楚建收

1 工程概況

山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程是從黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)取水，分別為太原，平朔，大同三個(gè)能源基地供水。耿莊水庫(kù)是北干線為朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫(kù)，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(shí)兼有反調(diào)節(jié)功能。

耿莊一庫(kù)位于工程區(qū)西部，屬半挖半填平原圍封水庫(kù)。庫(kù)容118萬(wàn)m3，調(diào)蓄庫(kù)容105萬(wàn)m3，死庫(kù)容13萬(wàn)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(kù)大壩軸線長(zhǎng)2237.6m，最高蓄水位為1125.9m，死水位為1119.50m。庫(kù)底分為兩個(gè)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(kù)進(jìn)水口與調(diào)壓井豎井銜接，位于水庫(kù)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(kù)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(kù)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(duì)耿莊一庫(kù)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(shí)，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(guò)進(jìn)水口進(jìn)入水庫(kù)，再?gòu)某鏊诹鞒鏊畮?kù)，出庫(kù)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(kù)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(cè)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(lái)分別研究進(jìn)水口區(qū)域，出水口區(qū)域和庫(kù)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(gè)流速測(cè)點(diǎn)。在出水口四周共布設(shè)4個(gè)流速測(cè)點(diǎn)。在庫(kù)內(nèi)平面上共布置15個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，庫(kù)區(qū)布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，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?，具體見(jiàn)圖2—圖4。

圖2 進(jìn)水口區(qū)域流速測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 出水口區(qū)域流速測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 庫(kù)區(qū)內(nèi)流速測(cè)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(cè)點(diǎn)布置情況，測(cè)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(dòng)，除有拐向出水口的主流之外，還有側(cè)向流動(dòng)，當(dāng)水深超過(guò)雍高水位之后，水流還將向下流向更低的庫(kù)區(qū)，因此該區(qū)域水流應(yīng)為三維運(yùn)動(dòng)。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(méi)，直至接近最高蓄水位1125.9m時(shí)，完全被淹沒(méi)而與庫(kù)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(cè)點(diǎn)布置情況，測(cè)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(lái)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(dòng)。

3.3 庫(kù)區(qū)內(nèi)的水流特性

根據(jù)圖4庫(kù)區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置情況，測(cè)得該區(qū)域的流速分布為：從進(jìn)水口流入庫(kù)區(qū)的水流，除流向出水口的主流以外，水流還要向庫(kù)區(qū)的各不同部位運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在不同高程的臺(tái)地間還有垂向流動(dòng)。此外，庫(kù)區(qū)水流還整體做逆時(shí)針?lè)较虻沫h(huán)流運(yùn)動(dòng)，并且在庫(kù)區(qū)中間部位形成局部的小區(qū)域環(huán)流。由此可知，庫(kù)區(qū)水流是三維流動(dòng)與環(huán)流運(yùn)動(dòng)疊加的復(fù)合流動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)耿莊一庫(kù)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(dòng)是三維運(yùn)動(dòng)。進(jìn)水口區(qū)域水流從方涵經(jīng)陡槽進(jìn)入消力池后，會(huì)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(dòng)，同時(shí)又伴隨著側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

第二，出水口區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)也是三維運(yùn)動(dòng)。出水口區(qū)域的水流既有從進(jìn)水口方向流來(lái)的主流，同時(shí)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(kù)區(qū)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)是三維流動(dòng)與環(huán)流運(yùn)動(dòng)疊加的復(fù)合流動(dòng)。