魏立峰，周 健

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

1 工程概況

西林水庫(kù)位于浙江省寧波市寧海縣，擴(kuò)容后水庫(kù)總庫(kù)容為1365萬(wàn)m3，工程等別為Ⅲ等，中型水庫(kù)［1］。該工程采用面板堆石壩加高壩體的方式進(jìn)行擴(kuò)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(kù)正常蓄水位為65.00m，水庫(kù)按50a一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位為68.62m，按2000a一遇標(biāo)準(zhǔn)校核，校核洪水位為70.71m，溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇，相應(yīng)庫(kù)水位為68.28m。

泄洪建筑物采用側(cè)槽開(kāi)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(zhǎng)度35.0m，進(jìn)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(shí)用堰，堰頂高程為65.00m，堰高3.00m。溢洪道平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 西林水庫(kù)溢洪道平面布置圖

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

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

流速比尺:λv==4.472;流量比尺:λq==1788.850;時(shí)間比尺:λt==4.472;壓強(qiáng)比尺:λp==20.000;糙率比尺:λn==1.648。

2.2 模型設(shè)計(jì)

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(dòng)床沖刷等，模型建基面高程11.00m，即預(yù)留約9.00m沖刷深度 (河床底高程20.15m)。

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

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

2.3 模型量測(cè)設(shè)備

(1)上游水位和下游水位:用測(cè)針量測(cè)和控制;

(2)流量采用電磁流量計(jì)進(jìn)行量測(cè)和控制;

(3)水面線采用測(cè)針和直尺進(jìn)行測(cè)量;

(4)溢洪道河消力池水壓力用測(cè)壓管量測(cè)。

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

圖2 西林水庫(kù)溢洪道水工模型圖

2.4 試驗(yàn)方案

根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方案，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，主要包括校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、下游消能防沖以及常遇洪水共4組試驗(yàn)工況。

表1 試驗(yàn)工況表

試驗(yàn)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(yàn)成果

3.1 過(guò)流能力

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

水庫(kù)采用折線型實(shí)用堰，流量系數(shù)為0.35～0.42，設(shè)計(jì)時(shí)取0.40，理論計(jì)算流量與模型試驗(yàn)推求的流量 (以下簡(jiǎn)稱“實(shí)測(cè)流量”)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 水位流量關(guān)系表

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

3.2 水流流態(tài)

通過(guò)模型試驗(yàn)觀測(cè)，各工況水流流態(tài)情況如下:

(1)各工況上游庫(kù)區(qū)進(jìn)流平穩(wěn)，無(wú)明顯水面波動(dòng)、回流、漩渦、繞流等不利水流現(xiàn)象，引水渠進(jìn)流順暢。

(2)校核工況下，由于過(guò)流量大調(diào)整段內(nèi)水面壅高，對(duì)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(dòng)強(qiáng)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(jì)工況及校核工況下泄水流在消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)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(dòng)明顯。當(dāng)流量減小時(shí) (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(jiàn)圖3，圖3中水面線由低到高分別對(duì)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(hào)0+011.90～0+030.00m)水深最大，該處導(dǎo)墻高度為8.00m;設(shè)計(jì)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(dòng)、并間歇性超過(guò)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(huì)影響其他建筑物安全，可認(rèn)為導(dǎo)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(jì)工況下 (2.00%)，消力池內(nèi)水面波動(dòng)幅度約1.50m，水面最大高程26.05m超過(guò)了邊墻頂高程;消能防沖工況下 (3.33%)，消力池內(nèi)水面波動(dòng)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(dāng)加高，同時(shí)下游交通橋梁底高程需增加。

3.3 壓力分布

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

(1)校核工況下在泄槽頭部，樁號(hào)0+012.40m附近出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，但負(fù)壓值不大，試驗(yàn)測(cè)得該點(diǎn)壓力為-2.88m;其他工況下，均沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。溢洪道泄槽沿程壓力分布均勻、正常，沒(méi)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(guò)流量明顯增大，下泄水流對(duì)消力池底板 (樁號(hào)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(méi)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(dá)到0.30，以避免產(chǎn)生空化和空蝕破壞，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍鉁亍鈮禾卣?，?jì)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(yàn)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(yàn)沿溢洪道泄槽和下游河道布置了9個(gè)流速觀測(cè)斷面，其中泄槽段5個(gè) (見(jiàn)圖4)，下游河道4個(gè) (見(jiàn)圖5)，在4組試驗(yàn)工況下，分別觀測(cè)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(cè)量斷面位置圖

3.4.1 泄槽段流速分布

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，泄槽段各工況下最大流速見(jiàn)表3，泄槽段接近消力池部位流速較大，建議復(fù)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(yàn)結(jié)果，河床段各工況下最大流速見(jiàn)表4，消力池出口處流速較大，消能防沖工況下超過(guò)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(dāng)增加消力池深度，對(duì)消力池出口河床進(jìn)行護(hù)砌。

圖5 消能防沖工況下游河床流速測(cè)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(yàn)中暴露出的問(wèn)題，對(duì)西林水庫(kù)溢洪道的設(shè)計(jì)提出了一些建議，主要有以下幾個(gè)方面:

(1)建議流量系數(shù)取0.40，但在復(fù)核下游消能防沖結(jié)構(gòu)時(shí)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(shí)水流能夠平順進(jìn)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(duì)泄槽末端結(jié)構(gòu)抗沖刷能力進(jìn)行復(fù)核。

(5)增加消力池深度，對(duì)消力池出口河床進(jìn)行護(hù)砌，以滿足下游河床的防沖刷要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西林水庫(kù)溢洪道水工模型的試驗(yàn)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(yùn)行計(jì)劃提供了依據(jù)［5］。通過(guò)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(wèn)題，對(duì)原型設(shè)計(jì)中存在的不足提出了修改方案，為下一階段的設(shè)計(jì)工作打下了基礎(chǔ)。另外，此次試驗(yàn)也對(duì)今后溢洪道設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供了參考依據(jù)。

［1］南京水利科學(xué)研究院.西林水庫(kù)溢洪道水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2013.

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

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

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

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