寧?？h西林水庫溢洪道水工模型試驗研究

魏立峰，周 健

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315192)

1 工程概況

西林水庫位于浙江省寧波市寧?？h，擴容后水庫總庫容為1365萬m3，工程等別為Ⅲ等，中型水庫［1］。該工程采用面板堆石壩加高壩體的方式進行擴容，壩軸線位于老壩軸線下游65.73m，趾板位于老壩軸線附近;溢洪道布置在大壩右岸。

西林水庫正常蓄水位為65.00m，水庫按50a一遇標準設(shè)計，設(shè)計洪水位為68.62m，按2000a一遇標準校核，校核洪水位為70.71m，溢洪道消能防沖設(shè)計洪水標準為30a一遇，相應(yīng)庫水位為68.28m。

泄洪建筑物采用側(cè)槽開敞式溢洪道，由引水渠、控制段、泄槽、消能防沖設(shè)施組成。引水渠底高程為62.00m，長度35.0m，進口寬度由68.3m漸變到25.0m;控制段為溢流堰和側(cè)槽，溢流堰采用折線型實用堰，堰頂高程為65.00m，堰高3.00m。溢洪道平面布置見圖1。

圖1 西林水庫溢洪道平面布置圖

2 模型設(shè)計

2.1 模型比尺

根據(jù)模型試驗任務(wù)書中關(guān)于模型比尺方面的要求，綜合考慮試驗室場地及設(shè)備條件，本項整體模型比尺為1∶20(λl=20)，正態(tài)模型，按重力相似準則設(shè)計，其它相關(guān)水力學參數(shù)的比尺分別為:

流速比尺:λv==4.472;流量比尺:λq==1788.850;時間比尺:λt==4.472;壓強比尺:λp==20.000;糙率比尺:λn==1.648。

2.2 模型設(shè)計

水工模型上游模擬至溢流堰軸線以上100.0m范圍，上游河道模擬至76.00m高程，下游模擬至消力池出口下游250.0m的交通橋，下游河道模擬至26.00m高程，考慮下游河床動床沖刷等，模型建基面高程11.00m，即預留約9.00m沖刷深度 (河床底高程20.15m)。

為方便觀測水流流態(tài)和試驗測試，溢洪道 (包括控制堰、泄槽等)及消力池采用有機玻璃加工、制作，方便進行試驗觀測;下游河道地形用水泥沙漿制模。模型上游采用鋼板水庫供水，要求能夠保證溢洪道進口水流平穩(wěn)，滿足進流條件相似要求。整個模型包括供水系統(tǒng)、量水控制系統(tǒng)、模型試驗段、回水系統(tǒng)等，模擬原體長度約500.0m。

整體水工模型制作和安裝見圖2，模型平面尺度25.0m×6.0m、高度3.00m。

2.3 模型量測設(shè)備

(1)上游水位和下游水位:用測針量測和控制;

(2)流量采用電磁流量計進行量測和控制;

(3)水面線采用測針和直尺進行測量;

(4)溢洪道河消力池水壓力用測壓管量測。

整體模型試驗設(shè)計、模型制作安裝、測試儀器和測試方法等按照 SL 155—2012《水工 (常規(guī))模型試驗規(guī)程》［2］要求執(zhí)行。

圖2 西林水庫溢洪道水工模型圖

2.4 試驗方案

根據(jù)水庫運行調(diào)度方案，試驗工況見表1，主要包括校核洪水、設(shè)計洪水、下游消能防沖以及常遇洪水共4組試驗工況。

表1 試驗工況表

試驗內(nèi)容為推求各工況泄流能力、水流流態(tài)、壓力分布、流速分布等情況。

3 試驗成果

3.1 過流能力

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》［3］第一卷，堰流設(shè)計流量計算公式如下:

水庫采用折線型實用堰，流量系數(shù)為0.35～0.42，設(shè)計時取0.40，理論計算流量與模型試驗推求的流量 (以下簡稱“實測流量”)對比見表2。

表2 水位流量關(guān)系表

根據(jù)試驗結(jié)果可知:①在水位較低時，由于堰上水頭較低，流量應(yīng)根據(jù)明渠或?qū)掜斞哂嬎?，實測流量要小于按實用堰流量公式計算得到的理論流量;②在符合實用堰規(guī)定水位的情況下，實測流量大于理論計算流量，最高測得超出12.73%，溢洪道泄流能力滿足設(shè)計要求。③消能防沖設(shè)計時，由于實測流量大于理論計算流量，消能工設(shè)計時偏危險，導致消力池設(shè)計不能滿足消能要求。

3.2 水流流態(tài)

通過模型試驗觀測，各工況水流流態(tài)情況如下:

(1)各工況上游庫區(qū)進流平穩(wěn)，無明顯水面波動、回流、漩渦、繞流等不利水流現(xiàn)象，引水渠進流順暢。

(2)校核工況下，由于過流量大調(diào)整段內(nèi)水面壅高，對溢洪道泄流能力有一定影響。其他工況下調(diào)整段內(nèi)，下泄水流直接頂沖右岸，形成翻卷、漩滾，水面波動強烈、流態(tài)紊亂。但調(diào)整段之后，水流總體上能夠順利沿溢洪道泄槽下泄。

(3)設(shè)計工況及校核工況下泄水流在消力池內(nèi)形成遠驅(qū)式水躍，消力池內(nèi)水流流態(tài)和消能效果差，出池水流流速較高，消力池尾坎前后水面落差較大，下游河道內(nèi)河床沖刷以及水面波動明顯。當流量減小時 (常遇工況及消能防沖工況下)，水流流態(tài)及消能效果都有明顯改善。

不同工況下，溢洪道沿程水面線情況如下:

(1)4組工況下，水面線見圖3，圖3中水面線由低到高分別對應(yīng)工況1～4。

(2)溢洪道泄槽內(nèi)水深沿程減小，頭部區(qū)段內(nèi) (樁號0+011.90～0+030.00m)水深最大，該處導墻高度為8.00m;設(shè)計工況下 (2.00%)，該區(qū)段內(nèi)水深約5.00m，水面低于泄槽邊墻;校核工況下 (0.05%)，該區(qū)段內(nèi)水深約8.50m，水面波動、并間歇性超過邊墻外溢?？紤]到溢洪道右岸為山體，左岸緊鄰大壩下游岸坡排水溝，校核工況下少量洪水溢出不會影響其他建筑物安全，可認為導墻高度滿足要求。

(3)消力池邊墻頂高程25.70m(即下游交通橋梁底高程)。設(shè)計工況下 (2.00%)，消力池內(nèi)水面波動幅度約1.50m，水面最大高程26.05m超過了邊墻頂高程;消能防沖工況下 (3.33%)，消力池內(nèi)水面波動幅度約1.50m，水面最大高程25.45m，接近邊墻頂高程。表明消力池邊墻宜適當加高，同時下游交通橋梁底高程需增加。

3.3 壓力分布

在4組試驗工況下，分別觀測了溢洪道泄槽及消力池底板上沿程水壓力。試驗的主要結(jié)論如下:

(1)校核工況下在泄槽頭部，樁號0+012.40m附近出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，但負壓值不大，試驗測得該點壓力為-2.88m;其他工況下，均沒有出現(xiàn)負壓現(xiàn)象。溢洪道泄槽沿程壓力分布均勻、正常，沒有出現(xiàn)突變、陡降等不利現(xiàn)象。

圖3 工況1～4水面線圖 單位m

(2)校核工況下，溢洪道過流量明顯增大，下泄水流對消力池底板 (樁號0+119.90m前后)存在一定的沖擊現(xiàn)象;其它工況下，消力池內(nèi)淹沒水躍、消能效果良好，消力池底板上沿程壓力分布平順。

(3)泄水建筑物水流空化數(shù)通常要求達到0.30，以避免產(chǎn)生空化和空蝕破壞，結(jié)合當?shù)氐臍鉁?、氣壓特征，計算得工況1～4水流空化數(shù)最小值分別為0.44，0.39，0.38及0.36，均能滿足要求。

試驗結(jié)論表明溢洪道泄槽沿程壓力分布均勻，溢洪道泄槽發(fā)生空蝕破壞的可能性小，總體布置方案合理。

3.4 流速分布

試驗沿溢洪道泄槽和下游河道布置了9個流速觀測斷面，其中泄槽段5個 (見圖4)，下游河道4個 (見圖5)，在4組試驗工況下，分別觀測了溢洪道泄槽流速分布，以及下游河道水流流態(tài)和流速分布。

圖4 消能防沖工況泄槽流速測量斷面位置圖

3.4.1 泄槽段流速分布

根據(jù)模型試驗結(jié)果，泄槽段各工況下最大流速見表3，泄槽段接近消力池部位流速較大，建議復核該處結(jié)構(gòu)抗沖刷能力。

表3 泄槽段最大流速表

3.4.2 下游河床流速分布

根據(jù)模型試驗結(jié)果，河床段各工況下最大流速見表4，消力池出口處流速較大，消能防沖工況下超過了該處允許最大流速，但下游河床抗沖刷能力滿足要求。建議適當增加消力池深度，對消力池出口河床進行護砌。

圖5 消能防沖工況下游河床流速測量斷面位置圖

表4 河床段最大流速表

4 結(jié)果建議

根據(jù)模型試驗中暴露出的問題，對西林水庫溢洪道的設(shè)計提出了一些建議，主要有以下幾個方面:

(1)建議流量系數(shù)取0.40，但在復核下游消能防沖結(jié)構(gòu)時取0.45。

(2)將溢流堰后的調(diào)整段底坡調(diào)整為平坡，使常遇洪水工況時水流能夠平順進入泄槽［4］。

(3)加高消力池邊墻高度，增加下游交通橋梁底高程。

(4)對泄槽末端結(jié)構(gòu)抗沖刷能力進行復核。

(5)增加消力池深度，對消力池出口河床進行護砌，以滿足下游河床的防沖刷要求。

5 結(jié)語

通過對西林水庫溢洪道水工模型的試驗研究，得出了溢洪道水位流量關(guān)系曲線，為今后制定調(diào)度運行計劃提供了依據(jù)［5］。通過加深消力池的方案，提高了消能效率，較好地解決了下游河床的防沖刷問題，對原型設(shè)計中存在的不足提出了修改方案，為下一階段的設(shè)計工作打下了基礎(chǔ)。另外，此次試驗也對今后溢洪道設(shè)計參數(shù)的選取提供了參考依據(jù)。

［1］南京水利科學研究院.西林水庫溢洪道水工模型試驗研究報告［R］.南京:南京水利科學研究院，2013.

［2］南京水利科學研究院.SL 155—2013水工 (常規(guī))模型試驗規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，2013.

［3］水電水利規(guī)劃設(shè)計總院.水工設(shè)計手冊［M］.2版.北京:中國水利水電出版社，2013.

［4］鐘勇明，黃智敏.惠來縣鎮(zhèn)北水庫溢洪道水工模型試驗研究［J］.廣東水利水電，2008(2):29-31.

［5］趙克梅.上郊水庫溢洪道水工模型試驗研究 ［J］.山西水利科技，2008(8):9-11.