石门水库左岸泄洪洞挑流鼻坎优化试验研究

邱存元 谢世军 聂抗意

摘要：为了解决石门水库左岸泄洪洞泄水时雾化严重问题，开展了水工模型试验研究，对原挑流鼻坎进行优化，确定了单边左侧小贴脚优化鼻坎体型。通过对挑流鼻坎泄水试验的原型观测，对优化鼻坎水舌进行了宏观特性测量。测量发现：原型试验观测与模型试验呈现规律基本一致，即水舌宽度随着泄水流量的增加而增加。优化鼻坎加大了水流在横向的能量分散，减小了水舌对河道的冲刷，水舌的挑距、溅水范围和高程均小于原鼻坎水舌。试验研究表明：两种挑流鼻坎体型都具有良好消能防冲效果，但优化鼻坎泄水雾化情况较原鼻坎泄水有明显改善。该试验研究成果可为同类泄洪洞挑流鼻坎优化改造提供参考。

关键词：挑流鼻坎;挑流水舌;水工试验;原型观测;优化设计;石门水库;陕西省

中图法分类号：TV653.3

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.011

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（2）型水利枢纽工程[1]。水库总库容1.098亿m3，设计灌溉农田3.43万hm2（51.5万亩），电站装机44.73 MW，设计年发电量1.21亿kW.h/a。石门水库于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，左岸泄洪洞是在2004年水库除险加固项目中建成，2006年10月通过竣工验收。左岸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（见图1）。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12.70 m，底板高程596.00 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，在立面上采用龙抬头式，龙抬头上平段直径为6.8 m，下平段直径为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;闸后接出口明渠泄槽段，水平投影长28.00 m，底坡2%，采用挑流消能方式。泄槽为矩形断面，底宽由4.400 m扩大为10.285 m.相应的槽高由11.306 m降至9.704 m，边墙平面上呈圆弧形，圆弧半径134.67 m。泄槽出口采用扩散型不对称贴角挑流鼻坎。左岸泄洪洞在泄洪时，出口水舌挑流落人下游河道，雾化严重，致使坝后石门水电站进厂道路通行阻断，位于泄洪洞出口对岸的电站办公楼也无法使用。

1 模型试验

1.1 模型设计与制作

考虑到在整个水流过程中，黏滞力与惯性力均较小，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[2-3]。该泄洪洞模型采用有机玻璃制作，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。

1.2 原鼻坎与优化鼻坎模型试验对比

原鼻坎采取不对称的双面贴脚，左侧贴脚高2.3 m，右侧贴脚为1.8 m，末端底侧宽2.8 m，沿边墙长5.55 m，坡度为2 %的底板，其下游底板为与之相切的圆弧，鼻坎末端宽10.286 m，高程为543.296 m，见图2（a）。经对挑流鼻坎体型进行多次试验调整，最终确定的优化鼻坎体型为两边墙不变，鼻坎底坡由圆弧改为6。挑角的斜坡，其下游底板为与之相切的平面。鼻坎最末端高程为543.296 m，优化后鼻坎末端高程不变。左边墙末端设小贴角体，其末端底宽1.5 m，边墙一侧高2.0 m，沿边墙长4.0 m;右边墙末端不设贴角体，见图2（b）。

模型试验中原鼻坎和优化鼻坎均选取正常蓄水位618.0 m，闸门全开状态，模型泄水时挑流的水舌形态及落点结果见图3，模型试验水舌宏观特性见表1。从图3可以看到：①原鼻坎水舌形态呈翅状，水舌相对较厚。左右两侧上缘挑流高而远，挑距分别约为84.1 m和90.3 m。水舌横向扩散较充分，最大宽度达38 m，水流落点位于河道中间，落人河道后向周围扩散，主流位于河道右岸。②优化鼻坎水舌较薄。由于左侧贴角体的作用，左侧水舌呈纵向拉开的形态，左右侧挑距分别为47.6 m和21.2m，水舌在横向上有一定的扩散，横向最大宽度约为18 m。水流落点位于河道中间偏左岸，落人河道后向周围扩散，主流位于河道中间。

雾化水流的溅水区是雾化水流的暴雨中心。溅水区再往外为雾流降雨区，离溅水区越远，雨强越小[4-6]。从原鼻坎泄洪溅水范围来看，石门水电站办公楼位于溅水边缘附近，受水舌风和右岸地形的作用，部分雾流降雨向下游移动，使其受到泄洪水流雾化的不利影响。从泄洪两岸溅水平面范围和高程来看，原鼻坎泄洪水舌挑距和扩散面较大，溅水左岸高程最高达564.00 m，右岸一定范圍内高程超过567.00 m。优化后的鼻坎泄洪水舌溅水范围较小，高度明显降低，右岸最高溅水高程仅553.50 m，溅水高度基本都控制在景区西线道路路面高程以下，绝大部分雾化降雨落于河道。因此，优化鼻坎大幅减轻了挑流水舌冲击对岸坡的不利影响，泄洪水流雾化情况也较原鼻坎泄洪有明显改善。

1.3 模型试验优化鼻坎冲淤地形

优化鼻坎在正常蓄水位618.0 m全开工况下，下游冲淤地形见图4。冲坑位于河道左侧，坑底较平坦，最深冲刷至高程532.0 m，冲深7.0 m（以铺砂高程539.0 m计算）。淤积体位于河道中部和右侧，最高淤积至高程543.0 m。冲刷试验的结果有一定的随机性，即使同一水位，两次试验的冲刷结果也不一定完全相同。

2 泄水试验原型观测

2.1 全站仪测量水舌方法

根据石门水库安全运行要求，本次原型观测采用618 m和615 m两个水位进行泄水试验。库水位高程618 m选择50%（2.2 m）开度和100% （4.4 m）开度进行泄水测量;库水位高程615 m选择25%（1.1 m）开度，50% （2.2 m），75% （3.3 m）和90.9%（4.0 m）开度进行泄水试验。泄洪洞泄水时，按照闸门开度由小变大依次开启，每个开度开启后停留30min，保证水流稳定可供测量，测量人员完成每一个开度测量后转为下一个闸门开启度测量。

图5为观测平面布置图，泄洪洞出口与褒河河道轴线夹角α为31°，挑流水舌与河道水流形成锐角相交。已知固定坐标点K，O和A 3个坐标点，K点为河道左岸边坡的观测点，O为泄洪闸室前观测点，A点为泄洪洞中轴线右岸坡控制点;直线OA为泄洪洞出口中心线。观测者在观测点K架设全站仪，通过水舌最远落水点对准右岸B1点，记录B1点坐标;同样的方式，观测者将通过水舌最近落水点对准右岸B2点，记录B2点坐标。另一位观测者在观测点O架设全站仪，对准最上游侧落水点，采集方位角∠AOC1;然后对准最下游侧落水点采集方位角∠AOC2。每个坐标点和方位角采集次数不少于3次，取平均值。泄洪水舌最远落水点H即为直线KBi和方位线OCi的交点，最近落水点G即为直线KB2和方位线OC2的交点。D1是鼻坎左侧末端点，D2是鼻坎右侧末端点，即线段HD1为水舌左侧挑距，线段GD2为水舌右侧挑距，线段HG为水舌宽度。

2.2 测量结果与分析

按上述方式对测量的坐标点和方位角在AutoCAD上进行放样，绘制出优化鼻坎泄洪水舌范围图（见图6）。不同库水位，不同开度的水舌主落点均在河道左侧，和模型试验水舌落点规律一致，这使得水舌落人河道激起的巨浪与强雾化区位于河道中部，有利于消除水舌雾化对右岸道路及电站办公楼的影响。

在图上量测出不同库水位和闸门开启高度下水舌挑距与水舌宽度，见表2。从表中可以看出，水舌宽度随着闸门开启高度的增加而增加。对比表1模型试验水舌宏观特性，这一规律具有一致性。水舌宽度随着泄流量增加而增加，加大了泄洪水流在横向的能量分散，减小了水舌对河道的冲刷，进一步证明了对泄洪洞挑流鼻坎体型优化是成功的。

2.3 原鼻坎与优化鼻坎下游冲刷对比分析

在库水位高程618m时，弧形闸门全开泄水后，利用全站仪对河道冲淤地形进行了测量，如图7所示。从图中可以看出：原鼻坎泄洪时冲坑位于河道中间，冲坑范围广，坑底较平坦，最深沖刷至高程536.01 m，冲刷深度1.90 m。优化鼻坎泄洪时冲坑靠河道中心的左侧，由于河道岸边淤积体较多，优化鼻坎泄洪的冲坑范围窄且深，冲坑深度2.60 m。原型的冲坑位置和泄洪时的水舌落点均与模型试验规律一致。

2.4 水舌消能与雾化对比分析

图8和图9为两种鼻坎在库水位高程618 m时，弧形闸门全开情况下的泄洪洞水舌状况。两种鼻坎挑起的水舌均有不同程度的扩散，主落点均在河道中间区域，从消能方面看，两种鼻坎体型都是合理的。

从图8可以看出，原鼻坎挑流水舌较厚，呈翅状，鼻坎两侧贴脚呈挑起状态。水舌左右侧高，中间略低，水舌挑射人空中，掺气充分，扩散的水舌主落点在河道中间，落点较好。若仅从消能方面看，原鼻坎体型也是合理的，不需要进行改造;但从水舌雾化方面看，原鼻坎挑射的水舌下跌至河床时，在河道右侧激起水浪，形成强雾化区;加之受水舌风的影响，位于河道右岸的防汛道路、电站办公楼及山坡被水雾充满。水雾严重影响电站进厂道路交通，电站办公楼无法正常使用，给旅游风景区的正常运行及人车通行带来极大不便和安全隐患。

通过水工模型试验对原鼻坎的体型进行优化，现状鼻坎在弧形闸门全开时观测挑流水舌形状见图9。由图9可以看出优化鼻坎泄洪水舌在左侧小贴脚的作用下，水舌左侧较右侧挑起更高更远。鼻坎底坡由圆弧改为斜坡，坡脚变小，水舌挑距较原鼻坎水舌挑距减小，扩散程度降低，主落点在河道中线的左侧，顺河道中轴线方向扩散，并在河道中线处激起水跃;水流在河道中间翻滚消能，形成强雾化区，但该雾化区主要分布在河道范围，对右岸的防汛进厂道路、电站办公楼和景区人员车辆通行影响甚微，不构成安全威胁。

3 结论

（1）试验达到预期效果。通过模型试验对石门水库泄洪洞原鼻坎和优化鼻坎挑流消能进行比较，更直观地得出优化鼻坎泄洪水舌挑距、溅水范围和高程均小于原鼻坎泄洪水舌;优化鼻坎泄水对河岸和相关设施的影响较小，水流雾化情况也有明显改善。

（2）试验数据需要实测数据验证。现场测量采用常规测量仪器经纬仪对挑流鼻坎泄洪水舌、冲刷坑等宏观特性进行测量，所获得的数据与模型试验规律一致。该方法通用可靠，可为大多数基层水利单位提供借鉴。

（3）虽然两种鼻坎体型泄水消能效果良好，但通过原型试验观测，优化后的鼻坎泄洪对河岸的冲击和水流雾化明显减小，达到了工程安全运行的预期效果。

该试验进一步说明了水工模型试验研究在解决和优化水工建筑物水力学问题，尤其是保障水利工程安全运行方面有着重要作用。

参考文献：

[1]赵克玉，蓝俊东，汤建斌，石门水库排沙减淤技术研究[J].水资源与水工程学报，2006（5）：46-49.

[2] SL155-2012水工（常规）模型试验规范[S].

[3]SL 279-2002水工隧洞设计规范[S].

[4] 梁在潮.雾化水流溅水区的分析和计算[J].长江科学院院报，1996（1）：239.

[5]朱雅琴，张法星，许唯临.舌形挑流鼻坎水力特性研究[J].科学技术与工程，2004（5）：397-402，408.

[6]刘斌，刁明军，赵静，等.溢洪道贴角斜挑坎挑流水舌水力特性研究[J]西南民族大学学报（自然科学版），2016，42（5）：573-581.

（编辑：李晓濛）

作者简介：邱存元，男，高级工程师，主要从事灌区及水库枢纽工程的设计、施工、管理等工作。E-mail： qcyycqqcy@163.com