石门水库左岸非常泄洪洞优化调度运行研究

2021-04-12邱存元谢世军聂抗意贾添铖

陕西水利 2021年1期

邱存元，谢世军，聂抗意，何艳，贾添铖

(汉中市石门水库管理局，陕西汉中 723000)

0 概述

石门水库位于陕西省汉中市汉江上游支流褒河峡谷出口以上1.8 km，距下游河东店镇3 km，南到汉中市18 km，是以灌溉为主、结合发电、城市供水，兼顾防洪等综合利用的大(二)型水利枢纽工程[1]。水库总库容1.098亿m3，设计灌溉农田51.5万亩，电站装机47.6 MW，设计年发电量1.41亿kW·h。石门水库1969年10月动工兴建，1972年4月下闸蓄水，1983年建成，设计水位618.0 m，校核洪水位619.5 m。

水库枢纽由混凝土拱坝、泄洪中孔、泄洪底孔、河床电站、东西干渠引水渠首、下游反调节池、南干渠首、左岸非常泄洪洞等建筑物组成。主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。其中左岸非常泄洪洞是2004年水库除险加固项目建成，2006年10月通过竣工验收。非常泄洪洞由进口引水明渠段、进水口段(进水塔段)、有压隧洞段、出口闸室段、出口明渠泄槽段组成，全长511.438 m。引水明渠段长29.11 m，底板顶高程596.00 m；进水口段为喇叭口，顺水流向长12.7 m；进水口后接变洞径圆形有压隧洞，洞身段水平投影总长419.628 m，在整个平面上设两个弯道，两弯道间以纵向坡比1∶1的直线段衔接，在立面上采用龙抬头式，上平段洞径为6.8 m，下平段洞径为6.0 m；隧洞出口渐变为矩形闸室段，闸底高程542.00 m，设弧形工作钢闸门；闸门室后接出口明渠泄槽段，水平投影长28.0 m，底坡2%[2]。

1 泄洪现状

石门水库除险加固工程新建的左岸非常泄洪洞布置因受地形及相邻枢纽建筑物运行要求的影响，泄洪洞进水口高程较高，设计洪水时淹没深度不够，造成洞内出现负压。后经调整泄洪洞进出口尺寸(修改为4.4 m×4.4 m)及泄洪洞设计断面，根据水力学计算和设计阶段水工模型试验验证基本达到设计要求的泄量550 m3/s。正常蓄水位618.00 m和校核洪水位619.50 m时，洞内各处均为正压，设计洪水位615.87 m时，洞内顶部局部出现负压，压力值为-0.1 m水柱。当库水位升至616.70 m时，负压消失。由于在低水位时泄洪洞内仍有负压存在，所以特对泄洪洞出口工作弧门开启运行提出要求：设计洪水位615.87 m时，不允许开启工作门；正常蓄水位618.00 m时，可以局开；校核洪水位619.50 m时，可以全开[3]。因此，泄洪洞不能在中低水位泄流，仅能在石门水库校核洪水位投入运行，无法弥补石门水库泄洪缺少的200 m3/s～600 m3/s泄洪流量。

石门水库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组成，引水建筑物由河床电站、东干渠、西干渠组成。泄洪中孔为6孔，沿拱坝中心线对称布置，底板高程596.00 m，单孔设计泄洪流量800 m3/s，6孔总泄量4800 m3/s；泄洪底孔布置在9号坝段下部，进口底板高程550.00 m，设计泄水流量120.0 m3/s；非常泄洪洞进口底板高程596.00 m，最大泄量为550 m3/s。河床电站进口底板高程567.00 m，最大引水流量为67.5 m3/s；东干渠进口底板高程588.5 m，最大引水流量32 m3/s。西干渠进口底板高程592.00 m，最大引水流量7 m3/s。

石门水库主汛期泄洪的现状分小水量泄洪和大水量泄洪两个层次。第一个层次小流量泄洪下限为西干渠引水，泄量7 m3/s；上限为西干渠、东干渠、河床电站、底孔同时泄洪，泄量为226.5 m3/s。第二个层次小流量泄洪下限为开启1孔中孔闸门，最小泄量为800 m3/s；上限为泄洪中孔6孔、泄洪洞、底孔、河床电站、东干渠、西干渠全开泄洪，最大泄量为5576.5 m3/s。

石门水库泄洪缺失226.5 m3/s～800 m3/s的泄洪流量段，而石门水库43 a的运行，主汛期最常态的上游来水为200 m3/s～600 m3/s。目前石门水库的运行现状是在水库汛限水位时，上游入库洪水流量在200 m3/s～600 m3/s，按要求只需要下泄200 m3/s～600 m3/s之间的流量，但按目前的运行方式却要开启一个泄洪中孔闸门泄水，再加上底孔泄水，水库的下泄流量近1000 m3/s，即浪费了水资源，也给下游增加了洪水压力。同样，当上游来水在1000 m3/s～1500 m3/s时，按要求水库下泄流量应控制在1500 m3/s以下，而按目前的运行条件却要开启两个大孔泄洪，加上底孔泄水，实际下泄流量达1800 m3/s，仍然会加大下游防洪压力。目前石门水库泄洪现状常常给下游造成超过河道实际来洪的防洪压力，存在“人造洪水”的安全隐患；另外水库出现陡涨陡落洪水过程，水库往往不能及时蓄上水而影响灌溉和发电效益，因此左岸非常泄洪洞未充分发挥有效的调洪泄洪作用。

2 泄洪洞水工模型试验

在整个水流过程中，粘滞力与其惯性力都比较小，重力始终起主要作用，故该模型按重力相似准则设计，长度比尺Lr=50。其它相关物理量的比尺见表1。

表1 模型比尺

该泄洪洞模型见图1，采用有机玻璃制作，在制作过程中用经纬仪对泄洪洞轴线进行定位，保证其轴线位置不变[2、4]。

图1 泄洪洞模型布置

2.1 泄洪洞内水流形态

在模型试验中可以看出随着泄洪洞库水位升高，流量增大，洞内依次出现三种流态：明流、过渡流和满流流态[5]。

当库水位低于606.2 m时，泄洪洞全开洞内全程基本为明流流态，在隧洞中部由于水流跌落及平面转弯的作用而产生旋流流态，旋流沿管道周壁不均匀分布。随着库水位的升高，当泄洪洞进口还为明满流状态时，管内其它部位相继出现明满流过渡状态，当库水位继续升高，洞内全程基本为明满流过渡状态，隧洞进口伴随着明显的进气声。当库水位升至609.8 m时，洞内全程为满流流态，即有压流，进气口挟气声消失。在以上三种特征工况时，泄洪洞进口水流都很平顺，无旋涡出现，出口为急流流态。

2.2 泄洪洞流量的率定

通过水工模型试验率定了泄洪洞全开、局开(4 m开度、7/8开度、3/4开度、1/2开度、1/4开度)的泄流能力，率定结果见图2。由图2可以看出，有压流段流量随着库水位的升高增加较缓慢，所以关系曲线较陡，并且闸门开度越小，库水位随着流量的增加上升越快。全开流量系数μ根据有压流隧洞流量计算公式计算，经计算，全开时流量系数在0.792～0.794之间。

图2 泄洪洞闸门不同开度下库水位和流量关系曲线

式中：μ为流量系数；Q为流量，m3/s；ω为出口断面面积，m2；h为上游水面与隧洞出口底板高程差；D为隧洞出口高度。

2.3 泄洪洞运行控制标准

《水工隧洞设计规范》(SL 279-2002)规定：有压隧洞严禁出现明满流交替运行的运行方式，在最不利运行条件下，洞顶以上应有不小于2.0 m的压力水头[6]。在该规范的条文说明中指出，有压洞留有2.0 m水柱的压力余幅，是为了保证洞内为有压流而不会出现明满流过渡流态。

石门泄洪洞模型试验表明，在正常运行的库水位范围内，即使洞顶出现较大的负压，洞内仍不会出现明满流过渡流态。因此对洞顶最小压力的控制可以用不发生空蚀破坏为标准。由于洞内流速不高，水流空化数并不小，在正常的设计和施工质量情况下，不易发生空蚀破坏，因此可以用洞顶最低压力为0作为运行控制标准。

模型试验测算不同开度洞内压力最低点分别为2.0 m水柱和零压时的水位见表2。洞内最低压力控制标准条件下库水位和开度关系见图3。若按规范要求，泄洪洞运行时留有2.0 m水柱的压力余幅，从图3中可以看出，在库水位610.1 m以上均可以用3/4开度运行；库水位在614.6 m以上，可以用4 m开度运行；库水位达到621.2 m，才能够全开运行。

图3 库水位和闸门开度关系曲线

表2 两种压力控制标准下闸门开度与库水位的关系单位：m

从泄洪洞优化调度运行方面综合考虑，而且在正常运行的库水位范围内，洞内不会出现明满流过渡流态。采用洞顶最低压力为0作为运行控制标准，不仅能满足泄洪洞安全运行的要求，而且能够弥补石门水库泄洪缺失226.5 m3/s～800 m3/s的泄洪流量段。将泄洪洞转变为常态泄洪洞使其发挥泄洪效益，库水位在612.2 m以上均可以用不大于4 m开度运行，库水位达618.5 m时，即可全开运行。