耿庄一库进出水交换模型试验研究

楚建收

1 工程概况

山西省万家寨引黄入晋工程是从黄河万家寨水库取水，分别为太原，平朔，大同三个能源基地供水。耿庄水库是北干线为朔州市供水线路末端的调节水库，主要任务是年调节与事故调节、水量平衡、沉积处理泥沙，同时兼有反调节功能。

耿庄一库位于工程区西部，属半挖半填平原围封水库。库容118万m3，调蓄库容105万m3，死库容13万m3。主要建筑物有大坝、调压井、进出水口以及泄水建筑物等。

大坝为碾压均质土坝，环形布置。一库大坝轴线长2237.6m，最高蓄水位为1125.9m，死水位为1119.50m。库底分为两个区，高程分别为1123.40m和1118.0m，大坝顶宽6.0m，上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡为 1∶2.0。

水库进水口与调压井竖井衔接，位于水库北部坝段，主要由进水闸室段、箱涵段、消能段和护坦组成。出水口位于水库南部坝段，采用坝下廊道内套管形式，出水口为直径1400mm的钢管，出水线路上布设有检修阀、工作阀和流量计。水库事故泄水口与出水口共用。

2 模型设计

2.1 模型比尺

采用变态模型对耿庄一库进出水交换进行试验，模型横向几何比尺为120，垂向几何比尺为40，变态率为3。

2.2 试验系统

试验系统如图1所示。试验时，由供水管道泵从水池1或水池2抽清水或含沙水，经电磁流量计计量流量后，通过进水口进入水库，再从出水口流出水库，出库水流经出水管道泵和电磁流量计，送回至水池1或水池2。进、出水库流量用控制阀调节。

图1 试验系统平面示意图

2.3 流速测点布置

选取进水流量为1.6m3，出水流量为1.0m3，运行水位为1123.96m来分别研究进水口区域，出水口区域和库区内水流运行情况。

围绕进口消力池及护坦周围，布置四个流速测点。在出水口四周共布设4个流速测点。在库内平面上共布置15个流速测点，库区布置测点时，以K1、K3连线为y轴，以与K1、K3连线垂直线为x轴，K3点为坐标原点，并规定x轴向北方向为正；y轴向西方向为正，具体见图2—图4。

图2 进水口区域流速测点布置图

图3 出水口区域流速测点布置图

图4 库区内流速测点布置图

3 试验结果分析

3.1 进水口区域水流特性

进水口区域包括进水陡槽和消力池，以及消力池周围防护区域。根据图2进水口区域的测点布置情况，测得该区域的流速分布为：水流从方涵经陡槽进入消力池，雍高后向四周流动，除有拐向出水口的主流之外，还有侧向流动，当水深超过雍高水位之后，水流还将向下流向更低的库区，因此该区域水流应为三维运动。由于进水流量大于出水流量，水深不断增加，雍高水柱逐渐被淹没，直至接近最高蓄水位1125.9m时，完全被淹没而与库区水面相平。

3.2 出水口区域水流特性

根据图3出水口区域的测点布置情况，测得该区域的流速分布为：流向出水口的水流，除从进水口方向流来的主流之外，还从出水口两侧和上方流入出水口，所以其水流亦属三维流动。

3.3 库区内的水流特性

根据图4库区内的测点布置情况，测得该区域的流速分布为：从进水口流入库区的水流，除流向出水口的主流以外，水流还要向库区的各不同部位运动，同时在不同高程的台地间还有垂向流动。此外，库区水流还整体做逆时针方向的环流运动，并且在库区中间部位形成局部的小区域环流。由此可知，库区水流是三维流动与环流运动叠加的复合流动。

4 结语

通过对耿庄一库进出水交换模型进行试验研究，得出如下结论：

第一，进水口区域的水流运动是三维运动。进水口区域水流从方涵经陡槽进入消力池后，会产生雍高现象并向四周扩散，即水流既有沿主流方向的运动，同时又伴随着侧向运动。

第二，出水口区域水流运动也是三维运动。出水口区域的水流既有从进水口方向流来的主流，同时还伴随着从出水口两侧和上方流入出水口的水流。

第三，库区内的水流运动是三维流动与环流运动叠加的复合流动。