宁海县西林水库溢洪道水工模型试验研究

魏立峰，周 健

(宁波市水利水电规划设计研究院，浙江 宁波 315192)

1 工程概况

西林水库位于浙江省宁波市宁海县，扩容后水库总库容为1365万m3，工程等别为Ⅲ等，中型水库［1］。该工程采用面板堆石坝加高坝体的方式进行扩容，坝轴线位于老坝轴线下游65.73m，趾板位于老坝轴线附近;溢洪道布置在大坝右岸。

西林水库正常蓄水位为65.00m，水库按50a一遇标准设计，设计洪水位为68.62m，按2000a一遇标准校核，校核洪水位为70.71m，溢洪道消能防冲设计洪水标准为30a一遇，相应库水位为68.28m。

泄洪建筑物采用侧槽开敞式溢洪道，由引水渠、控制段、泄槽、消能防冲设施组成。引水渠底高程为62.00m，长度35.0m，进口宽度由68.3m渐变到25.0m;控制段为溢流堰和侧槽，溢流堰采用折线型实用堰，堰顶高程为65.00m，堰高3.00m。溢洪道平面布置见图1。

图1 西林水库溢洪道平面布置图

2 模型设计

2.1 模型比尺

根据模型试验任务书中关于模型比尺方面的要求，综合考虑试验室场地及设备条件，本项整体模型比尺为1∶20(λl=20)，正态模型，按重力相似准则设计，其它相关水力学参数的比尺分别为:

流速比尺:λv==4.472;流量比尺:λq==1788.850;时间比尺:λt==4.472;压强比尺:λp==20.000;糙率比尺:λn==1.648。

2.2 模型设计

水工模型上游模拟至溢流堰轴线以上100.0m范围，上游河道模拟至76.00m高程，下游模拟至消力池出口下游250.0m的交通桥，下游河道模拟至26.00m高程，考虑下游河床动床冲刷等，模型建基面高程11.00m，即预留约9.00m冲刷深度 (河床底高程20.15m)。

为方便观测水流流态和试验测试，溢洪道 (包括控制堰、泄槽等)及消力池采用有机玻璃加工、制作，方便进行试验观测;下游河道地形用水泥沙浆制模。模型上游采用钢板水库供水，要求能够保证溢洪道进口水流平稳，满足进流条件相似要求。整个模型包括供水系统、量水控制系统、模型试验段、回水系统等，模拟原体长度约500.0m。

整体水工模型制作和安装见图2，模型平面尺度25.0m×6.0m、高度3.00m。

2.3 模型量测设备

(1)上游水位和下游水位:用测针量测和控制;

(2)流量采用电磁流量计进行量测和控制;

(3)水面线采用测针和直尺进行测量;

(4)溢洪道河消力池水压力用测压管量测。

整体模型试验设计、模型制作安装、测试仪器和测试方法等按照 SL 155—2012《水工 (常规)模型试验规程》［2］要求执行。

图2 西林水库溢洪道水工模型图

2.4 试验方案

根据水库运行调度方案，试验工况见表1，主要包括校核洪水、设计洪水、下游消能防冲以及常遇洪水共4组试验工况。

表1 试验工况表

试验内容为推求各工况泄流能力、水流流态、压力分布、流速分布等情况。

3 试验成果

3.1 过流能力

根据《水工设计手册》［3］第一卷，堰流设计流量计算公式如下:

水库采用折线型实用堰，流量系数为0.35～0.42，设计时取0.40，理论计算流量与模型试验推求的流量 (以下简称“实测流量”)对比见表2。

表2 水位流量关系表

根据试验结果可知:①在水位较低时，由于堰上水头较低，流量应根据明渠或宽顶堰计算，实测流量要小于按实用堰流量公式计算得到的理论流量;②在符合实用堰规定水位的情况下，实测流量大于理论计算流量，最高测得超出12.73%，溢洪道泄流能力满足设计要求。③消能防冲设计时，由于实测流量大于理论计算流量，消能工设计时偏危险，导致消力池设计不能满足消能要求。

3.2 水流流态

通过模型试验观测，各工况水流流态情况如下:

(1)各工况上游库区进流平稳，无明显水面波动、回流、漩涡、绕流等不利水流现象，引水渠进流顺畅。

(2)校核工况下，由于过流量大调整段内水面壅高，对溢洪道泄流能力有一定影响。其他工况下调整段内，下泄水流直接顶冲右岸，形成翻卷、漩滚，水面波动强烈、流态紊乱。但调整段之后，水流总体上能够顺利沿溢洪道泄槽下泄。

(3)设计工况及校核工况下泄水流在消力池内形成远驱式水跃，消力池内水流流态和消能效果差，出池水流流速较高，消力池尾坎前后水面落差较大，下游河道内河床冲刷以及水面波动明显。当流量减小时 (常遇工况及消能防冲工况下)，水流流态及消能效果都有明显改善。

不同工况下，溢洪道沿程水面线情况如下:

(1)4组工况下，水面线见图3，图3中水面线由低到高分别对应工况1～4。

(2)溢洪道泄槽内水深沿程减小，头部区段内 (桩号0+011.90～0+030.00m)水深最大，该处导墙高度为8.00m;设计工况下 (2.00%)，该区段内水深约5.00m，水面低于泄槽边墙;校核工况下 (0.05%)，该区段内水深约8.50m，水面波动、并间歇性超过边墙外溢。考虑到溢洪道右岸为山体，左岸紧邻大坝下游岸坡排水沟，校核工况下少量洪水溢出不会影响其他建筑物安全，可认为导墙高度满足要求。

(3)消力池边墙顶高程25.70m(即下游交通桥梁底高程)。设计工况下 (2.00%)，消力池内水面波动幅度约1.50m，水面最大高程26.05m超过了边墙顶高程;消能防冲工况下 (3.33%)，消力池内水面波动幅度约1.50m，水面最大高程25.45m，接近边墙顶高程。表明消力池边墙宜适当加高，同时下游交通桥梁底高程需增加。

3.3 压力分布

在4组试验工况下，分别观测了溢洪道泄槽及消力池底板上沿程水压力。试验的主要结论如下:

(1)校核工况下在泄槽头部，桩号0+012.40m附近出现负压现象，但负压值不大，试验测得该点压力为-2.88m;其他工况下，均没有出现负压现象。溢洪道泄槽沿程压力分布均匀、正常，没有出现突变、陡降等不利现象。

图3 工况1～4水面线图 单位m

(2)校核工况下，溢洪道过流量明显增大，下泄水流对消力池底板 (桩号0+119.90m前后)存在一定的冲击现象;其它工况下，消力池内淹没水跃、消能效果良好，消力池底板上沿程压力分布平顺。

(3)泄水建筑物水流空化数通常要求达到0.30，以避免产生空化和空蚀破坏，结合当地的气温、气压特征，计算得工况1～4水流空化数最小值分别为0.44，0.39，0.38及0.36，均能满足要求。

试验结论表明溢洪道泄槽沿程压力分布均匀，溢洪道泄槽发生空蚀破坏的可能性小，总体布置方案合理。

3.4 流速分布

试验沿溢洪道泄槽和下游河道布置了9个流速观测断面，其中泄槽段5个 (见图4)，下游河道4个 (见图5)，在4组试验工况下，分别观测了溢洪道泄槽流速分布，以及下游河道水流流态和流速分布。

图4 消能防冲工况泄槽流速测量断面位置图

3.4.1 泄槽段流速分布

根据模型试验结果，泄槽段各工况下最大流速见表3，泄槽段接近消力池部位流速较大，建议复核该处结构抗冲刷能力。

表3 泄槽段最大流速表

3.4.2 下游河床流速分布

根据模型试验结果，河床段各工况下最大流速见表4，消力池出口处流速较大，消能防冲工况下超过了该处允许最大流速，但下游河床抗冲刷能力满足要求。建议适当增加消力池深度，对消力池出口河床进行护砌。

图5 消能防冲工况下游河床流速测量断面位置图

表4 河床段最大流速表

4 结果建议

根据模型试验中暴露出的问题，对西林水库溢洪道的设计提出了一些建议，主要有以下几个方面:

(1)建议流量系数取0.40，但在复核下游消能防冲结构时取0.45。

(2)将溢流堰后的调整段底坡调整为平坡，使常遇洪水工况时水流能够平顺进入泄槽［4］。

(3)加高消力池边墙高度，增加下游交通桥梁底高程。

(4)对泄槽末端结构抗冲刷能力进行复核。

(5)增加消力池深度，对消力池出口河床进行护砌，以满足下游河床的防冲刷要求。

5 结语

通过对西林水库溢洪道水工模型的试验研究，得出了溢洪道水位流量关系曲线，为今后制定调度运行计划提供了依据［5］。通过加深消力池的方案，提高了消能效率，较好地解决了下游河床的防冲刷问题，对原型设计中存在的不足提出了修改方案，为下一阶段的设计工作打下了基础。另外，此次试验也对今后溢洪道设计参数的选取提供了参考依据。

［1］南京水利科学研究院.西林水库溢洪道水工模型试验研究报告［R］.南京:南京水利科学研究院，2013.

［2］南京水利科学研究院.SL 155—2013水工 (常规)模型试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2013.

［3］水电水利规划设计总院.水工设计手册［M］.2版.北京:中国水利水电出版社，2013.

［4］钟勇明，黄智敏.惠来县镇北水库溢洪道水工模型试验研究［J］.广东水利水电，2008(2):29-31.

［5］赵克梅.上郊水库溢洪道水工模型试验研究 ［J］.山西水利科技，2008(8):9-11.