水工模型试验在南沟门溢洪道设计中的应用

张同丽

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 工程概况

南沟门水库枢纽工程位于陕西省延安市黄陵县境内，水库坝址位于葫芦河口上游约3 km处，距黄陵县城约25 km，距延安市约120 km。水库枢纽主要建筑物由拦河坝、泄洪排沙洞、溢洪道、引水发电洞、坝后电站等五部分组成。是以城乡供水、灌溉为主，兼顾发电的Ⅱ等大（2）型水利工程。水库总库容2.006亿m3，正常蓄水位为848.0 m，洪水标准为100年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核。设计洪水位848.68 m，校核洪水位为851.02 m。水库大坝为均质土坝，坝高63.0m,长504.4 m，坝顶宽10 m。

2 溢洪道设计

溢洪道位于左坝肩，为岸边开敞式，由进口引水明渠、溢流堰段、泄水陡槽、出口消能段、护坦五部分组成。全长454.06 m，最大下泄流量301.1 m3/s。进口引水明渠布置成弯道形，轴线内、外侧墙与轴线采用不同的圆心和半径，轴线转弯半径R42 m，内、外侧墙转弯半径R32.55 m；控制段堰顶高程843.0 m，堰长16.5 m，堰顶设闸门，孔口尺寸7 m×5 m；泄水陡槽采用矩型断面，分为三段，长度分别为132.95 m、103.78 m、121.1 m,底坡分别为 0.01、0.4、0.01，断面尺寸分别为 7 m×5 m、7 m×5 m～7×3.8 m、7 m×3.8 m；消能段采用挑流消能，该段长13.67 m,鼻坎顶高程802.77 m，反弧半径R23.0 m，挑射角为35.00°。

3 研究内容

本文研究内容如下：①溢洪道泄流能力验证。②水面线理论计算与模型试验对比分析。③对挑流鼻坎体型进行验证及优化。

4 理论计算与水工模型试验结果对比

4.1 溢流堰泄流能力计算值与实测值对比

4.1.1 泄流能力计算

溢流堰泄流能力采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）附录A.2进行计算：

流量系数m取0.45。

溢流堰水位～泄量关系见表1。

表1 溢流堰水位～泄量关系曲线表

通过与导流泄洪洞联合调洪计算得，100年一遇设计洪水位848.68 m，下泄流量179.4 m3/s；5000年一遇校核洪水位851.02 m，下泄流量301.1 m3/s。

4.1.2 模型试验成果

水工模型试验与理论计算泄量对比如下：

表2 计算流量与实测流量对比表

从表2可知，溢洪道下泄流量实测值较设计值有一定提高，试验流量系数达0.46，较设计流量系数0.45稍高，说明设计流量系数取值合理，泄流能力满足要求。

4.2 泄槽水面线设计值与实测值比较

4.2.1 泄槽水面线的推求

泄槽水面线的推求采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）附录A.3的A.3.1能量方程，计算公式如下：

4.2.2 溢洪道掺气水深按下式计算

ζ为修正系数，一般取1.0～1.4s/m。当v＜20 m/s时ζ取1.1。当 v＞20 m/s时 ζ取 1.3。

校核洪水位各断面水深及掺气水深计算见表3。

表3 泄槽水面线和掺气水深计算成果表（Q=301.1m3/s）

4.2.3 弯道段最大横向水面计算

弯道段最大横向水面计算采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）附录A.3.4-4公式计算，式中：b为弯道宽度，取7 m；r0为弯道中心曲率半径，取100 m；弯道段最大流速为12.03 m3/s，计算得弯道段最大横向水面差为1.0 m。

根据弯道段横向水面差计算，设计做了弯道段底板横向水平和横向倾斜两种方案。

弯道段底板横向水平校核洪水情况下溢洪道水工模型试验水面线成果见表4。

表4 校核洪水溢洪道沿程两边墙水深量测表

4.2.4 模型试验结果

模型试验结果显示，当弯道底板设横向比降时弯道段前部水面差相对减少，流态较水平底板变好，但至弯道段后部，水面差值有所增大，至第二直线段、抛物线段及陡坡段，可明显观察到水流冲击波的存在，相对于平底弯道段而言，该部位水流流态明显变差。因此在底坡较小，流速不大情况下，底板采用横向水平形式，可保证弯道后部、第二直线段、抛物线段及陡坡段的水流流态。

由表4可知，泄槽段掺气水深在上平流段，沿左边墙为4.52 m～5.48 m，沿右边墙为3.85 m～4.89 m，水深最大在水平弯道外侧处为5.48 m，即原设计边墙高度5.0 m不满足最小安全超高0.5 m要求，设计将上平流段侧墙高度改为5.5 m，其中弯道段外侧侧墙高度改为6.5 m。抛物线段沿左边墙为4.29 m～4.31 m，沿右边墙为3.33 m～433 m，抛物线末端原设计侧墙高度4.3 m不满足要求，设计改为5.0m。陡坡段沿左边墙为2.57m～3.60m，沿右边墙为2.80 m～3.61m，原设计侧墙高度4.3m～3.8 m不满足要求，设计改为5.0 m～4.0 m。下平流段沿左边墙为2.47 m～3.42 m，沿右边墙为2.74m～3.00 m，原设计边墙高度3.8 m不满足要求，设计改为4.0 m。水工模型试验实测水面成果对泄槽侧墙高度设计提供了科学依据。

4.3 对挑流鼻坎体型进行验证及优化

4.3.1 挑流鼻坎设计与计算

鼻坎采用异型斜鼻坎,该段长13.67m，鼻坎顶高程802.77m，反弧半径R=23.0 m，挑射角为35.00°，挑流鼻坎体型见图2、图3。

图2 优化前挑流鼻坎平面设计图

图3 优化前挑流鼻坎纵剖面设计图

挑流鼻坎水力计算：

①挑距计算

水舌挑距按水舌外缘计算，计算公式如下：

t=kq1/2h1/4

计算得，50年设计洪水时，最大挑距为53.4 m，冲坑深度13.5 m；5000年校核洪水时，最大挑距为76.2 m，冲坑深度21.6 m。《根据混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）有关规定，冲刷坑最低点距坝址的距离应大于3倍坑深，本溢洪道冲刷坑最低点距挑流鼻坎末端距离为53.4/13.5=3.96、76.2/21.6=3.53倍坑深，根据计算结果可看出，挑射水流距坝脚及鼻坎较远，冲坑深度不大，不会影响大坝及挑坎基础安全。且鼻坎采用异型斜鼻坎，将水流挑射至河床，不会对岸坡造成大的影响。

4.3.2 模型试验验证及优化

模型试验测原设计方案挑流鼻坎当水流起挑后挑射水流击打左岸岸坡，对岸坡造成较强烈冲刷，而在小流量泄流（未起挑）时，水跃位置随着流量减小不断上移，最大水深较长范围内超过6 m，超过原设计边墙高度3.8 m较多。从试验中观察到的现象看，挑流鼻坎外边墙半径必须减小，让水舌射向河床中部，远离左岸岸坡，试验对挑流鼻坎进行修改，分别做了外边墙半径45、42、40 m三种情况，通过对比确定外半径为42 m，圆心角46.487°的边墙布置形式，水流归槽流态较为理想，为了不让下平流段产生较大水跃，底板高程采用水平和下平流段泄槽衔接；水流起挑后内边墙不起主导作用，故内半径采用35 m，圆心角37.464°的同心圆布置形式，使得挑坎泄槽宽度保持不变；为了让水舌小流量时不冲刷岸坡，挑坎末端尽可能向岸边布置；由于挑坎内弯道水流的作用，在挑坎外侧加设了4 m高和6 m高的贴角，通过流态观测，6 m贴角高度优于4 m贴角高度，最终确定设计采用6 m高的贴角；为了不让下平流段产生较大水跃，试验时在挑坎出口断面内侧留不同宽度缺口，经过对不同宽度缺口不同流量的流态试验分析，最终确定留1/3的平底缺口，贴角占出口宽度的2/3；贴角从挑坎断面开始，底曲线采用半径42 m、圆心角42.537°的圆弧曲线，贴角的顶曲线从挑坎断面开始至出口断面，通过螺旋线升至6 m。试验将下平流段减少20 m，将挑流鼻坎上移20 m，以避开挑流鼻坎受左岸冲沟水流的冲刷。

模型试验优化后挑流鼻坎见图4。

图4 优化后挑流鼻坎平面设计图

图5 优化后挑流鼻坎纵剖面设计图

5 结论

1）水工模型试验验证了在各种工况下溢流堰实测流量均稍大于计算流量，说明溢流堰泄流能力满足要求。

2）对溢洪道泄槽段侧墙高度的设计提供了科学依据，验证了泄槽流速分布较合理，整体流态平稳、顺畅。

3）对挑流鼻坎进行了优化，有效地解决了原设计鼻坎存在问题，减小了下泄水流对岸坡造成的强烈冲刷。

水工模型试验对水利工程中各类建筑物水力学问题的解决与优化具有重要作用，是工程设计和运行提供科学依据的研究方法，在设计中应注重模型试验的结果与应用。