水工建筑與河流工程的物理模型試驗(yàn)的研究

常樂(lè)樂(lè)

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們的生活水平也得到了顯著的提高。使我國(guó)水利工程迅速崛起，同時(shí)也增加了它自身的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，要想使該工程在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有力的位置，就要加強(qiáng)對(duì)水利工程的管理，對(duì)水利工程中的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深入性的分析和研究。在當(dāng)前形勢(shì)下，物理模型試驗(yàn)在水利工程建設(shè)與發(fā)展過(guò)程中起著極為關(guān)鍵的作用，可以有效解決水利工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)中所存在的問(wèn)題，以此來(lái)更好的推動(dòng)水利工程的發(fā)展。因此，本文以美國(guó)SidneyA.Murrayjy水電站的物理模型試驗(yàn)為研究對(duì)象，對(duì)水工建筑與河流工程的物理模型試驗(yàn)進(jìn)行深入性的研究，從為其他水利工程提供有力的借鑒。

關(guān)鍵詞：水工建筑;河流工程;物理模型

根據(jù)目前情況來(lái)看，水工建筑與河流工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中已經(jīng)成為支柱性產(chǎn)業(yè)，但是，由于外界各種因素的影響和沖擊，在加上水工及河工問(wèn)題比較復(fù)雜，極大的增加了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也使有許多自然額現(xiàn)象和內(nèi)在的機(jī)理沒(méi)有使人們給予充足的認(rèn)識(shí)和了解，不利于水工建筑工程的發(fā)展與建設(shè)。所以施工人員要深入開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，對(duì)水工建筑與河流工程的性能進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，并采用有效的方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理化的優(yōu)化，以此來(lái)更好提升原型建筑物整體的性能，保障人們的生命安全，從而實(shí)現(xiàn)水流工程現(xiàn)代化的建設(shè)與發(fā)展。

1電廠鄰近閘控壩

圖1主要表示為低水頭電站鄰近閘控壩的一種設(shè)置形式，對(duì)于這種形式來(lái)講，會(huì)由一非常大的邊墩樹(shù)立在電廠和閘控壩之間，將電廠與閘控壩分開(kāi)，由于多種因素的影響，例如受側(cè)向行近水流、邊墩伸出等，在電站進(jìn)口的位置上會(huì)形成一種立軸漩渦、平軸漩滾，不僅會(huì)對(duì)電廠的進(jìn)水口造成嚴(yán)重的影響，還會(huì)嚴(yán)重影響攔污柵的水流方向。根據(jù)傳統(tǒng)的修建方式表明，由于機(jī)組3和機(jī)組4在進(jìn)口的位置上會(huì)受到上述漩渦和漩滾直接性的影響，機(jī)組1和機(jī)組2的輸出功率與機(jī)組3和機(jī)組4進(jìn)行比較，相對(duì)來(lái)講比較小，所以在多樣化的運(yùn)行條件下，在機(jī)組1的前方的位置上，要使遮流部位形成一個(gè)夾氣立軸漩渦，這種旋渦相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，而且這些機(jī)組的振動(dòng)效果也比較嚴(yán)重，所以會(huì)在很大程度上使各種機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)疲勞的現(xiàn)象。還有研究表明，漩渦還非常容易吸取漂浮物，會(huì)攔污柵堵塞，極大降低了攔污柵水頭質(zhì)量。漂浮物在人流的過(guò)程中，長(zhǎng)邊墩會(huì)將大量的浮雜物進(jìn)行截留和積聚，使阻塞情況逐漸加重，情況一旦嚴(yán)重?zé)o法解決，就會(huì)威脅電廠的發(fā)展。

在過(guò)去10a中，人們通過(guò)利用水力學(xué)整體模型和局部模型，對(duì)上述工程布置中存在的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的分析和解決，例如：法國(guó)StEgreve和Voreppe、泰國(guó)的PaKMun工程等，在這種情況下，對(duì)工程提出了新型的布置理念和形式，可以在很大程度上消除運(yùn)行過(guò)程中所存在的問(wèn)題，使電站的穩(wěn)定性和安全性可以得到有效的提升。

2位于開(kāi)挖渠道中電廠布置分析

通過(guò)以美國(guó)SidneyA.Murrayjy水電站河流工程的物理模型試驗(yàn)作為研究對(duì)象，可以對(duì)水工建筑物的整體布局進(jìn)行深入性的分析，從而得出準(zhǔn)確的水力參數(shù)指，可以探索出有效的解決對(duì)策。

2.1原始設(shè)計(jì)分析。圖2是展現(xiàn)的電站建筑物的一種布局，位于開(kāi)挖引水渠道。

如果按照上述設(shè)計(jì)圖進(jìn)行布局，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)存在很多的問(wèn)題，問(wèn)題一旦無(wú)法及時(shí)的解決，就會(huì)引發(fā)各種危險(xiǎn)。例如：

2.1.1在渠道中會(huì)使流速出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，使河的一岸出現(xiàn)嚴(yán)重的淤積現(xiàn)象，另一岸就會(huì)出現(xiàn)流水沖刷的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不及時(shí)解決，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)使梯形渠道發(fā)生巨大的變化，會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)三角形渠，這樣就會(huì)對(duì)電站造成一定的影響，使電站進(jìn)口位置上的渠道斷面的輸水量分布不夠均勻。

2.1.2這種水流分布的形式，會(huì)嚴(yán)重威脅到電站進(jìn)口位置上水頭的質(zhì)量，會(huì)降低水頭的使用周期。

2.1.3將導(dǎo)墻設(shè)置在兩邊，雖然可以將近水流的方向得到有效的改善，但是還容易在機(jī)組1號(hào)和4號(hào)前形成一種夾氣漩渦，這種旋渦相對(duì)來(lái)講比較穩(wěn)定。

2.1.4在對(duì)導(dǎo)墻進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中還會(huì)形成一種風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，這種風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要是由木材堵塞而成，極大的增加了其自身的風(fēng)險(xiǎn)性。

2.2修改設(shè)計(jì)分析。根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行布局，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題，所以要及時(shí)采用有效的方法根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)的修改，其圖3是已經(jīng)修改過(guò)的渠道進(jìn)口，這樣可以有效將不對(duì)稱(chēng)的水流進(jìn)行及時(shí)的消除。

在渠道進(jìn)口的位置上要設(shè)置一個(gè)島，對(duì)水流進(jìn)行緩沖，這樣可以使進(jìn)口水流的流速和流量進(jìn)行均勻的分布;將兩邊的導(dǎo)墻取消，利用前池段渠道特點(diǎn)從而形成一個(gè)表面回流，這樣可以在很大程度上將夾氣漩渦進(jìn)行消除，將傳統(tǒng)的導(dǎo)墻和表面回流堵塞和取消，可以有效避免阻塞風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

這就是美國(guó)SidneyA·Murrayjy水電站的物理模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

2.2.1每個(gè)臺(tái)機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中，其出力效果相對(duì)比較均勻，發(fā)電出力值超出了預(yù)定值。

2.2.2在電廠進(jìn)口之前不會(huì)形成一種相對(duì)穩(wěn)定的旋渦。

2.2.3無(wú)法形成一種嚴(yán)重性的流木阻塞。

3尾水渠的補(bǔ)償作用

與總水頭的流速進(jìn)行比較，尾水管的出口水流值相對(duì)來(lái)講比較小，但是在低水頭水電站中，尾水渠起著極為關(guān)鍵的作用，它可以對(duì)水頭的作用進(jìn)行有效的恢復(fù)。社會(huì)各界人士在這個(gè)方面已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，在研究的過(guò)程中主要是采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。在縮尺模型上為了對(duì)尾水渠補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題進(jìn)行深入性的研究，要對(duì)尾水管出口的水流特性進(jìn)行反復(fù)的演習(xí)，除此之外，還要利用模型對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行反復(fù)的演習(xí)。通過(guò)對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行復(fù)演，可以對(duì)尾水管出口的水流特性進(jìn)行深入性的了解，并全面把握其特性。

4泥沙輸移

低水頭水電工程對(duì)于泥沙輸移來(lái)講，起著極為關(guān)鍵的作用，在這情況下，可以利用同一模型對(duì)其進(jìn)行深入性的研究，其主要的研究?jī)?nèi)容如下：

4.1在洪水期，及時(shí)排除上游水庫(kù)的泥沙淤積;

4.2渠道淤高對(duì)發(fā)電水頭造成了嚴(yán)重的影響;

4.3避免礫石通過(guò)電廠，提高電廠的運(yùn)行效率。

如果泥沙的粒徑比較大，就可以直接按照幾何的特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s小，但是在研究礫石、粗砂的輸移時(shí)，是完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，所以在這種情況下，要采用縮尺變形模型進(jìn)行解決。在對(duì)采用縮尺變形模型開(kāi)展試驗(yàn)的過(guò)程中，由于模型自身的特殊性，無(wú)法進(jìn)行模擬，所以對(duì)淤積和沖刷形態(tài)都造成了嚴(yán)重的影響，特別是在彎道中，所以一定避免進(jìn)行縮尺和變形。

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目前最為有效的一種方法就是根據(jù)其實(shí)際情況對(duì)泥沙的密度進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡母淖?，?duì)于上述例子中的工程來(lái)講，就是使用密度比尺變形的模型其效果非常顯著，其主要原理就是將原型的施工狀況進(jìn)行復(fù)演。復(fù)演成功之后，還要符合沉降和剪切的速度，除此之外，還要滿(mǎn)足與模型相似的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于低水頭水電工程來(lái)講，物理模型無(wú)論是方案設(shè)計(jì)中還是在結(jié)構(gòu)布置中都起到了非常顯著的作用。本文通過(guò)以美國(guó)SidneyA Murrayjy水電站河流工程的物理模型試驗(yàn)為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)中得到一定的啟發(fā)，并制定出具有針對(duì)性的解決對(duì)策，可以有效改善構(gòu)建工程整體的性能，降低工程中的風(fēng)險(xiǎn)性，使河流工程可以健康、長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，近些年，我國(guó)珠江流域沿線經(jīng)濟(jì)制定出了新的發(fā)展要求和要求，不僅推動(dòng)了水工建筑與河流工程的建設(shè)與發(fā)展，同時(shí)也給河流工程發(fā)熱物理模型試驗(yàn)帶來(lái)更好的發(fā)生契機(jī)，可以有效提高工程經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是根據(jù)目前情況來(lái)看，都是完全依靠分析與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的手段和方式，不僅無(wú)法解決水利工程的泥沙輸移情況，也無(wú)法推動(dòng)河段演變的形式，所以要將物理模型試驗(yàn)進(jìn)行合理化的應(yīng)用，并對(duì)其進(jìn)行深入性的研究，采取針對(duì)性的方式促進(jìn)水工建筑工程的發(fā)展。