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(yán)重問題，開展了水工模型試驗研究，對原挑流鼻坎進(jìn)行優(yōu)化，確定了單邊左側(cè)小貼腳優(yōu)化鼻坎體型。通過對挑流鼻坎泄水試驗的原型觀測，對優(yōu)化鼻坎水舌進(jìn)行了宏觀特性測量。測量發(fā)現(xiàn)：原型試驗觀測與模型試驗呈現(xiàn)規(guī)律基本一致，即水舌寬度隨著泄水流量的增加而增加。優(yōu)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(yōu)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(yōu)化改造提供參考。

關(guān)鍵詞：挑流鼻坎;挑流水舌;水工試驗;原型觀測;優(yōu)化設(shè)計;石門水庫;陜西省

中圖法分類號：TV653.3

文獻(xiàn)標(biāo)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?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（2）型水利樞紐工程[1]。水庫總庫容1.098億m3，設(shè)計灌溉農(nóng)田3.43萬hm2（51.5萬畝），電站裝機(jī)44.73 MW，設(shè)計年發(fā)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(shè)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(diào)節(jié)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(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511.438 m（見圖1）。引水明渠段長29.11 m，底板頂高程596.00 m;進(jìn)水口段為喇叭口，順?biāo)飨蜷L12.70 m，底板高程596.00 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419.628 m。在整個平面上設(shè)兩個彎道，在立面上采用龍?zhí)ь^式，龍?zhí)ь^上平段直徑為6.8 m，下平段直徑為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(kuò)大為10.285 m.相應(yīng)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(kuò)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(yán)重，致使壩后石門水電站進(jìn)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(shè)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(zhǔn)則設(shè)計，長度比尺Lr=50[2-3]。該泄洪洞模型采用有機(jī)玻璃制作，在制作過程中用經(jīng)緯儀對泄洪洞軸線進(jìn)行定位，保證其軸線位置不變。

1.2 原鼻坎與優(yōu)化鼻坎模型試驗對比

原鼻坎采取不對稱的雙面貼腳，左側(cè)貼腳高2.3 m，右側(cè)貼腳為1.8 m，末端底側(cè)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(jīng)對挑流鼻坎體型進(jìn)行多次試驗調(diào)整，最終確定的優(yōu)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(yōu)化后鼻坎末端高程不變。左邊墻末端設(shè)小貼角體，其末端底寬1.5 m，邊墻一側(cè)高2.0 m，沿邊墻長4.0 m;右邊墻末端不設(shè)貼角體，見圖2（b）。

模型試驗中原鼻坎和優(yōu)化鼻坎均選取正常蓄水位618.0 m，閘門全開狀態(tài)，模型泄水時挑流的水舌形態(tài)及落點結(jié)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(tài)呈翅狀，水舌相對較厚。左右兩側(cè)上緣挑流高而遠(yuǎn)，挑距分別約為84.1 m和90.3 m。水舌橫向擴(kuò)散較充分，最大寬度達(dá)38 m，水流落點位于河道中間，落人河道后向周圍擴(kuò)散，主流位于河道右岸。②優(yōu)化鼻坎水舌較薄。由于左側(cè)貼角體的作用，左側(cè)水舌呈縱向拉開的形態(tài)，左右側(cè)挑距分別為47.6 m和21.2m，水舌在橫向上有一定的擴(kuò)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(kuò)散，主流位于河道中間。

霧化水流的濺水區(qū)是霧化水流的暴雨中心。濺水區(qū)再往外為霧流降雨區(qū)，離濺水區(qū)越遠(yuǎn)，雨強(qiáng)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(fēng)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(kuò)散面較大，濺水左岸高程最高達(dá)564.00 m，右岸一定范圍內(nèi)高程超過567.00 m。優(yōu)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(qū)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(yōu)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(yōu)化鼻坎沖淤地形

優(yōu)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(cè)，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(cè)，最高淤積至高程543.0 m。沖刷試驗的結(jié)果有一定的隨機(jī)性，即使同一水位，兩次試驗的沖刷結(jié)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(jù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(wěn)定可供測量，測量人員完成每一個開度測量后轉(zhuǎn)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(biāo)點K，O和A 3個坐標(biāo)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(shè)全站儀，通過水舌最遠(yuǎn)落水點對準(zhǔn)右岸B1點，記錄B1點坐標(biāo);同樣的方式，觀測者將通過水舌最近落水點對準(zhǔn)右岸B2點，記錄B2點坐標(biāo)。另一位觀測者在觀測點O架設(shè)全站儀，對準(zhǔn)最上游側(cè)落水點，采集方位角∠AOC1;然后對準(zhǔn)最下游側(cè)落水點采集方位角∠AOC2。每個坐標(biāo)點和方位角采集次數(shù)不少于3次，取平均值。泄洪水舌最遠(yuǎn)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(cè)末端點，D2是鼻坎右側(cè)末端點，即線段HD1為水舌左側(cè)挑距，線段GD2為水舌右側(cè)挑距，線段HG為水舌寬度。

2.2 測量結(jié)果與分析

按上述方式對測量的坐標(biāo)點和方位角在AutoCAD上進(jìn)行放樣，繪制出優(yōu)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(cè)，和模型試驗水舌落點規(guī)律一致，這使得水舌落人河道激起的巨浪與強(qiáng)霧化區(qū)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(guī)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(jìn)一步證明了對泄洪洞挑流鼻坎體型優(yōu)化是成功的。

2.3 原鼻坎與優(yōu)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(jìn)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(yōu)化鼻坎泄洪時沖坑靠河道中心的左側(cè)，由于河道岸邊淤積體較多，優(yōu)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(guī)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(kuò)散，主落點均在河道中間區(qū)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(cè)貼腳呈挑起狀態(tài)。水舌左右側(cè)高，中間略低，水舌挑射人空中，摻氣充分，擴(kuò)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(jìn)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(cè)激起水浪，形成強(qiáng)霧化區(qū);加之受水舌風(fēng)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(yán)重影響電站進(jìn)廠道路交通，電站辦公樓無法正常使用，給旅游風(fēng)景區(qū)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(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)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(yōu)化鼻坎泄洪水舌在左側(cè)小貼腳的作用下，水舌左側(cè)較右側(cè)挑起更高更遠(yuǎn)。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(kuò)散程度降低，主落點在河道中線的左側(cè)，順河道中軸線方向擴(kuò)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(qiáng)霧化區(qū)，但該霧化區(qū)主要分布在河道范圍，對右岸的防汛進(jìn)廠道路、電站辦公樓和景區(qū)人員車輛通行影響甚微，不構(gòu)成安全威脅。

3 結(jié)論

（1）試驗達(dá)到預(yù)期效果。通過模型試驗對石門水庫泄洪洞原鼻坎和優(yōu)化鼻坎挑流消能進(jìn)行比較，更直觀地得出優(yōu)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(yōu)化鼻坎泄水對河岸和相關(guān)設(shè)施的影響較小，水流霧化情況也有明顯改善。

（2）試驗數(shù)據(jù)需要實測數(shù)據(jù)驗證。現(xiàn)場測量采用常規(guī)測量儀器經(jīng)緯儀對挑流鼻坎泄洪水舌、沖刷坑等宏觀特性進(jìn)行測量，所獲得的數(shù)據(jù)與模型試驗規(guī)律一致。該方法通用可靠，可為大多數(shù)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(yōu)化后的鼻坎泄洪對河岸的沖擊和水流霧化明顯減小，達(dá)到了工程安全運行的預(yù)期效果。

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

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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(qū)及水庫樞紐工程的設(shè)計、施工、管理等工作。E-mail： qcyycqqcy@163.com