石門水庫左岸泄洪洞挑流鼻坎優化試驗研究

邱存元 謝世軍 聶抗意

摘要：為了解決石門水庫左岸泄洪洞泄水時霧化嚴重問題，開展了水工模型試驗研究，對原挑流鼻坎進行優化，確定了單邊左側小貼腳優化鼻坎體型。通過對挑流鼻坎泄水試驗的原型觀測，對優化鼻坎水舌進行了宏觀特性測量。測量發現：原型試驗觀測與模型試驗呈現規律基本一致，即水舌寬度隨著泄水流量的增加而增加。優化鼻坎加大了水流在橫向的能量分散，減小了水舌對河道的沖刷，水舌的挑距、濺水范圍和高程均小于原鼻坎水舌。試驗研究表明：兩種挑流鼻坎體型都具有良好消能防沖效果，但優化鼻坎泄水霧化情況較原鼻坎泄水有明顯改善。該試驗研究成果可為同類泄洪洞挑流鼻坎優化改造提供參考。

關鍵詞：挑流鼻坎;挑流水舌;水工試驗;原型觀測;優化設計;石門水庫;陜西省

中圖法分類號：TV653.3

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.011

石門水庫位于陜西省漢中市漢江上游支流褒河峽谷出口以上1.8 km，距下游河東店鎮3 km，南到漢中市18 km，是以灌溉為主，結合發電、城市供水、兼顧防洪等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程[1]。水庫總庫容1.098億m3，設計灌溉農田3.43萬hm2（51.5萬畝），電站裝機44.73 MW，設計年發電量1.21億kW.h/a。石門水庫于1969年10月動工興建，1972年4月下閘蓄水，1983年建成，設計水位618.0 m，校核洪水位619.5 m。

水庫樞紐由混凝土拱壩、泄洪中孔、泄洪底孔、河床電站、東西干渠引水渠首、下游反調節池、南干渠首、左岸泄洪洞等建筑物組成。主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。其中，左岸泄洪洞是在2004年水庫除險加固項目中建成，2006年10月通過竣工驗收。左岸泄洪洞由進口引水明渠段、進水口段（進水塔段）、有壓隧洞段、出口閘室段、出口明渠泄槽段組成，全長511.438 m（見圖1）。引水明渠段長29.11 m，底板頂高程596.00 m;進水口段為喇叭口，順水流向長12.70 m，底板高程596.00 m;進水口后接變洞徑圓形有壓隧洞，洞身段水平投影總長419.628 m。在整個平面上設兩個彎道，在立面上采用龍抬頭式，龍抬頭上平段直徑為6.8 m，下平段直徑為6.0 m;隧洞出口漸變為矩形閘室段，閘底高程542.00 m.設弧形工作鋼閘門;閘后接出口明渠泄槽段，水平投影長28.00 m，底坡2%，采用挑流消能方式。泄槽為矩形斷面，底寬由4.400 m擴大為10.285 m.相應的槽高由11.306 m降至9.704 m，邊墻平面上呈圓弧形，圓弧半徑134.67 m。泄槽出口采用擴散型不對稱貼角挑流鼻坎。左岸泄洪洞在泄洪時，出口水舌挑流落人下游河道，霧化嚴重，致使壩后石門水電站進廠道路通行阻斷，位于泄洪洞出口對岸的電站辦公樓也無法使用。

1 模型試驗

1.1 模型設計與制作

考慮到在整個水流過程中，黏滯力與慣性力均較小，重力始終起主要作用，故該模型按重力相似準則設計，長度比尺Lr=50[2-3]。該泄洪洞模型采用有機玻璃制作，在制作過程中用經緯儀對泄洪洞軸線進行定位，保證其軸線位置不變。

1.2 原鼻坎與優化鼻坎模型試驗對比

原鼻坎采取不對稱的雙面貼腳，左側貼腳高2.3 m，右側貼腳為1.8 m，末端底側寬2.8 m，沿邊墻長5.55 m，坡度為2 %的底板，其下游底板為與之相切的圓弧，鼻坎末端寬10.286 m，高程為543.296 m，見圖2（a）。經對挑流鼻坎體型進行多次試驗調整，最終確定的優化鼻坎體型為兩邊墻不變，鼻坎底坡由圓弧改為6。挑角的斜坡，其下游底板為與之相切的平面。鼻坎最末端高程為543.296 m，優化后鼻坎末端高程不變。左邊墻末端設小貼角體，其末端底寬1.5 m，邊墻一側高2.0 m，沿邊墻長4.0 m;右邊墻末端不設貼角體，見圖2（b）。

模型試驗中原鼻坎和優化鼻坎均選取正常蓄水位618.0 m，閘門全開狀態，模型泄水時挑流的水舌形態及落點結果見圖3，模型試驗水舌宏觀特性見表1。從圖3可以看到：①原鼻坎水舌形態呈翅狀，水舌相對較厚。左右兩側上緣挑流高而遠，挑距分別約為84.1 m和90.3 m。水舌橫向擴散較充分，最大寬度達38 m，水流落點位于河道中間，落人河道后向周圍擴散，主流位于河道右岸。②優化鼻坎水舌較薄。由于左側貼角體的作用，左側水舌呈縱向拉開的形態，左右側挑距分別為47.6 m和21.2m，水舌在橫向上有一定的擴散，橫向最大寬度約為18 m。水流落點位于河道中間偏左岸，落人河道后向周圍擴散，主流位于河道中間。

霧化水流的濺水區是霧化水流的暴雨中心。濺水區再往外為霧流降雨區，離濺水區越遠，雨強越小[4-6]。從原鼻坎泄洪濺水范圍來看，石門水電站辦公樓位于濺水邊緣附近，受水舌風和右岸地形的作用，部分霧流降雨向下游移動，使其受到泄洪水流霧化的不利影響。從泄洪兩岸濺水平面范圍和高程來看，原鼻坎泄洪水舌挑距和擴散面較大，濺水左岸高程最高達564.00 m，右岸一定范圍內高程超過567.00 m。優化后的鼻坎泄洪水舌濺水范圍較小，高度明顯降低，右岸最高濺水高程僅553.50 m，濺水高度基本都控制在景區西線道路路面高程以下，絕大部分霧化降雨落于河道。因此，優化鼻坎大幅減輕了挑流水舌沖擊對岸坡的不利影響，泄洪水流霧化情況也較原鼻坎泄洪有明顯改善。

1.3 模型試驗優化鼻坎沖淤地形

優化鼻坎在正常蓄水位618.0 m全開工況下，下游沖淤地形見圖4。沖坑位于河道左側，坑底較平坦，最深沖刷至高程532.0 m，沖深7.0 m（以鋪砂高程539.0 m計算）。淤積體位于河道中部和右側，最高淤積至高程543.0 m。沖刷試驗的結果有一定的隨機性，即使同一水位，兩次試驗的沖刷結果也不一定完全相同。

2 泄水試驗原型觀測

2.1 全站儀測量水舌方法

根據石門水庫安全運行要求，本次原型觀測采用618 m和615 m兩個水位進行泄水試驗。庫水位高程618 m選擇50%（2.2 m）開度和100% （4.4 m）開度進行泄水測量;庫水位高程615 m選擇25%（1.1 m）開度，50% （2.2 m），75% （3.3 m）和90.9%（4.0 m）開度進行泄水試驗。泄洪洞泄水時，按照閘門開度由小變大依次開啟，每個開度開啟后停留30min，保證水流穩定可供測量，測量人員完成每一個開度測量后轉為下一個閘門開啟度測量。

圖5為觀測平面布置圖，泄洪洞出口與褒河河道軸線夾角α為31°，挑流水舌與河道水流形成銳角相交。已知固定坐標點K，O和A 3個坐標點，K點為河道左岸邊坡的觀測點，O為泄洪閘室前觀測點，A點為泄洪洞中軸線右岸坡控制點;直線OA為泄洪洞出口中心線。觀測者在觀測點K架設全站儀，通過水舌最遠落水點對準右岸B1點，記錄B1點坐標;同樣的方式，觀測者將通過水舌最近落水點對準右岸B2點，記錄B2點坐標。另一位觀測者在觀測點O架設全站儀，對準最上游側落水點，采集方位角∠AOC1;然后對準最下游側落水點采集方位角∠AOC2。每個坐標點和方位角采集次數不少于3次，取平均值。泄洪水舌最遠落水點H即為直線KBi和方位線OCi的交點，最近落水點G即為直線KB2和方位線OC2的交點。D1是鼻坎左側末端點，D2是鼻坎右側末端點，即線段HD1為水舌左側挑距，線段GD2為水舌右側挑距，線段HG為水舌寬度。

2.2 測量結果與分析

按上述方式對測量的坐標點和方位角在AutoCAD上進行放樣，繪制出優化鼻坎泄洪水舌范圍圖（見圖6）。不同庫水位，不同開度的水舌主落點均在河道左側，和模型試驗水舌落點規律一致，這使得水舌落人河道激起的巨浪與強霧化區位于河道中部，有利于消除水舌霧化對右岸道路及電站辦公樓的影響。

在圖上量測出不同庫水位和閘門開啟高度下水舌挑距與水舌寬度，見表2。從表中可以看出，水舌寬度隨著閘門開啟高度的增加而增加。對比表1模型試驗水舌宏觀特性，這一規律具有一致性。水舌寬度隨著泄流量增加而增加，加大了泄洪水流在橫向的能量分散，減小了水舌對河道的沖刷，進一步證明了對泄洪洞挑流鼻坎體型優化是成功的。

2.3 原鼻坎與優化鼻坎下游沖刷對比分析

在庫水位高程618m時，弧形閘門全開泄水后，利用全站儀對河道沖淤地形進行了測量，如圖7所示。從圖中可以看出：原鼻坎泄洪時沖坑位于河道中間，沖坑范圍廣，坑底較平坦，最深沖刷至高程536.01 m，沖刷深度1.90 m。優化鼻坎泄洪時沖坑靠河道中心的左側，由于河道岸邊淤積體較多，優化鼻坎泄洪的沖坑范圍窄且深，沖坑深度2.60 m。原型的沖坑位置和泄洪時的水舌落點均與模型試驗規律一致。

2.4 水舌消能與霧化對比分析

圖8和圖9為兩種鼻坎在庫水位高程618 m時，弧形閘門全開情況下的泄洪洞水舌狀況。兩種鼻坎挑起的水舌均有不同程度的擴散，主落點均在河道中間區域，從消能方面看，兩種鼻坎體型都是合理的。

從圖8可以看出，原鼻坎挑流水舌較厚，呈翅狀，鼻坎兩側貼腳呈挑起狀態。水舌左右側高，中間略低，水舌挑射人空中，摻氣充分，擴散的水舌主落點在河道中間，落點較好。若僅從消能方面看，原鼻坎體型也是合理的，不需要進行改造;但從水舌霧化方面看，原鼻坎挑射的水舌下跌至河床時，在河道右側激起水浪，形成強霧化區;加之受水舌風的影響，位于河道右岸的防汛道路、電站辦公樓及山坡被水霧充滿。水霧嚴重影響電站進廠道路交通，電站辦公樓無法正常使用，給旅游風景區的正常運行及人車通行帶來極大不便和安全隱患。

通過水工模型試驗對原鼻坎的體型進行優化，現狀鼻坎在弧形閘門全開時觀測挑流水舌形狀見圖9。由圖9可以看出優化鼻坎泄洪水舌在左側小貼腳的作用下，水舌左側較右側挑起更高更遠。鼻坎底坡由圓弧改為斜坡，坡腳變小，水舌挑距較原鼻坎水舌挑距減小，擴散程度降低，主落點在河道中線的左側，順河道中軸線方向擴散，并在河道中線處激起水躍;水流在河道中間翻滾消能，形成強霧化區，但該霧化區主要分布在河道范圍，對右岸的防汛進廠道路、電站辦公樓和景區人員車輛通行影響甚微，不構成安全威脅。

3 結論

（1）試驗達到預期效果。通過模型試驗對石門水庫泄洪洞原鼻坎和優化鼻坎挑流消能進行比較，更直觀地得出優化鼻坎泄洪水舌挑距、濺水范圍和高程均小于原鼻坎泄洪水舌;優化鼻坎泄水對河岸和相關設施的影響較小，水流霧化情況也有明顯改善。

（2）試驗數據需要實測數據驗證。現場測量采用常規測量儀器經緯儀對挑流鼻坎泄洪水舌、沖刷坑等宏觀特性進行測量，所獲得的數據與模型試驗規律一致。該方法通用可靠，可為大多數基層水利單位提供借鑒。

（3）雖然兩種鼻坎體型泄水消能效果良好，但通過原型試驗觀測，優化后的鼻坎泄洪對河岸的沖擊和水流霧化明顯減小，達到了工程安全運行的預期效果。

該試驗進一步說明了水工模型試驗研究在解決和優化水工建筑物水力學問題，尤其是保障水利工程安全運行方面有著重要作用。

參考文獻：

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（編輯：李曉濛）

作者簡介：邱存元，男，高級工程師，主要從事灌區及水庫樞紐工程的設計、施工、管理等工作。E-mail： qcyycqqcy@163.com