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)
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
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。
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。
(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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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.