e 过闸单宽流量q关系曲线由于下游水位高约束闸孔出流，在同一闸门开启高度下，泄洪过闸单宽流量将随水位升高而递减，故在本曲线中加入变数下游水位4。由闸孔淹没出流过闸单宽流量计算公式
权利要求
1.要素扩展型闸门控制运用曲线设计，曲线设计是针对中低水头水电工程的泄水闸， 当天然来水流量小于敞开闸门泄洪，但又大于工程引用流量时，要通过局部提升闸门高度， 满足渲泄多余流量，其特征在于，设计计算主要条件是1)不降低水库的正常蓄水位；2)泄水闸以局部开启闸门方式严格控制下泄流量，做到只泄多余流量；3)确保闸下出流均勻平稳，消能工要产生设计所预期的流态——消力戽产生流态为稳定戽流或淹没戽流。
2.要素扩展型闸门控制运用曲线设计方法，其特征在于，该曲线是闸孔自由出流的要素扩展型闸门控制运用曲线，设计方法如下将曲线水力要素扩展后，用四个象限座标反映7条要素关联曲线，共包含10个要素1)第一象限包含三条曲线将曲线水力要素扩展后，用四个象限座标反映7条要素关联曲线，共包含10个要素 第一条曲线——下游水位A 总来水流量％关系曲线取坝址下游某处的水位&，绘制A ％关系曲线，主要依靠水文实测资料确定；第二条曲线——水库水位 下泄洪水流量％关系曲线为自由溢流，按枢纽泄水建筑物结构形式，用自由溢流流量计算公式& = smnb^lgH}，直接计算Htl与％的关系数据，以此作出4 ％关系曲线；第三条曲线——水轮发电机组运行台数N 下游水位& 发电引用流量A关系曲线 用毛水头H =上游水位Zu-下游水位&，查出厂家所提供的单台水轮机最大引用流量A1,即可依据该电站实际安装机组台数N= i，及对应的发电引用流量A = iQel，绘制出N A Qe曲线；2)第二象限包含二条曲线第四条曲线——闸门开启高度(以下简称开高)e 过闸单宽流量q的关系曲线依据堰体结构和闸门类型，逐级变更闸门开启高度e，由闸孔自由出流过闸单宽流量计算公式 q = Me^2g{H0-se)，直接计算e与q的关系数据，以此作出e q的关系曲线，式中μ为闸孔自由出流的流量系数，e为闸门开高；Htl为包括行近流速水头的闸前水头，ε为垂直收缩系数；第五条曲线——产生设计指定流态的下游水位& 过闸单宽流量q 闸门开高e关系曲线设计流态水位确定戽流与收缩射流联合消能工，主要依靠模型试验实测资料，常规底流消能可用计算方法；3)第三象限包含一条曲线第六条曲线——泄水闸承担下泄流量A 闸门开启孔数η 过闸单宽流量q关系曲线应用过闸单宽流量q=泄水闸承担下泄洪水流量闸孔净宽bX参加泄洪闸孔数η) 的关系式，绘制η条(η = 1、2、3、…)放射状相关直线；4)第四象限包含一条曲线第七条曲线——总来水流量％ 电站机组运行台数N 泄水闸承担下泄流量A关系曲线泄水闸承担下泄流量Qs=总来水流量Qcr(0 N)台机组运行引用流量Q6-其他引出流量Qf，绘制N A关系曲线;
3.要素扩展型闸门控制运用曲线设计方法，其特征在于，该曲线是闸孔淹没出流要素扩展型曲线的设计方法，设计方法如下将曲线水力要素扩展后，用四个象限座标反映8条要素关联曲线，共包含10个要素1)第一象限包含三条曲线第一条曲线——下游水位A 总来水流量％关系曲线取坝址下游某处的水位&，绘制A ％关系曲线。主要依靠水文实测资料确定；第二条曲线——水库水位 下泄洪水流量％关系曲线为淹没出流，按枢纽泄水建筑物结构形式，用淹没流流量计算公式a = asmnb^H}，直接计算Htl与的关系数据，以此作出4 ％关系曲线；第三条曲线——水轮发电机组运行台数N 下游水位& 发电引用流量A关系曲线 用毛水头H =上游水位Zu-下游水位&，查出厂家所提供的单台水轮机最大引用流量A1,即可依据该电站实际安装机组台数N= i，及对应的发电引用流量A = iQel，绘制出N A Qe曲线；2)第二象限包含三条曲线第四条曲线——下游水位& 闸门开高e 过闸单宽流量q关联曲线下游水位高约束闸孔出流，在同一闸门开高时，泄洪过闸单宽流量随水位而变，用已有成熟水力学公式 q = juepg{H0 - εε)式中σ s为淹没系数，其余公式符号含义同上，或《=μ,ε^Κζ，式中 μ ！为淹没孔流流量系数，Δ Z为上下游水位差，对逐个下游水位计算e与q的关系数据，绘出若干条& e q关系曲线，有模型试验实测资料应与计算值相互验证；第五条曲线——产生设计指定流态的下游水位& 过闸单宽流量q 闸门开高e关系曲线，设计流态水位确定戽流与收缩射流联合消能工，主要依靠模型试验实测资料，常规底流消能可用计算方法；第六条曲线——水跃跃首撞击闸门瞬时水位Zd 过闸单宽流量q 闸门开高e关系曲线水跃跃首撞击闸门只产生在闸孔淹没出流工况，此条曲线通过模型试验确定，并注意在同一工程中，由于泄水闸消能工结构形式不同，在撞击瞬时水位ZiI的差异；3)第三象限包含一条曲线第七条曲线——闸门开启孔数η 泄水闸承担下泄流量I 过闸单宽流量q关系曲线应用过闸单宽流量q=泄水闸承担下泄洪水流量闸孔净宽bX参加泄洪闸孔数η) 的关系式，绘制η条放射状相关直线，η = 1、2、3、…；4)第四象限包含一条曲线第八条曲线——电站机组运行台数N 总来水流量％ 泄水闸承担下泄流量A关系曲线泄水闸承担下泄流量Qs=总来水流量Qcr(0 N)台机组运行引用流量Q6-其他引出流量Qf，绘制出N A关系曲线。
4.如权利要求2或权利要求3所述的要素扩展型闸门控制运用曲线的应用路线，其特征在于，曲线的应用路线分为主动控制闸门方式和被动控制闸门方式。曲线应用于主动控制闸门方式，应用路线如下1)根据水文预报获取预期水库来水流量％；2)根据来水流量％，查询坝址水位与流量关系曲线确定下游水位τΑ；3)由发电及其它建筑物引用流量，获得需要泄水闸下泄流量A= Q0-Qe+f ；4)根据调度原则开启闸门；5)确定消力池内水流流态是否平稳，如否，则重复4)，如是，“曲线”绘制完成。 曲线应用于被动控制闸门方式，应用路线如下1)已知条件下游水位A，水库水位持续升高；结论需开启泄水闸泄洪；2)根据调度原则开启闸门；3)确定消力池内水流流态是否平稳，如否，则重复步骤2)；如是，当水库水位继续升高或降低，或者水库水位稳定但影响发电时，重复步骤2、，当水库水位稳定并不影响发电时， “曲线”绘制完成。
全文摘要
本发明公开了要素扩展型闸门控制运用曲线设计及其应用。要素扩展型闸门控制运用曲线包括1.闸孔自由出流的要素扩展型闸门控制运用曲线设计方法，将曲线水力要素扩展后，用四个象限座标反映7条要素关联曲线，共包含10个要素；2.闸孔淹没出流要素扩展型曲线的设计方法，将曲线水力要素扩展后，用四个象限座标反映8条要素关联曲线，共包含10个要素。本发明曲线应用于主动控制闸门方式，如平班水电站泄水闸要素扩展型闸门控制运用曲线和应用于被动控制闸门方式，如乐滩水电站泄水闸要素扩展型闸门控制运用曲线。本发明的优点本发明是一套完整的要素扩展型闸门控制运用曲线，为工程运行管理人员操作提供方便。
文档编号E02B7/20GK102296574SQ20111018530
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者丰伟, 卓丽, 徐婷兰, 李布雳, 罗秉珠 申请人:广西电力工业勘察设计研究院