石門水庫(kù)左岸非常泄洪洞優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行研究

邱存元，謝世軍，聶抗意，何 艷，賈添鋮

(漢中市石門水庫(kù)管理局，陜西 漢中 723000)

0 概述

石門水庫(kù)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?xùn)|店鎮(zhèn)3 km，南到漢中市18 km，是以灌溉為主、結(jié)合發(fā)電、城市供水，兼顧防洪等綜合利用的大(二)型水利樞紐工程[1]。水庫(kù)總庫(kù)容1.098億m3，設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田51.5萬(wàn)畝，電站裝機(jī)47.6 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.41億kW·h。石門水庫(kù)1969年10月動(dòng)工興建，1972年4月下閘蓄水，1983年建成，設(shè)計(jì)水位618.0 m，校核洪水位619.5 m。

水庫(kù)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(diào)節(jié)池、南干渠首、左岸非常泄洪洞等建筑物組成。主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。其中左岸非常泄洪洞是2004年水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目建成，2006年10月通過(guò)竣工驗(yàn)收。非常泄洪洞由進(jìn)口引水明渠段、進(jìn)水口段(進(jìn)水塔段)、有壓隧洞段、出口閘室段、出口明渠泄槽段組成，全長(zhǎng)511.438 m。引水明渠段長(zhǎng)29.11 m，底板頂高程596.00 m；進(jìn)水口段為喇叭口，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)12.7 m；進(jìn)水口后接變洞徑圓形有壓隧洞，洞身段水平投影總長(zhǎng)419.628 m，在整個(gè)平面上設(shè)兩個(gè)彎道，兩彎道間以縱向坡比1∶1的直線段銜接，在立面上采用龍?zhí)ь^式，上平段洞徑為6.8 m，下平段洞徑為6.0 m；隧洞出口漸變?yōu)榫匦伍l室段，閘底高程542.00 m，設(shè)弧形工作鋼閘門；閘門室后接出口明渠泄槽段，水平投影長(zhǎng)28.0 m，底坡2%[2]。

1 泄洪現(xiàn)狀

石門水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程新建的左岸非常泄洪洞布置因受地形及相鄰樞紐建筑物運(yùn)行要求的影響，泄洪洞進(jìn)水口高程較高，設(shè)計(jì)洪水時(shí)淹沒深度不夠，造成洞內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。后經(jīng)調(diào)整泄洪洞進(jìn)出口尺寸(修改為4.4 m×4.4 m)及泄洪洞設(shè)計(jì)斷面，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算和設(shè)計(jì)階段水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求的泄量550 m3/s。正常蓄水位618.00 m和校核洪水位619.50 m時(shí)，洞內(nèi)各處均為正壓，設(shè)計(jì)洪水位615.87 m時(shí)，洞內(nèi)頂部局部出現(xiàn)負(fù)壓，壓力值為-0.1 m水柱。當(dāng)庫(kù)水位升至616.70 m時(shí)，負(fù)壓消失。由于在低水位時(shí)泄洪洞內(nèi)仍有負(fù)壓存在，所以特對(duì)泄洪洞出口工作弧門開啟運(yùn)行提出要求：設(shè)計(jì)洪水位615.87 m時(shí)，不允許開啟工作門；正常蓄水位618.00 m時(shí)，可以局開；校核洪水位619.50 m時(shí)，可以全開[3]。因此，泄洪洞不能在中低水位泄流，僅能在石門水庫(kù)校核洪水位投入運(yùn)行，無(wú)法彌補(bǔ)石門水庫(kù)泄洪缺少的200 m3/s～600 m3/s泄洪流量。

石門水庫(kù)的泄水建筑物主要由泄洪中孔、泄洪底孔和左岸非常泄洪洞組成，引水建筑物由河床電站、東干渠、西干渠組成。泄洪中孔為6孔，沿拱壩中心線對(duì)稱布置，底板高程596.00 m，單孔設(shè)計(jì)泄洪流量800 m3/s，6孔總泄量4800 m3/s；泄洪底孔布置在9號(hào)壩段下部，進(jìn)口底板高程550.00 m，設(shè)計(jì)泄水流量120.0 m3/s；非常泄洪洞進(jìn)口底板高程596.00 m，最大泄量為550 m3/s。河床電站進(jìn)口底板高程567.00 m，最大引水流量為67.5 m3/s；東干渠進(jìn)口底板高程588.5 m，最大引水流量32 m3/s。西干渠進(jìn)口底板高程592.00 m，最大引水流量7 m3/s。

石門水庫(kù)主汛期泄洪的現(xiàn)狀分小水量泄洪和大水量泄洪兩個(gè)層次。第一個(gè)層次小流量泄洪下限為西干渠引水，泄量7 m3/s；上限為西干渠、東干渠、河床電站、底孔同時(shí)泄洪，泄量為226.5 m3/s。第二個(gè)層次小流量泄洪下限為開啟1孔中孔閘門，最小泄量為800 m3/s；上限為泄洪中孔6孔、泄洪洞、底孔、河床電站、東干渠、西干渠全開泄洪，最大泄量為5576.5 m3/s。

石門水庫(kù)泄洪缺失226.5 m3/s～800 m3/s的泄洪流量段，而石門水庫(kù)43 a的運(yùn)行，主汛期最常態(tài)的上游來(lái)水為200 m3/s～600 m3/s。目前石門水庫(kù)的運(yùn)行現(xiàn)狀是在水庫(kù)汛限水位時(shí)，上游入庫(kù)洪水流量在200 m3/s～600 m3/s，按要求只需要下泄200 m3/s～600 m3/s之間的流量，但按目前的運(yùn)行方式卻要開啟一個(gè)泄洪中孔閘門泄水，再加上底孔泄水，水庫(kù)的下泄流量近1000 m3/s，即浪費(fèi)了水資源，也給下游增加了洪水壓力。同樣，當(dāng)上游來(lái)水在1000 m3/s～1500 m3/s時(shí)，按要求水庫(kù)下泄流量應(yīng)控制在1500 m3/s以下，而按目前的運(yùn)行條件卻要開啟兩個(gè)大孔泄洪，加上底孔泄水，實(shí)際下泄流量達(dá)1800 m3/s，仍然會(huì)加大下游防洪壓力。目前石門水庫(kù)泄洪現(xiàn)狀常常給下游造成超過(guò)河道實(shí)際來(lái)洪的防洪壓力，存在“人造洪水”的安全隱患；另外水庫(kù)出現(xiàn)陡漲陡落洪水過(guò)程，水庫(kù)往往不能及時(shí)蓄上水而影響灌溉和發(fā)電效益，因此左岸非常泄洪洞未充分發(fā)揮有效的調(diào)洪泄洪作用。

2 泄洪洞水工模型試驗(yàn)

在整個(gè)水流過(guò)程中，粘滯力與其慣性力都比較小，重力始終起主要作用，故該模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度比尺Lr=50。其它相關(guān)物理量的比尺見表1。

表1 模型比尺

該泄洪洞模型見圖1，采用有機(jī)玻璃制作，在制作過(guò)程中用經(jīng)緯儀對(duì)泄洪洞軸線進(jìn)行定位，保證其軸線位置不變[2、4]。

圖1 泄洪洞模型布置

2.1 泄洪洞內(nèi)水流形態(tài)

在模型試驗(yàn)中可以看出隨著泄洪洞庫(kù)水位升高，流量增大，洞內(nèi)依次出現(xiàn)三種流態(tài)：明流、過(guò)渡流和滿流流態(tài)[5]。

當(dāng)庫(kù)水位低于606.2 m時(shí)，泄洪洞全開洞內(nèi)全程基本為明流流態(tài)，在隧洞中部由于水流跌落及平面轉(zhuǎn)彎的作用而產(chǎn)生旋流流態(tài)，旋流沿管道周壁不均勻分布。隨著庫(kù)水位的升高，當(dāng)泄洪洞進(jìn)口還為明滿流狀態(tài)時(shí)，管內(nèi)其它部位相繼出現(xiàn)明滿流過(guò)渡狀態(tài)，當(dāng)庫(kù)水位繼續(xù)升高，洞內(nèi)全程基本為明滿流過(guò)渡狀態(tài)，隧洞進(jìn)口伴隨著明顯的進(jìn)氣聲。當(dāng)庫(kù)水位升至609.8 m時(shí)，洞內(nèi)全程為滿流流態(tài)，即有壓流，進(jìn)氣口挾氣聲消失。在以上三種特征工況時(shí)，泄洪洞進(jìn)口水流都很平順，無(wú)旋渦出現(xiàn)，出口為急流流態(tài)。

2.2 泄洪洞流量的率定

通過(guò)水工模型試驗(yàn)率定了泄洪洞全開、局開(4 m開度、7/8開度、3/4開度、1/2開度、1/4開度)的泄流能力，率定結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，有壓流段流量隨著庫(kù)水位的升高增加較緩慢，所以關(guān)系曲線較陡，并且閘門開度越小，庫(kù)水位隨著流量的增加上升越快。全開流量系數(shù)μ根據(jù)有壓流隧洞流量計(jì)算公式計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，全開時(shí)流量系數(shù)在0.792～0.794之間。

圖2 泄洪洞閘門不同開度下庫(kù)水位和流量關(guān)系曲線

式中：μ為流量系數(shù)；Q為流量，m3/s；ω為出口斷面面積，m2；h為上游水面與隧洞出口底板高程差；D為隧洞出口高度。

2.3 泄洪洞運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)

《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279-2002)規(guī)定：有壓隧洞嚴(yán)禁出現(xiàn)明滿流交替運(yùn)行的運(yùn)行方式，在最不利運(yùn)行條件下，洞頂以上應(yīng)有不小于2.0 m的壓力水頭[6]。在該規(guī)范的條文說(shuō)明中指出，有壓洞留有2.0 m水柱的壓力余幅，是為了保證洞內(nèi)為有壓流而不會(huì)出現(xiàn)明滿流過(guò)渡流態(tài)。

石門泄洪洞模型試驗(yàn)表明，在正常運(yùn)行的庫(kù)水位范圍內(nèi)，即使洞頂出現(xiàn)較大的負(fù)壓，洞內(nèi)仍不會(huì)出現(xiàn)明滿流過(guò)渡流態(tài)。因此對(duì)洞頂最小壓力的控制可以用不發(fā)生空蝕破壞為標(biāo)準(zhǔn)。由于洞內(nèi)流速不高，水流空化數(shù)并不小，在正常的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量情況下，不易發(fā)生空蝕破壞，因此可以用洞頂最低壓力為0作為運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)。

模型試驗(yàn)測(cè)算不同開度洞內(nèi)壓力最低點(diǎn)分別為2.0 m水柱和零壓時(shí)的水位見表2。洞內(nèi)最低壓力控制標(biāo)準(zhǔn)條件下庫(kù)水位和開度關(guān)系見圖3。若按規(guī)范要求，泄洪洞運(yùn)行時(shí)留有2.0 m水柱的壓力余幅，從圖3中可以看出，在庫(kù)水位610.1 m以上均可以用3/4開度運(yùn)行；庫(kù)水位在614.6 m以上，可以用4 m開度運(yùn)行；庫(kù)水位達(dá)到621.2 m，才能夠全開運(yùn)行。

圖3 庫(kù)水位和閘門開度關(guān)系曲線

表2 兩種壓力控制標(biāo)準(zhǔn)下閘門開度與庫(kù)水位的關(guān)系 單位：m

從泄洪洞優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方面綜合考慮，而且在正常運(yùn)行的庫(kù)水位范圍內(nèi)，洞內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明滿流過(guò)渡流態(tài)。采用洞頂最低壓力為0作為運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)，不僅能滿足泄洪洞安全運(yùn)行的要求，而且能夠彌補(bǔ)石門水庫(kù)泄洪缺失226.5 m3/s～800 m3/s的泄洪流量段。將泄洪洞轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)泄洪洞使其發(fā)揮泄洪效益，庫(kù)水位在612.2 m以上均可以用不大于4 m開度運(yùn)行，庫(kù)水位達(dá)618.5 m時(shí)，即可全開運(yùn)行。

3 結(jié)論

(1)石門水庫(kù)左岸非常泄洪洞單體水工模型試驗(yàn)率定了泄洪洞全開和局開的泄流能力，觀測(cè)了泄洪洞的進(jìn)口、出口流態(tài)和洞身的壓強(qiáng)分布。泄洪洞全開泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求；各工況進(jìn)口流態(tài)良好，進(jìn)口前雖然存在漩渦，但不吸氣。

(2)通過(guò)對(duì)泄洪洞運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)的分析，可采用洞頂最低壓力為0作為運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)，為將非常泄洪洞轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)泄洪洞提供了試驗(yàn)依據(jù)。

(3)庫(kù)水位在612.2以上均可以用不大于4 m開度運(yùn)行，庫(kù)水位達(dá)618.5 m時(shí)，即可全開運(yùn)行。為石門水庫(kù)增加了0～550 m3/s自由開啟泄洪流量，優(yōu)化了石門水庫(kù)泄洪現(xiàn)狀并使得泄洪洞發(fā)揮有效的調(diào)洪泄洪作用。