石門水庫左岸非常泄洪洞優化調度運行研究

邱存元，謝世軍，聶抗意，何 艷，賈添鋮

(漢中市石門水庫管理局，陜西 漢中 723000)

0 概述

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(二)型水利樞紐工程[1]。水庫總庫容1.098億m3，設計灌溉農田51.5萬畝，電站裝機47.6 MW，設計年發電量1.41億kW·h。石門水庫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、左岸非常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。其中左岸非常泄洪洞是2004年水庫除險加固項目建成，2006年10月通過竣工驗收。非常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。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12.7 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，兩彎道間以縱向坡比1∶1的直線段銜接，在立面上采用龍抬頭式，上平段洞徑為6.8 m，下平段洞徑為6.0 m；隧洞出口漸變為矩形閘室段，閘底高程542.00 m，設弧形工作鋼閘門；閘門室后接出口明渠泄槽段，水平投影長28.0 m，底坡2%[2]。

1 泄洪現狀

石門水庫除險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行要求的影響，泄洪洞進水口高程較高，設計洪水時淹沒深度不夠，造成洞內出現負壓。后經調整泄洪洞進出口尺寸(修改為4.4 m×4.4 m)及泄洪洞設計斷面，根據水力學計算和設計階段水工模型試驗驗證基本達到設計要求的泄量550 m3/s。正常蓄水位618.00 m和校核洪水位619.50 m時，洞內各處均為正壓，設計洪水位615.87 m時，洞內頂部局部出現負壓，壓力值為-0.1 m水柱。當庫水位升至616.70 m時，負壓消失。由于在低水位時泄洪洞內仍有負壓存在，所以特對泄洪洞出口工作弧門開啟運行提出要求：設計洪水位615.87 m時，不允許開啟工作門；正常蓄水位618.00 m時，可以局開；校核洪水位619.50 m時，可以全開[3]。因此，泄洪洞不能在中低水位泄流，僅能在石門水庫校核洪水位投入運行，無法彌補石門水庫泄洪缺少的200 m3/s～600 m3/s泄洪流量。

石門水庫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，沿拱壩中心線對稱布置，底板高程596.00 m，單孔設計泄洪流量800 m3/s，6孔總泄量4800 m3/s；泄洪底孔布置在9號壩段下部，進口底板高程550.00 m，設計泄水流量120.0 m3/s；非常泄洪洞進口底板高程596.00 m，最大泄量為550 m3/s。河床電站進口底板高程567.00 m，最大引水流量為67.5 m3/s；東干渠進口底板高程588.5 m，最大引水流量32 m3/s。西干渠進口底板高程592.00 m，最大引水流量7 m3/s。

石門水庫主汛期泄洪的現狀分小水量泄洪和大水量泄洪兩個層次。第一個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、底孔同時泄洪，泄量為226.5 m3/s。第二個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。

石門水庫泄洪缺失226.5 m3/s～800 m3/s的泄洪流量段，而石門水庫43 a的運行，主汛期最常態的上游來水為200 m3/s～600 m3/s。目前石門水庫的運行現狀是在水庫汛限水位時，上游入庫洪水流量在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，但按目前的運行方式卻要開啟一個泄洪中孔閘門泄水，再加上底孔泄水，水庫的下泄流量近1000 m3/s，即浪費了水資源，也給下游增加了洪水壓力。同樣，當上游來水在1000 m3/s～1500 m3/s時，按要求水庫下泄流量應控制在1500 m3/s以下，而按目前的運行條件卻要開啟兩個大孔泄洪，加上底孔泄水，實際下泄流量達1800 m3/s，仍然會加大下游防洪壓力。目前石門水庫泄洪現狀常常給下游造成超過河道實際來洪的防洪壓力，存在“人造洪水”的安全隱患；另外水庫出現陡漲陡落洪水過程，水庫往往不能及時蓄上水而影響灌溉和發電效益，因此左岸非常泄洪洞未充分發揮有效的調洪泄洪作用。

2 泄洪洞水工模型試驗

在整個水流過程中，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則設計，長度比尺Lr=50。其它相關物理量的比尺見表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[2、4]。

圖1 泄洪洞模型布置

2.1 泄洪洞內水流形態

在模型試驗中可以看出隨著泄洪洞庫水位升高，流量增大，洞內依次出現三種流態：明流、過渡流和滿流流態[5]。

當庫水位低于606.2 m時，泄洪洞全開洞內全程基本為明流流態，在隧洞中部由于水流跌落及平面轉彎的作用而產生旋流流態，旋流沿管道周壁不均勻分布。隨著庫水位的升高，當泄洪洞進口還為明滿流狀態時，管內其它部位相繼出現明滿流過渡狀態，當庫水位繼續升高，洞內全程基本為明滿流過渡狀態，隧洞進口伴隨著明顯的進氣聲。當庫水位升至609.8 m時，洞內全程為滿流流態，即有壓流，進氣口挾氣聲消失。在以上三種特征工況時，泄洪洞進口水流都很平順，無旋渦出現，出口為急流流態。

2.2 泄洪洞流量的率定

通過水工模型試驗率定了泄洪洞全開、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，率定結果見圖2。由圖2可以看出，有壓流段流量隨著庫水位的升高增加較緩慢，所以關系曲線較陡，并且閘門開度越小，庫水位隨著流量的增加上升越快。全開流量系數μ根據有壓流隧洞流量計算公式計算，經計算，全開時流量系數在0.792～0.794之間。

圖2 泄洪洞閘門不同開度下庫水位和流量關系曲線

式中：μ為流量系數；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 泄洪洞運行控制標準

《水工隧洞設計規范》(SL 279-2002)規定：有壓隧洞嚴禁出現明滿流交替運行的運行方式，在最不利運行條件下，洞頂以上應有不小于2.0 m的壓力水頭[6]。在該規范的條文說明中指出，有壓洞留有2.0 m水柱的壓力余幅，是為了保證洞內為有壓流而不會出現明滿流過渡流態。

石門泄洪洞模型試驗表明，在正常運行的庫水位范圍內，即使洞頂出現較大的負壓，洞內仍不會出現明滿流過渡流態。因此對洞頂最小壓力的控制可以用不發生空蝕破壞為標準。由于洞內流速不高，水流空化數并不小，在正常的設計和施工質量情況下，不易發生空蝕破壞，因此可以用洞頂最低壓力為0作為運行控制標準。

模型試驗測算不同開度洞內壓力最低點分別為2.0 m水柱和零壓時的水位見表2。洞內最低壓力控制標準條件下庫水位和開度關系見圖3。若按規范要求，泄洪洞運行時留有2.0 m水柱的壓力余幅，從圖3中可以看出，在庫水位610.1 m以上均可以用3/4開度運行；庫水位在614.6 m以上，可以用4 m開度運行；庫水位達到621.2 m，才能夠全開運行。

圖3 庫水位和閘門開度關系曲線

表2 兩種壓力控制標準下閘門開度與庫水位的關系 單位：m

從泄洪洞優化調度運行方面綜合考慮，而且在正常運行的庫水位范圍內，洞內不會出現明滿流過渡流態。采用洞頂最低壓力為0作為運行控制標準，不僅能滿足泄洪洞安全運行的要求，而且能夠彌補石門水庫泄洪缺失226.5 m3/s～800 m3/s的泄洪流量段。將泄洪洞轉變為常態泄洪洞使其發揮泄洪效益，庫水位在612.2 m以上均可以用不大于4 m開度運行，庫水位達618.5 m時，即可全開運行。

3 結論

(1)石門水庫左岸非常泄洪洞單體水工模型試驗率定了泄洪洞全開和局開的泄流能力，觀測了泄洪洞的進口、出口流態和洞身的壓強分布。泄洪洞全開泄流能力滿足設計要求；各工況進口流態良好，進口前雖然存在漩渦，但不吸氣。

(2)通過對泄洪洞運行控制標準的分析，可采用洞頂最低壓力為0作為運行控制標準，為將非常泄洪洞轉變為常態泄洪洞提供了試驗依據。

(3)庫水位在612.2以上均可以用不大于4 m開度運行，庫水位達618.5 m時，即可全開運行。為石門水庫增加了0～550 m3/s自由開啟泄洪流量，優化了石門水庫泄洪現狀并使得泄洪洞發揮有效的調洪泄洪作用。