水工模型試驗在南溝門溢洪道設(shè)計中的應(yīng)用

張同麗

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概況

南溝門水庫樞紐工程位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，水庫壩址位于葫蘆河口上游約3 km處，距黃陵縣城約25 km，距延安市約120 km。水庫樞紐主要建筑物由攔河壩、泄洪排沙洞、溢洪道、引水發(fā)電洞、壩后電站等五部分組成。是以城鄉(xiāng)供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電的Ⅱ等大（2）型水利工程。水庫總庫容2.006億m3，正常蓄水位為848.0 m，洪水標準為100年一遇洪水設(shè)計，5000年一遇洪水校核。設(shè)計洪水位848.68 m，校核洪水位為851.02 m。水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩高63.0m,長504.4 m，壩頂寬10 m。

2 溢洪道設(shè)計

溢洪道位于左壩肩，為岸邊開敞式，由進口引水明渠、溢流堰段、泄水陡槽、出口消能段、護坦五部分組成。全長454.06 m，最大下泄流量301.1 m3/s。進口引水明渠布置成彎道形，軸線內(nèi)、外側(cè)墻與軸線采用不同的圓心和半徑，軸線轉(zhuǎn)彎半徑R42 m，內(nèi)、外側(cè)墻轉(zhuǎn)彎半徑R32.55 m；控制段堰頂高程843.0 m，堰長16.5 m，堰頂設(shè)閘門，孔口尺寸7 m×5 m；泄水陡槽采用矩型斷面，分為三段，長度分別為132.95 m、103.78 m、121.1 m,底坡分別為 0.01、0.4、0.01，斷面尺寸分別為 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，該段長13.67 m,鼻坎頂高程802.77 m，反弧半徑R23.0 m，挑射角為35.00°。

3 研究內(nèi)容

本文研究內(nèi)容如下：①溢洪道泄流能力驗證。②水面線理論計算與模型試驗對比分析。③對挑流鼻坎體型進行驗證及優(yōu)化。

4 理論計算與水工模型試驗結(jié)果對比

4.1 溢流堰泄流能力計算值與實測值對比

4.1.1 泄流能力計算

溢流堰泄流能力采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2000）附錄A.2進行計算：

流量系數(shù)m取0.45。

溢流堰水位～泄量關(guān)系見表1。

表1 溢流堰水位～泄量關(guān)系曲線表

通過與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合調(diào)洪計算得，100年一遇設(shè)計洪水位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 模型試驗成果

水工模型試驗與理論計算泄量對比如下：

表2 計算流量與實測流量對比表

從表2可知，溢洪道下泄流量實測值較設(shè)計值有一定提高，試驗流量系數(shù)達0.46，較設(shè)計流量系數(shù)0.45稍高，說明設(shè)計流量系數(shù)取值合理，泄流能力滿足要求。

4.2 泄槽水面線設(shè)計值與實測值比較

4.2.1 泄槽水面線的推求

泄槽水面線的推求采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2000）附錄A.3的A.3.1能量方程，計算公式如下：

4.2.2 溢洪道摻氣水深按下式計算

ζ為修正系數(shù)，一般取1.0～1.4s/m。當v＜20 m/s時ζ取1.1。當 v＞20 m/s時 ζ取 1.3。

校核洪水位各斷面水深及摻氣水深計算見表3。

表3 泄槽水面線和摻氣水深計算成果表（Q=301.1m3/s）

4.2.3 彎道段最大橫向水面計算

彎道段最大橫向水面計算采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2000）附錄A.3.4-4公式計算，式中：b為彎道寬度，取7 m；r0為彎道中心曲率半徑，取100 m；彎道段最大流速為12.03 m3/s，計算得彎道段最大橫向水面差為1.0 m。

根據(jù)彎道段橫向水面差計算，設(shè)計做了彎道段底板橫向水平和橫向傾斜兩種方案。

彎道段底板橫向水平校核洪水情況下溢洪道水工模型試驗水面線成果見表4。

表4 校核洪水溢洪道沿程兩邊墻水深量測表

4.2.4 模型試驗結(jié)果

模型試驗結(jié)果顯示，當彎道底板設(shè)橫向比降時彎道段前部水面差相對減少，流態(tài)較水平底板變好，但至彎道段后部，水面差值有所增大，至第二直線段、拋物線段及陡坡段，可明顯觀察到水流沖擊波的存在，相對于平底彎道段而言，該部位水流流態(tài)明顯變差。因此在底坡較小，流速不大情況下，底板采用橫向水平形式，可保證彎道后部、第二直線段、拋物線段及陡坡段的水流流態(tài)。

由表4可知，泄槽段摻氣水深在上平流段，沿左邊墻為4.52 m～5.48 m，沿右邊墻為3.85 m～4.89 m，水深最大在水平彎道外側(cè)處為5.48 m，即原設(shè)計邊墻高度5.0 m不滿足最小安全超高0.5 m要求，設(shè)計將上平流段側(cè)墻高度改為5.5 m，其中彎道段外側(cè)側(cè)墻高度改為6.5 m。拋物線段沿左邊墻為4.29 m～4.31 m，沿右邊墻為3.33 m～433 m，拋物線末端原設(shè)計側(cè)墻高度4.3 m不滿足要求，設(shè)計改為5.0m。陡坡段沿左邊墻為2.57m～3.60m，沿右邊墻為2.80 m～3.61m，原設(shè)計側(cè)墻高度4.3m～3.8 m不滿足要求，設(shè)計改為5.0 m～4.0 m。下平流段沿左邊墻為2.47 m～3.42 m，沿右邊墻為2.74m～3.00 m，原設(shè)計邊墻高度3.8 m不滿足要求，設(shè)計改為4.0 m。水工模型試驗實測水面成果對泄槽側(cè)墻高度設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

4.3 對挑流鼻坎體型進行驗證及優(yōu)化

4.3.1 挑流鼻坎設(shè)計與計算

鼻坎采用異型斜鼻坎,該段長13.67m，鼻坎頂高程802.77m，反弧半徑R=23.0 m，挑射角為35.00°，挑流鼻坎體型見圖2、圖3。

圖2 優(yōu)化前挑流鼻坎平面設(shè)計圖

圖3 優(yōu)化前挑流鼻坎縱剖面設(shè)計圖

挑流鼻坎水力計算：

①挑距計算

水舌挑距按水舌外緣計算，計算公式如下：

t=kq1/2h1/4

計算得，50年設(shè)計洪水時，最大挑距為53.4 m，沖坑深度13.5 m；5000年校核洪水時，最大挑距為76.2 m，沖坑深度21.6 m。《根據(jù)混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（DL5108-1999）有關(guān)規(guī)定，沖刷坑最低點距壩址的距離應(yīng)大于3倍坑深，本溢洪道沖刷坑最低點距挑流鼻坎末端距離為53.4/13.5=3.96、76.2/21.6=3.53倍坑深，根據(jù)計算結(jié)果可看出，挑射水流距壩腳及鼻坎較遠，沖坑深度不大，不會影響大壩及挑坎基礎(chǔ)安全。且鼻坎采用異型斜鼻坎，將水流挑射至河床，不會對岸坡造成大的影響。

4.3.2 模型試驗驗證及優(yōu)化

模型試驗測原設(shè)計方案挑流鼻坎當水流起挑后挑射水流擊打左岸岸坡，對岸坡造成較強烈沖刷，而在小流量泄流（未起挑）時，水躍位置隨著流量減小不斷上移，最大水深較長范圍內(nèi)超過6 m，超過原設(shè)計邊墻高度3.8 m較多。從試驗中觀察到的現(xiàn)象看，挑流鼻坎外邊墻半徑必須減小，讓水舌射向河床中部，遠離左岸岸坡，試驗對挑流鼻坎進行修改，分別做了外邊墻半徑45、42、40 m三種情況，通過對比確定外半徑為42 m，圓心角46.487°的邊墻布置形式，水流歸槽流態(tài)較為理想，為了不讓下平流段產(chǎn)生較大水躍，底板高程采用水平和下平流段泄槽銜接；水流起挑后內(nèi)邊墻不起主導(dǎo)作用，故內(nèi)半徑采用35 m，圓心角37.464°的同心圓布置形式，使得挑坎泄槽寬度保持不變；為了讓水舌小流量時不沖刷岸坡，挑坎末端盡可能向岸邊布置；由于挑坎內(nèi)彎道水流的作用，在挑坎外側(cè)加設(shè)了4 m高和6 m高的貼角，通過流態(tài)觀測，6 m貼角高度優(yōu)于4 m貼角高度，最終確定設(shè)計采用6 m高的貼角；為了不讓下平流段產(chǎn)生較大水躍，試驗時在挑坎出口斷面內(nèi)側(cè)留不同寬度缺口，經(jīng)過對不同寬度缺口不同流量的流態(tài)試驗分析，最終確定留1/3的平底缺口，貼角占出口寬度的2/3；貼角從挑坎斷面開始，底曲線采用半徑42 m、圓心角42.537°的圓弧曲線，貼角的頂曲線從挑坎斷面開始至出口斷面，通過螺旋線升至6 m。試驗將下平流段減少20 m，將挑流鼻坎上移20 m，以避開挑流鼻坎受左岸沖溝水流的沖刷。

模型試驗優(yōu)化后挑流鼻坎見圖4。

圖4 優(yōu)化后挑流鼻坎平面設(shè)計圖

圖5 優(yōu)化后挑流鼻坎縱剖面設(shè)計圖

5 結(jié)論

1）水工模型試驗驗證了在各種工況下溢流堰實測流量均稍大于計算流量，說明溢流堰泄流能力滿足要求。

2）對溢洪道泄槽段側(cè)墻高度的設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)，驗證了泄槽流速分布較合理，整體流態(tài)平穩(wěn)、順暢。

3）對挑流鼻坎進行了優(yōu)化，有效地解決了原設(shè)計鼻坎存在問題，減小了下泄水流對岸坡造成的強烈沖刷。

水工模型試驗對水利工程中各類建筑物水力學(xué)問題的解決與優(yōu)化具有重要作用，是工程設(shè)計和運行提供科學(xué)依據(jù)的研究方法，在設(shè)計中應(yīng)注重模型試驗的結(jié)果與應(yīng)用。