王曉峰,張志強(qiáng),薛文志
(上??睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院,上海200434)
上馬蒂電站坐落與尼泊爾多泥沙河流上,作為沒(méi)有庫(kù)容的徑流式電站,水電站首部樞紐工程直接關(guān)系到電站能否從河道正常引水,能否有效沉淀水中的有害粒徑泥沙,能否將推移質(zhì)順利排到下游避免進(jìn)水口淤積,能否保證洪水期安全度汛等等。這些問(wèn)題在計(jì)算分析之后,希望能通過(guò)模型試驗(yàn)得到印證,并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化起到一定指導(dǎo)作用。下文結(jié)合實(shí)際工程情況,重點(diǎn)介紹了模型設(shè)計(jì)、制作及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的分析,提出了有針對(duì)性的優(yōu)化意見(jiàn)并最終被設(shè)計(jì)采納。
上馬蒂水電站位于尼泊爾西部馬蒂河上,為引水式電站,沿河段從上到下包括壩址首部樞紐工程、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、地面廠房。其中首部樞紐工程包括敞開(kāi)式溢流堰、沖沙閘、右岸沉砂池、進(jìn)水前池及相關(guān)附屬工程,引水隧洞總長(zhǎng)4.2 km,電站采用混流式機(jī)組,額定水頭120.0 m,裝機(jī)容量25 MW。
混凝土攔河壩布置在主河槽段,共分為兩部分,左側(cè)為溢流堰段,右側(cè)為沖砂閘段。溢流堰順?biāo)飨蜷L(zhǎng)24 m,總寬49 m,采用WES 曲線堰,堰頂高程936.2 m。沖砂閘順?biāo)飨蜷L(zhǎng)24 m,采用2孔平板門(mén),每孔凈寬6 m,總凈寬12 m,閘室底檻頂高程934.2 m,閘墩頂高程944.0 m。溢流堰和沖砂閘后接消力池,消力池順河長(zhǎng)為40 m,寬62 m,底板頂高程928.0 m,之后接30 m 長(zhǎng)漿砌石海漫。沖砂閘左側(cè)邊墩上游接82 m 長(zhǎng)導(dǎo)墻,導(dǎo)墻按頂高程分別為938.5 m 和937.0 m 分兩段設(shè)置,長(zhǎng)度分別為28 m 和54 m。導(dǎo)墻右側(cè)至沉砂池進(jìn)水口前設(shè)置漿砌塊石護(hù)坦。河道右岸灘地上布置沉砂池,沉砂池進(jìn)口閘為4 孔平板門(mén),總寬度28.3 m,閘底坎頂高程935.2 m,閘墩頂高程944.0 m,后接轉(zhuǎn)彎段、擴(kuò)散段、工作段以及進(jìn)水前池,之后是引水隧洞進(jìn)口。
工程壩址以上多年平均來(lái)水流量為33.2 m3/s,多年平均輸沙量約為244 萬(wàn)t,年平均含沙量約為2.33 kg/m3,推移質(zhì)沙量按推懸比20%估算,壩址推移質(zhì)沙量約為48.8 萬(wàn)t。
根據(jù)相似原理,模型與原型的3 個(gè)力學(xué)相似條件如下:
1)流場(chǎng)中任意一個(gè)相應(yīng)點(diǎn)處的流體質(zhì)點(diǎn)上,作用著同名的(同一性質(zhì))一個(gè)或數(shù)個(gè)力,即在某一流動(dòng)點(diǎn)處作用力為重力(G)、壓力(P)、粘滯力(FV),則另一相似系的對(duì)應(yīng)點(diǎn)處也必然作用著G,P,F(xiàn)V;
2)所有作用在相應(yīng)點(diǎn)處(以單位流體體積計(jì)算)的同名力之間的比值都是相同的,即式中:▽——流體的容積);
3)這些流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的起始條件及邊界條件是相同的。
只有同時(shí)滿足了以上3 個(gè)相似條件之后,才能保證力學(xué)相似的同一解答,而又保證模型換算到原型的正確性。
任何屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)范疇的物理現(xiàn)象,只要是相似系統(tǒng),必然具備以下3 個(gè)方面的相似特征[2]。
1)幾何相似:模型與原型的任何相應(yīng)線性長(zhǎng)度,必然具有同一比例;
2)運(yùn)動(dòng)相似:即動(dòng)態(tài)相似,模型與原型中任何相應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度等必然相互平行,并具有同一比例;
3)動(dòng)力相似:即模型與原型的作用力相似,模型與原型中任何相應(yīng)點(diǎn)的作用力性質(zhì)相同、相互平行,并具有同一比例。
從以上3 個(gè)相似條件和3 個(gè)相似特征可以看出,它們是相互聯(lián)系、互為條件,而又形成統(tǒng)一的整體。但動(dòng)力相似是三者中的決定性因素,只要兩個(gè)系統(tǒng)能滿足動(dòng)力相似,再加上起始條件、邊界條件相同,則該兩系統(tǒng)就能保證完整的相似。由此看來(lái),幾何相似是基礎(chǔ),它的長(zhǎng)度比尺是設(shè)計(jì)模型的基本參數(shù);運(yùn)動(dòng)相似是檢驗(yàn)?zāi)P拖嗨菩缘淖詈?jiǎn)便、最有力的手段和將模型成果換算到原型的重要依據(jù);動(dòng)力相似則是構(gòu)造相似微分方程的根據(jù)和模型設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。同時(shí),這三方面又正好完整地表述了3 個(gè)基本量綱(長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量或力)的三個(gè)獨(dú)立基本物理量。
三維水流的描述方程,由三維紊動(dòng)水流方程導(dǎo)出。其比尺關(guān)系式一共有5 個(gè):
式中:L,v,t,g,ν,ρ,vi′,vj′,v——分別表示長(zhǎng)度(m)、速度(m/s)、時(shí)間(s)、重力加速度(m/s2)、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(m2/s)、密度(kg/m3)、流體沿i 方向的脈動(dòng)流速(m/s)、流體沿j 方向的脈動(dòng)流速(m/s)、流體的時(shí)均流速(m/s);λL,λv,λt,λg,λν,λρ,λv′,λv——分別表示長(zhǎng)度比尺、速度比尺、時(shí)間比尺、重力加速度比尺、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)比尺、密度比尺、脈動(dòng)流速比尺、時(shí)均流速比尺。
上述5 個(gè)相似判據(jù)中,因歐拉數(shù)Eu=f(Fr,Re,sh,Nij),故可不單獨(dú)考慮。相對(duì)而言,F(xiàn)r判據(jù)是決定性的,所以雷諾數(shù)判據(jù)也可不單獨(dú)并進(jìn)考慮;但應(yīng)加大模型水流的Re數(shù),使之充分達(dá)到紊流,并進(jìn)入阻力平方區(qū),而自動(dòng)滿足與原型水流相似。經(jīng)過(guò)這樣處理后,剩下來(lái)的比尺關(guān)系式實(shí)際上只有3個(gè),即:
在上述5 個(gè)比尺關(guān)系式中Nij是紊動(dòng)判據(jù),實(shí)質(zhì)上是慣性力與阻力之比相似,一般紊動(dòng)水流中自然要求滿足這個(gè)準(zhǔn)則。但因脈動(dòng)流速這個(gè)比尺在模型水流中很難直接控制,也無(wú)法實(shí)施間接控制,于是有些學(xué)者從模型與原型所共同遵循的微分方程的邊界條件出發(fā),導(dǎo)出了與阻力相似的有關(guān)比尺關(guān)系式為:
上式可以說(shuō)明,要滿足紊動(dòng)相似,或慣性力與紊動(dòng)阻力之比相似,在正態(tài)模型中,則必須滿足阻力系數(shù)的比尺λf=1。而阻力系數(shù)f 在阻力平方區(qū)內(nèi)僅與相對(duì)糙率有關(guān)只要原型和模型的相對(duì)糙率相等(即滿足模型和原型的幾何相似),則阻力系數(shù)也就相等。綜上,只要模型水流位于阻力平方區(qū),而又嚴(yán)格滿足幾何相似條件,則阻力相似自然得到滿足,從而Nij紊據(jù)的比尺關(guān)系也就基本得到滿足。綜上,此次模型試驗(yàn)強(qiáng)調(diào)必須遵守的比尺關(guān)系式為:或
另外,為了保證模型與原型水流能遵循同一物理方程所描述,還必須同時(shí)滿足:1)模型水流必須是充分紊動(dòng),要求模型水流的Re≥1 000~2 000;2)不使表面張力干擾模型水流運(yùn)動(dòng),要求模型水流水深至少大于2 cm。
模型制作依據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙,水庫(kù)特征水位采用:正常蓄水位936.20 m;設(shè)計(jì)洪水位(50年一遇)940.65 m,壩址處流量1 280 m3/s;校核洪水位(500年一遇)942.34 m,壩址處流量2 060 m3/s。
模型范圍的確定應(yīng)保證所研究的建筑物上下游過(guò)渡段的銜接能得到較好的模擬。也就是說(shuō),模型的大小及范圍的確定,應(yīng)能使試驗(yàn)研究段本身的各種可能出現(xiàn)的流態(tài)在模型中得到真實(shí)的反映。因此,模型模擬的范圍應(yīng)足夠大。
根據(jù)工程布置河段的河道情況及河道特性,考慮模型進(jìn)、出水段水流銜接的要求,模型制作范圍:選定壩軸線以上約1 000 m,壩軸線以下約500 m,總長(zhǎng)約1 500 m。整個(gè)模型總長(zhǎng)30 m 左右,最大寬度約4.5 m。
模型上游由電磁流量計(jì)控制模型來(lái)流量。進(jìn)水口前池與模型之間設(shè)5 m 長(zhǎng)的連接段,用花墻穩(wěn)定水流并調(diào)整水流入庫(kù)方向,使之與原型河流水流一致。在水庫(kù)中部主河槽部位及下游河道內(nèi)設(shè)有水位觀測(cè)點(diǎn)。
由于上馬蒂水電站為徑流式電站,沒(méi)有庫(kù)容,因此該電站無(wú)須研究諸如庫(kù)區(qū)泥沙淤積極限平衡形態(tài)及電站引水壩前沖刷漏斗形態(tài)等問(wèn)題。取而代之的更為突出問(wèn)題是:何以確保推移質(zhì)泥沙不會(huì)直接進(jìn)入沉砂池;如何保證中小水時(shí)期,電站仍能正常引水發(fā)電;沉砂池的沉沙以及排沙效率等[3]。要解決上述問(wèn)題,該模型設(shè)計(jì)在考慮水工模型問(wèn)題研究的同時(shí)還必須考慮推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)相似和懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)相似問(wèn)題研究。
由于水工模型設(shè)計(jì)往往所選比尺不能過(guò)大(或模型不能做得過(guò)?。欢嗌衬P驮O(shè)計(jì)又需要模擬河段不能過(guò)短,模型比尺不能選得過(guò)小(或模型不能做得過(guò)大)。尤其是全沙模型須同時(shí)滿足泥沙起動(dòng)與沉降運(yùn)動(dòng)相似,只有選用輕質(zhì)沙來(lái)做模型沙。但這種沙又大大地放大了粒徑比尺,這顯然又不利于卵石推移質(zhì)泥沙的模擬。因此,這類(lèi)模型的選沙往往是極為困難的,甚至是難以實(shí)施的。
為確保水工、泥沙問(wèn)題的統(tǒng)籌模擬,基于該模型問(wèn)題的研究特點(diǎn),采用常用的也是行之有效的解決途徑主要是三分一合。即模型設(shè)計(jì)時(shí),將屬于河道的(推移質(zhì))泥沙運(yùn)動(dòng)問(wèn)題與屬于沉沙內(nèi)的(懸移質(zhì))泥沙運(yùn)動(dòng)問(wèn)題分開(kāi)來(lái)研究,并將粒度較大的卵石推移質(zhì)泥沙與粒度較小的沙質(zhì)推移質(zhì)泥沙分開(kāi)來(lái)模擬;按電站引水最小限定粒徑d>0.2 mm 的沉降率的要求,將大于0.2 mm 的懸移質(zhì)泥沙與小于0.2 mm 的懸移質(zhì)分開(kāi)來(lái)模擬。同時(shí)將相對(duì)較細(xì)的沙質(zhì)推移質(zhì)與懸移質(zhì)中相對(duì)較粗的床沙質(zhì)合在一起模擬。能采用三分一合的研究途徑是因?yàn)椋?/p>
1)首先,要確保上馬蒂水電站中小水期引水,在河道中進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋M向開(kāi)挖引水槽是不可避免的。探討挖槽形態(tài)有利于取水防沙(主要是卵石推移質(zhì)泥沙)是該模型的重要問(wèn)題研究之一。其次,引水河道與沉砂池本身就是兩個(gè)不同的引水河段,河道內(nèi)的泥沙是通過(guò)電站的引水進(jìn)入沉砂池的,通常進(jìn)入沉砂池的泥沙其量級(jí)是很難測(cè)量的。分開(kāi)成兩個(gè)問(wèn)題來(lái)研究,對(duì)于準(zhǔn)確確定沉砂池的沉沙率是十分有益的。因此,河道泥沙與沉砂池泥沙問(wèn)題研究本身是可能分而研之的。
2)上馬蒂水電站的河床坡降過(guò)大(J=2.5%),床面泥沙大多屬于卵石推移質(zhì)。這部分泥沙量大、力度大,進(jìn)入沉砂池后是很難經(jīng)排沙廊道排放的,是重點(diǎn)防止直接進(jìn)入沉砂池的。而沙質(zhì)推移質(zhì)力度相對(duì)較細(xì),即使進(jìn)入沉砂池后仍有機(jī)會(huì)通過(guò)排沙廊道排放出沉砂池。將卵石推移質(zhì)與沙質(zhì)推移質(zhì)分開(kāi)來(lái)研究是可能的。
3)由于泥沙沉降往往受制于含沙濃度的影響,只要獲得不同濃度條件下,沉砂池的沉沙效率,就能有效確定電站引水泥沙的粒度分布。因此,以電站引水最小限定粒徑(d=0.2 mm)將懸移質(zhì)泥沙劃分為床沙質(zhì)(按不同粒度模擬)與較細(xì)泥沙(只模擬濃度)的做法,不僅為有效測(cè)定提供了方便,其所測(cè)定的沉沙率也是偏于安全的。
4)沙質(zhì)推移質(zhì)與床沙質(zhì)本屬于同一粒度范圍的泥沙。其區(qū)別主要在于前者多沿床面表面運(yùn)動(dòng),而后者主要是在水體中運(yùn)動(dòng),二者總是隨著水流的變化,始終處于不斷交換的運(yùn)動(dòng)之中。將其合并在一起并以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似設(shè)計(jì)是一種行之有效的慣用模擬途徑。
為使模型既能滿足泥沙問(wèn)題研究需要,也能同時(shí)滿足水工問(wèn)題研究的要求,設(shè)計(jì)必須進(jìn)行統(tǒng)籌考慮其所有相關(guān)問(wèn)題,除滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求外,模型設(shè)計(jì)還遵從以下原則:
1)模型采用正態(tài),即采用佛汝德數(shù)相似條件。此外,模型設(shè)計(jì)必須滿足流態(tài)的相似要求,考慮場(chǎng)地的限制條件及模型制作的便利等因素。綜合考慮上述要求,確定模型幾何比尺。
2)模型設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于河道卵石推移質(zhì)泥沙而言,模型設(shè)計(jì)遵循推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主懸移質(zhì)為輔的設(shè)計(jì)原則;對(duì)于沙質(zhì)推移質(zhì)和懸移質(zhì)中粗相體泥沙(屬于床沙質(zhì)部分)則以懸移質(zhì)為主設(shè)計(jì),并以原型沙作為模型沙;對(duì)于懸移質(zhì)中的細(xì)相體(d<0.2 mm 部分)則模型只模擬濃度的大小,并以滑石粉為模型沙[4]。
3)模型設(shè)計(jì)除需要滿足水流運(yùn)動(dòng)相似外,必須滿足泥沙起動(dòng)和沉降相似。
3.4.1 地形模擬
模型平面按樞紐區(qū)1∶1 000 地形圖布置三角網(wǎng)控制,控制點(diǎn)位置用全站儀交匯施放。地形施放用斷面板法,模板間距視地形變化情況一般為50 cm(模型值)。
3.4.2 建筑物模擬
鑒于此次試驗(yàn)需要觀察水流流態(tài)、量測(cè)流速分布,按相似性要求并考慮到利于觀測(cè)和模型修改,溢流堰、沉砂池及沖沙閘等建筑物均采用有機(jī)玻璃制作。
溢流堰、沉砂池及沖沙閘糙率采用0.014,根據(jù)糙率比尺λn=1.919 4 計(jì)算得,溢流堰模型糙率為0.007 3。有機(jī)玻璃的糙率一般為0.008 左右,與模型中上述建筑物的糙率有一定差別,故在模型上溢流堰、沉砂池及沖沙閘的過(guò)流能力比它們實(shí)際過(guò)流能力要小一些;同時(shí)考慮到有機(jī)玻璃制作的建筑物存在接頭,其實(shí)際糙率值應(yīng)大于0.008。因此,從糙率對(duì)過(guò)流能力的影響來(lái)看,在模型上測(cè)得的上游水位應(yīng)比實(shí)際上游水位略微偏高,但是,對(duì)工程來(lái)說(shuō)這是偏于安全的。
模型試驗(yàn)采用恒定流試驗(yàn)方法,用IFM4080K電磁流量計(jì)控制模型來(lái)流量;用HD-4B 型電腦流速儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的流速及流向;水位采用固定測(cè)針測(cè)量;水深采用活動(dòng)測(cè)針結(jié)合鋼尺測(cè)量;用測(cè)壓牌觀測(cè)溢流壩過(guò)流斷面動(dòng)水壓力[5];人工觀察記錄水流流態(tài),并用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄。
模型制作完成并測(cè)試后,進(jìn)行了一系列的模型試驗(yàn),包括:溢流堰泄流能力試驗(yàn),溢流堰與沖砂閘聯(lián)合泄流能力試驗(yàn),溢流堰時(shí)均動(dòng)水壓力試驗(yàn),各工況下沿程水面線及沉砂池沉排砂效果等等,都獲得了與計(jì)算相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果,滿足工程設(shè)計(jì)的要求,沖砂閘和沉砂池進(jìn)口閘的聯(lián)合調(diào)度達(dá)到了較好的進(jìn)水口處排沙防淤效果。以下主要介紹按照模型試驗(yàn)結(jié)果需要進(jìn)行調(diào)整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1)由于上游河勢(shì)向左側(cè)轉(zhuǎn)彎,屬于左凸彎道河段,主流偏向左側(cè),天然河床坡降較大,來(lái)流流速較大,直接頂沖翼墻,左岸上游1/4 圓柱形翼墻阻水嚴(yán)重,水流翻越翼墻,直接進(jìn)入左岸導(dǎo)墻左側(cè)回填區(qū),影響溢流堰處流態(tài)及泄流能力。溢流堰前水位939.2 m。
2)溢流堰下游消力池內(nèi),水躍基本上在消力池范圍內(nèi)。但在消力池左岸20 m 范圍內(nèi)有一個(gè)回流區(qū),影響了消力池的消能效果。池中部水位為935.45m;水流在海漫上有一定的壅高,水位為935.85 m;而海漫兩側(cè)邊墻的高程為934 m,邊墻的高度均顯不夠。
3)由于該段河道縱坡較大,上游來(lái)水流速偏大,導(dǎo)墻頂高程偏低,上游縱向?qū)︻^部出現(xiàn)頂沖水躍。在設(shè)計(jì)洪水流量時(shí)導(dǎo)墻頂部淹沒(méi)水下,并且溢流壩與沖沙閘之間的縱向?qū)Τ霈F(xiàn)向沖沙閘側(cè)翻水翻砂現(xiàn)象,大量推移質(zhì)泥砂由主河道翻過(guò)導(dǎo)墻直接進(jìn)入沖砂閘側(cè)。
4)沉砂池轉(zhuǎn)彎段和工作段之間的擴(kuò)散段,水面落差較大,尤其轉(zhuǎn)彎段狹窄流速大,造成水流經(jīng)過(guò)擴(kuò)散段后流速極為紊亂,分布不均,尤其是右箱中段局部還存在回流,這對(duì)沉砂效果極為不利[6]。
針對(duì)模型試驗(yàn)中反映出的技術(shù)問(wèn)題,分析研究后提出如下建議:
1)建議取消直立式翼墻,改為更加平順的護(hù)岸型式;
2)調(diào)整消力池左岸擋墻結(jié)構(gòu)及高程,避免回流及擋墻高程不足;
3)建議在模型試驗(yàn)中,結(jié)合引導(dǎo)水流,研究溢流壩與沖沙閘之間的導(dǎo)墻平面布置和墻頂高程;
4)建議采用工程措施改善沉砂池內(nèi)水流流態(tài),使其更加平穩(wěn)均勻。
針對(duì)模型試驗(yàn)的結(jié)果和建議,對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了重新復(fù)核,最終對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化:
1)原左岸圓弧形漿砌石翼墻改為鋼筋混凝土貼坡,保持溢流堰前水流平順,并避免了設(shè)計(jì)洪水位時(shí)洪水翻越翼墻沖刷墻后回填區(qū)。對(duì)消力池左側(cè)擋墻也相應(yīng)調(diào)整為貼坡型式,保持整體平順避免回流,并抬高坡頂高程滿足超高需要。
2)導(dǎo)墻長(zhǎng)度不變,頂高程抬高至940.50 m,避免了溢流壩側(cè)向沖沙閘側(cè)翻水翻砂現(xiàn)象,保持進(jìn)水口前水流平順和少砂。
3)為了改善沉砂池水流流態(tài),考慮在轉(zhuǎn)彎段末尾增設(shè)整流柵,并專(zhuān)門(mén)針對(duì)整流柵方案進(jìn)行了研究,設(shè)置之后流態(tài)獲得極大改善,流速均勻,尾段流速降低。
模型還進(jìn)行了諸多其他試驗(yàn)內(nèi)容,包括沉砂池沉砂效果試驗(yàn),排砂孔排砂效率試驗(yàn)及電站取水防砂試驗(yàn)等,均取得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和重要成果,對(duì)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化起到一定的指導(dǎo)作用。
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