耿莊一庫進出水交換模型試驗研究

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節水庫，主要任務是年調節與事故調節、水量平衡、沉積處理泥沙，同時兼有反調節功能。

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

大壩為碾壓均質土壩，環形布置。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，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。

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

2 模型設計

2.1 模型比尺

采用變態模型對耿莊一庫進出水交換進行試驗，模型橫向幾何比尺為120，垂向幾何比尺為40，變態率為3。

2.2 試驗系統

試驗系統如圖1所示。試驗時，由供水管道泵從水池1或水池2抽清水或含沙水，經電磁流量計計量流量后，通過進水口進入水庫，再從出水口流出水庫，出庫水流經出水管道泵和電磁流量計，送回至水池1或水池2。進、出水庫流量用控制閥調節。

圖1 試驗系統平面示意圖

2.3 流速測點布置

選取進水流量為1.6m3，出水流量為1.0m3，運行水位為1123.96m來分別研究進水口區域，出水口區域和庫區內水流運行情況。

圍繞進口消力池及護坦周圍，布置四個流速測點。在出水口四周共布設4個流速測點。在庫內平面上共布置15個流速測點，庫區布置測點時，以K1、K3連線為y軸，以與K1、K3連線垂直線為x軸，K3點為坐標原點，并規定x軸向北方向為正；y軸向西方向為正，具體見圖2—圖4。

圖2 進水口區域流速測點布置圖

圖3 出水口區域流速測點布置圖

圖4 庫區內流速測點布置圖

3 試驗結果分析

3.1 進水口區域水流特性

進水口區域包括進水陡槽和消力池，以及消力池周圍防護區域。根據圖2進水口區域的測點布置情況，測得該區域的流速分布為：水流從方涵經陡槽進入消力池，雍高后向四周流動，除有拐向出水口的主流之外，還有側向流動，當水深超過雍高水位之后，水流還將向下流向更低的庫區，因此該區域水流應為三維運動。由于進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水面相平。

3.2 出水口區域水流特性

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

3.3 庫區內的水流特性

根據圖4庫區內的測點布置情況，測得該區域的流速分布為：從進水口流入庫區的水流，除流向出水口的主流以外，水流還要向庫區的各不同部位運動，同時在不同高程的臺地間還有垂向流動。此外，庫區水流還整體做逆時針方向的環流運動，并且在庫區中間部位形成局部的小區域環流。由此可知，庫區水流是三維流動與環流運動疊加的復合流動。

4 結語

通過對耿莊一庫進出水交換模型進行試驗研究，得出如下結論：

第一，進水口區域的水流運動是三維運動。進水口區域水流從方涵經陡槽進入消力池后，會產生雍高現象并向四周擴散，即水流既有沿主流方向的運動，同時又伴隨著側向運動。

第二，出水口區域水流運動也是三維運動。出水口區域的水流既有從進水口方向流來的主流，同時還伴隨著從出水口兩側和上方流入出水口的水流。

第三，庫區內的水流運動是三維流動與環流運動疊加的復合流動。