水工模型試驗(yàn)在小水電設(shè)計(jì)中的重要性研究

董麗麗

摘要：在水電站的建設(shè)過程中，進(jìn)行水工模型試驗(yàn)的重要性已經(jīng)在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可，但是在小水電設(shè)計(jì)中卻沒有得到廣泛的應(yīng)用，不能取得專家與學(xué)者的一致認(rèn)可，有部分專家認(rèn)為水電試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪沁M(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的前提，但也有部分學(xué)者認(rèn)為此舉是對(duì)資金和時(shí)間的浪費(fèi)，小水電的規(guī)模較小，建設(shè)投資較少，研究經(jīng)費(fèi)不足，建設(shè)工期較短，但這些因素都不能成為阻礙水工模型試驗(yàn)的因素，對(duì)此，必須加強(qiáng)對(duì)水工模型試驗(yàn)的重視。本文主要分析了水工模型試驗(yàn)在小水電設(shè)計(jì)中的重要性。

Abstract： The importance of hydraulic model test has been widely recognized in the field of hydropower station construction. However， it has not been widely used in the design of small hydropower stations and can not be approved by experts and scholars alike. Some experts think that the hydropower test model is the prerequisite for basic design. However， some scholars think this measure is a waste of capital and time. Small hydropower has small scale， less construction investment， insufficient research funding， short construction period. However， none of these factors can become a factor impeding the hydraulic model test. In this regard， the emphasis on hydraulic model test must be strengthened. This paper mainly analyzes the importance of hydraulic model test in the design of small hydropower.

關(guān)鍵詞：水工模型試驗(yàn)；小水電設(shè)計(jì)；重要性

Key words： hydraulic model test；small hydropower design；importance

中圖分類號(hào)：TV742 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）02-0180-03

0 引言

我國(guó)的小水電建設(shè)資源十分豐富，分布在1500個(gè)山區(qū)，對(duì)于適合中國(guó)發(fā)展國(guó)情的水電建設(shè)，國(guó)家和有關(guān)部門需要給予高度的的重視，必須提高小水電的建設(shè)質(zhì)量，使其切實(shí)為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展服務(wù)。在大型水電站的建設(shè)中，水工模型試驗(yàn)已經(jīng)得到重視和推廣，但是在小水電的建設(shè)中卻沒有得到普及應(yīng)用，對(duì)水工模型試驗(yàn)的忽視將會(huì)造成一筆不小的經(jīng)濟(jì)損失，缺乏準(zhǔn)確的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際工程操作相對(duì)比，在應(yīng)用操作中產(chǎn)生的誤差將無法預(yù)估，導(dǎo)致工程建設(shè)后患無窮，后期的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)成本將會(huì)大大增加，甚至出現(xiàn)水庫垮壩的現(xiàn)象，給附近的居民造成人身和財(cái)產(chǎn)的損失，因此，必須加強(qiáng)小水電建設(shè)中對(duì)水工模型試驗(yàn)的重視。

1 水工模型試驗(yàn)的研究范圍及試驗(yàn)特點(diǎn)

水工模型試驗(yàn)主要研究了泄水建筑物水力學(xué)特征、水電站水力學(xué)特征、船閘水力學(xué)特征、魚道水力學(xué)特征和其他專題研究，根據(jù)水流相似理論，原型與模型保持幾何形狀和幾何尺寸的相同，原型和模型的任何一個(gè)相應(yīng)的線性長(zhǎng)度保持固定的比例關(guān)系，需要保持原型與模型的運(yùn)動(dòng)方式和任何相應(yīng)點(diǎn)的速度、加速度方向相同、大小比例呈同一比例，兩個(gè)流動(dòng)的速度場(chǎng)呈幾何相似，流速比尺和加速度比尺與時(shí)間比尺、長(zhǎng)度比尺都是相互關(guān)聯(lián)的，因此必須保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其次，動(dòng)力相似性，原型和模型中作用于任何相應(yīng)點(diǎn)的力都具有相同性質(zhì)的力并且大小相同方向一致。同時(shí)保持原型與模型的完全相似，動(dòng)力相似、運(yùn)動(dòng)相似、幾何相似，相互關(guān)聯(lián)互為條件，三者統(tǒng)一完整，在實(shí)際的工程建設(shè)中，流經(jīng)閘、壩的水流有自由液面，重力在其中起到主導(dǎo)作用，牛頓相似準(zhǔn)則滿足原型與模型在單項(xiàng)力上的力學(xué)相似，在重力起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)中，必須要保證原型和模型的弗汝德數(shù)相等。在各種物理數(shù)據(jù)的任意選擇之下，需要推導(dǎo)一下關(guān)系，阻力平方區(qū)的紊流阻力相似準(zhǔn)則，需要模型與原型的沿程水頭損失系數(shù)相等，滿足模型與原型流動(dòng)的阻力相似，保證用弗汝德數(shù)準(zhǔn)則進(jìn)行阻力相似模型的設(shè)計(jì)。

在水工模型設(shè)計(jì)中，需要注意以下問題，當(dāng)原型水流是紊流時(shí)，模型中的水流應(yīng)當(dāng)是紊流，河道模型在設(shè)計(jì)的過程中，需要選擇多個(gè)流速較小的斷面進(jìn)行校核。當(dāng)原型水流是緩流或急流，模型中也要設(shè)計(jì)為緩流或急流。在阻力相似的模型設(shè)計(jì)過程中，要保持粗糙系數(shù)的相似，同時(shí)驗(yàn)證模型水流是否在阻力平方區(qū)。在實(shí)現(xiàn)重力相似的基礎(chǔ)上，必須滿足以下條件：模型水流應(yīng)進(jìn)入阻力平方區(qū)，模型糙率達(dá)不到相似要求時(shí)，需要進(jìn)行糙率校正，保證水深不宜小于3m，同時(shí)模型表面流速宜大于23n/cm，水工建筑物模型供水系統(tǒng)設(shè)施需要具備完整的供水系統(tǒng)設(shè)施如蓄水池、動(dòng)力泵、平水塔、配水管和回水槽等。供水設(shè)備需要滿足以下要求，蓄水池采用矩形或圓形，按試驗(yàn)室面積乘以10-30em水深估算，動(dòng)力泵采用離心式水泵。具備天然條件的水工試驗(yàn)室可采用自流式供水系統(tǒng)，修建玻璃水槽、高水箱和壓力箱等通用性固定設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的加固。壓力箱技術(shù)規(guī)格應(yīng)當(dāng)滿足以下條件，箱體使用平臥圓筒形，壓力不超過196kPa（20m水頭），保證壓力箱應(yīng)自成供水體系，采用電機(jī)穩(wěn)流器；保持恒定的水流量，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更符合工程施工環(huán)境，在箱內(nèi)安裝穩(wěn)流裝置，保證水流出流的均勻與穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按壓力容器設(shè)計(jì)需要滿足以下條件：水位、水面量測(cè)儀器在使用時(shí)水位測(cè)針用于測(cè)恒定流水位，選型應(yīng)滿足量程和精度等要求，自動(dòng)跟蹤水位計(jì)用于測(cè)非恒定流水位，選型應(yīng)滿足量程范圍和跟蹤速度等要求，波高儀用于測(cè)水而波動(dòng)，選型應(yīng)與二次儀表匹配。壓強(qiáng)量測(cè)儀器的壓力測(cè)壓管用于測(cè)恒定流時(shí)均壓力測(cè)壓孔內(nèi)徑應(yīng)小于2mm，孔口應(yīng)垂直邊壁，且與過流面齊平，玻璃管）內(nèi)徑宜大于1cm，保證管徑的均勻，管身需要保持直立，零傲高程由水準(zhǔn)儀校正。壓力箱技術(shù)規(guī)格應(yīng)當(dāng)整體應(yīng)采用平臥圓筒形，供水量不小于100L/s，壓力不超過196kPa。壓力箱應(yīng)具備供水體系，可使用電機(jī)穩(wěn)流器，箱內(nèi)應(yīng)設(shè)有穩(wěn)流裝置，以保證流出水速的均勻，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按壓力容器。如：水位量測(cè)儀器，水位測(cè)針用于測(cè)量恒定流水位，注意量程和精度等要求。自動(dòng)跟蹤水位計(jì)用于測(cè)非恒定流水位，注意程范圍和跟蹤速度等要求，波高儀用于測(cè)水而波動(dòng)，注意與二次儀表匹配。endprint

壓力數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，壓強(qiáng)超過3m水柱時(shí)，必須使用汞柱測(cè)壓計(jì)。當(dāng)壓強(qiáng)超過10m水柱時(shí)，需要使用壓力表。液柱比壓計(jì)用于測(cè)兩點(diǎn)間的壓強(qiáng)差，工作液體應(yīng)滿足以下要求：首先，不粘管壁，數(shù)值清晰，并且與水接觸不混合，其次，環(huán)保性強(qiáng)，不污染環(huán)境、不具有腐蝕性，溫度變化對(duì)重率影響小，最后，擁有穩(wěn)定的化學(xué)性能。晶體壓力傳感器用于測(cè)動(dòng)態(tài)壓力和脈動(dòng)壓力，必須保證感應(yīng)膜直徑小于5mm，輸出信號(hào)與二次儀表匹配，綜合精度準(zhǔn)確這些要求，保證實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2 水工模型試驗(yàn)在小水電建設(shè)工程的應(yīng)用現(xiàn)狀

依據(jù)基本的建筑程序，在水電站的設(shè)計(jì)中，水工模型試驗(yàn)發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

以芷江縣長(zhǎng)泥坪水電站的修建為例，在設(shè)計(jì)的初期階段，由三峽大學(xué)主辦的水工模型試驗(yàn)為后期的工程建設(shè)起到了巨大的參考作用，利用水流與模型的相似性，將原形中復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)在模型實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行預(yù)演，避免了施工過程中各種突發(fā)狀況的發(fā)生導(dǎo)致工期的延誤，水電站的建設(shè)位于舞水流域的下游地區(qū)，水電建設(shè)兼航運(yùn)與發(fā)電為主，有旅游開發(fā)的綜合效益，水庫的總裝機(jī)容量為20MW，工程建設(shè)分為三個(gè)等級(jí)，樞紐工程為攔河大壩，經(jīng)過試驗(yàn)證明，電站廠的布置應(yīng)當(dāng)設(shè)置在溢流壩左側(cè)，在實(shí)際的水電建設(shè)中得到了應(yīng)用并取得了良好的成效，使許多水電工程為得以解決，方便了工程建設(shè)，減少了施工事故的產(chǎn)生，在降低事故發(fā)生危險(xiǎn)的同時(shí)有效地提升了水電建設(shè)本身的質(zhì)量。

3 水電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

3.1 缺乏相關(guān)管理制度

水力發(fā)電使用的系統(tǒng)是自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)，但在使用過程中，缺少相關(guān)制度保障，不利于水電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行和管理。

比如：不僅缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且缺乏實(shí)踐管理經(jīng)驗(yàn)，甚至沒有制定相關(guān)的管理制度，從而導(dǎo)致在操作運(yùn)行和維護(hù)中常常處于“無章可循”的被動(dòng)狀態(tài)。為此，及時(shí)制定出既有效又安全的保障制度，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行和管理才是王道。

3.2 配置技術(shù)人員不合理

在水力發(fā)電過程中，大部分人員只重視設(shè)備的“使用”，而對(duì)發(fā)電過程當(dāng)中的“管理”不屑一顧，如，技術(shù)人員知識(shí)儲(chǔ)備不到位，甚至沒有上崗作業(yè)證，一旦發(fā)生安全問題損失難以估計(jì)，管理人員只知道一味推卸責(zé)任，對(duì)水電運(yùn)行系統(tǒng)的連續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行及其不利。因此必須杜絕這種不負(fù)責(zé)現(xiàn)象的發(fā)生，使“安全操作”和“安全管理”齊頭并進(jìn)。

3.3 缺乏專業(yè)技術(shù)人員

部分發(fā)展地區(qū)，即使政府和相關(guān)部門非常重視水電行業(yè)的發(fā)展，但運(yùn)行維護(hù)工作依然不能滿足現(xiàn)實(shí)需要。主要的原因是缺乏相關(guān)專業(yè)人員，難以從根本上解決系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性問題，從而限制了水力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

4 水工模型試驗(yàn)對(duì)于水電建設(shè)的作用

4.1 便于選擇最佳水力參數(shù)

小水電站建設(shè)作為低水頭的水工建筑物，壩高較低，但實(shí)際泄洪能力與設(shè)計(jì)計(jì)算是否相符合，直接影響到水電站的泄流能力，避免泄流能力不足導(dǎo)致漫壩，需要找到合適的流量系數(shù)，支持工程建設(shè)的進(jìn)展。在進(jìn)行泄流能力計(jì)算時(shí)，需要對(duì)過流阻力系數(shù)進(jìn)行查找和計(jì)算。泄水建筑物的原形水流都是三元水流，流態(tài)較為復(fù)雜，在水利手冊(cè)查找的過程中，難以找到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行水工模型實(shí)驗(yàn)，依據(jù)設(shè)計(jì)人員在水力參數(shù)的選取上做出的更正，為建筑工程提供準(zhǔn)確的系數(shù)。水電站在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)避免誤差。通過設(shè)計(jì)計(jì)算分析，經(jīng)過泄流能力實(shí)驗(yàn)。確定閘門開閉的情況分為局部開啟和全部開啟兩種情況，最后依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立回歸方程式，為建筑工程計(jì)算提供參考。記錄洪水時(shí)流速狀況的分布和上下游流域的基本狀況，繪制水面圖與流速分布圖。經(jīng)過專業(yè)的計(jì)算，確定建筑物的規(guī)模、尺寸以及水力參數(shù)，使整個(gè)設(shè)計(jì)更加科學(xué)可靠。

4.2 利于工程的防滲、排水設(shè)計(jì)

水電站的壩基基本上由砂巖、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，容易變形，抵抗?jié)B透能力較差。滲流將會(huì)造成閘室抗滑穩(wěn)定性的降低，較為嚴(yán)重的滲流將會(huì)造成基地的變形甚至坍塌，通過在上游設(shè)置短板樁，增加滲徑，減少了滲流事故的發(fā)生，降低了工程造價(jià)和施工難度，多種深槽設(shè)計(jì)加大了徑流，為滲流計(jì)算提供了重要依據(jù)，為設(shè)計(jì)方案的科學(xué)修改提供了重要參考。

4.3 便于閘門設(shè)計(jì)及調(diào)度

閘門的設(shè)計(jì)與關(guān)閉對(duì)于水電站的運(yùn)行具有重要意義，但實(shí)際的運(yùn)行過程中發(fā)揮了重要作用。閘門頂水柱壓力試驗(yàn)分為不同閘門形式和體型的優(yōu)化進(jìn)行比較，在水利手冊(cè)中無法得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過水工模型實(shí)驗(yàn)得到了論證。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能的減少對(duì)河對(duì)岸的沖刷和對(duì)尾水產(chǎn)生回流的影響。盡可能的減少導(dǎo)墻的尺寸，在閘門開啟時(shí)遠(yuǎn)離靠廠房的3孔閘門，根據(jù)上下游的不同流量情況，設(shè)置閘門合理的開啟方式。

4.4 優(yōu)化消能，便于防沖設(shè)計(jì)的設(shè)置

在水工模型實(shí)驗(yàn)的過程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)水頭，設(shè)計(jì)流量和河床地質(zhì)條件泄水建筑物的布置范圍進(jìn)行全面的調(diào)度，參考實(shí)際河流上下游的水深、河道的寬度、徑流流速進(jìn)行局部動(dòng)床沖刷試驗(yàn)，對(duì)沖坑設(shè)計(jì)實(shí)際操作，找出與水力手冊(cè)提供數(shù)據(jù)中的差距，經(jīng)過精確的實(shí)驗(yàn)，找出確定小水電工程實(shí)際施工的參數(shù)參考依據(jù)，最終確定沖水坑的實(shí)際深度，做好防沖設(shè)計(jì)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的小水電站設(shè)計(jì)擁有著廣闊的發(fā)展前景與市場(chǎng)，為了進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)水力資源的開發(fā)，應(yīng)當(dāng)更加重視小水電建設(shè)，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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