耿莊一庫進(jìn)出水交換模型試驗(yàn)研究

楚建收

1 工程概況

山西省萬家寨引黃入晉工程是從黃河萬家寨水庫取水，分別為太原，平朔，大同三個能源基地供水。耿莊水庫是北干線為朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫，主要任務(wù)是年調(diào)節(jié)與事故調(diào)節(jié)、水量平衡、沉積處理泥沙，同時兼有反調(diào)節(jié)功能。

耿莊一庫位于工程區(qū)西部，屬半挖半填平原圍封水庫。庫容118萬m3，調(diào)蓄庫容105萬m3，死庫容13萬m3。主要建筑物有大壩、調(diào)壓井、進(jìn)出水口以及泄水建筑物等。

大壩為碾壓均質(zhì)土壩，環(huán)形布置。一庫大壩軸線長2237.6m，最高蓄水位為1125.9m，死水位為1119.50m。庫底分為兩個區(qū)，高程分別為1123.40m和1118.0m，大壩頂寬6.0m，上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為 1∶2.0。

水庫進(jìn)水口與調(diào)壓井豎井銜接，位于水庫北部壩段，主要由進(jìn)水閘室段、箱涵段、消能段和護(hù)坦組成。出水口位于水庫南部壩段，采用壩下廊道內(nèi)套管形式，出水口為直徑1400mm的鋼管，出水線路上布設(shè)有檢修閥、工作閥和流量計(jì)。水庫事故泄水口與出水口共用。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

采用變態(tài)模型對耿莊一庫進(jìn)出水交換進(jìn)行試驗(yàn)，模型橫向幾何比尺為120，垂向幾何比尺為40，變態(tài)率為3。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)時，由供水管道泵從水池1或水池2抽清水或含沙水，經(jīng)電磁流量計(jì)計(jì)量流量后，通過進(jìn)水口進(jìn)入水庫，再從出水口流出水庫，出庫水流經(jīng)出水管道泵和電磁流量計(jì)，送回至水池1或水池2。進(jìn)、出水庫流量用控制閥調(diào)節(jié)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)平面示意圖

2.3 流速測點(diǎn)布置

選取進(jìn)水流量為1.6m3，出水流量為1.0m3，運(yùn)行水位為1123.96m來分別研究進(jìn)水口區(qū)域，出水口區(qū)域和庫區(qū)內(nèi)水流運(yùn)行情況。

圍繞進(jìn)口消力池及護(hù)坦周圍，布置四個流速測點(diǎn)。在出水口四周共布設(shè)4個流速測點(diǎn)。在庫內(nèi)平面上共布置15個流速測點(diǎn)，庫區(qū)布置測點(diǎn)時，以K1、K3連線為y軸，以與K1、K3連線垂直線為x軸，K3點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并規(guī)定x軸向北方向?yàn)檎?；y軸向西方向?yàn)檎唧w見圖2—圖4。

圖2 進(jìn)水口區(qū)域流速測點(diǎn)布置圖

圖3 出水口區(qū)域流速測點(diǎn)布置圖

圖4 庫區(qū)內(nèi)流速測點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 進(jìn)水口區(qū)域水流特性

進(jìn)水口區(qū)域包括進(jìn)水陡槽和消力池，以及消力池周圍防護(hù)區(qū)域。根據(jù)圖2進(jìn)水口區(qū)域的測點(diǎn)布置情況，測得該區(qū)域的流速分布為：水流從方涵經(jīng)陡槽進(jìn)入消力池，雍高后向四周流動，除有拐向出水口的主流之外，還有側(cè)向流動，當(dāng)水深超過雍高水位之后，水流還將向下流向更低的庫區(qū)，因此該區(qū)域水流應(yīng)為三維運(yùn)動。由于進(jìn)水流量大于出水流量，水深不斷增加，雍高水柱逐漸被淹沒，直至接近最高蓄水位1125.9m時，完全被淹沒而與庫區(qū)水面相平。

3.2 出水口區(qū)域水流特性

根據(jù)圖3出水口區(qū)域的測點(diǎn)布置情況，測得該區(qū)域的流速分布為：流向出水口的水流，除從進(jìn)水口方向流來的主流之外，還從出水口兩側(cè)和上方流入出水口，所以其水流亦屬三維流動。

3.3 庫區(qū)內(nèi)的水流特性

根據(jù)圖4庫區(qū)內(nèi)的測點(diǎn)布置情況，測得該區(qū)域的流速分布為：從進(jìn)水口流入庫區(qū)的水流，除流向出水口的主流以外，水流還要向庫區(qū)的各不同部位運(yùn)動，同時在不同高程的臺地間還有垂向流動。此外，庫區(qū)水流還整體做逆時針方向的環(huán)流運(yùn)動，并且在庫區(qū)中間部位形成局部的小區(qū)域環(huán)流。由此可知，庫區(qū)水流是三維流動與環(huán)流運(yùn)動疊加的復(fù)合流動。

4 結(jié)語

通過對耿莊一庫進(jìn)出水交換模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

第一，進(jìn)水口區(qū)域的水流運(yùn)動是三維運(yùn)動。進(jìn)水口區(qū)域水流從方涵經(jīng)陡槽進(jìn)入消力池后，會產(chǎn)生雍高現(xiàn)象并向四周擴(kuò)散，即水流既有沿主流方向的運(yùn)動，同時又伴隨著側(cè)向運(yùn)動。

第二，出水口區(qū)域水流運(yùn)動也是三維運(yùn)動。出水口區(qū)域的水流既有從進(jìn)水口方向流來的主流，同時還伴隨著從出水口兩側(cè)和上方流入出水口的水流。

第三，庫區(qū)內(nèi)的水流運(yùn)動是三維流動與環(huán)流運(yùn)動疊加的復(fù)合流動。