水工模型試驗在小水電設計中的重要性研究

董麗麗

摘要：在水電站的建設過程中，進行水工模型試驗的重要性已經在專業領域內得到了廣泛的認可，但是在小水電設計中卻沒有得到廣泛的應用，不能取得專家與學者的一致認可，有部分專家認為水電試驗模型是進行基礎設計的前提，但也有部分學者認為此舉是對資金和時間的浪費，小水電的規模較小，建設投資較少，研究經費不足，建設工期較短，但這些因素都不能成為阻礙水工模型試驗的因素，對此，必須加強對水工模型試驗的重視。本文主要分析了水工模型試驗在小水電設計中的重要性。

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.

關鍵詞：水工模型試驗；小水電設計；重要性

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

中圖分類號：TV742 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0180-03

0 引言

我國的小水電建設資源十分豐富，分布在1500個山區，對于適合中國發展國情的水電建設，國家和有關部門需要給予高度的的重視，必須提高小水電的建設質量，使其切實為我國的經濟建設發展服務。在大型水電站的建設中，水工模型試驗已經得到重視和推廣，但是在小水電的建設中卻沒有得到普及應用，對水工模型試驗的忽視將會造成一筆不小的經濟損失，缺乏準確的試驗模型與實際工程操作相對比，在應用操作中產生的誤差將無法預估，導致工程建設后患無窮，后期的維護與運營成本將會大大增加，甚至出現水庫垮壩的現象，給附近的居民造成人身和財產的損失，因此，必須加強小水電建設中對水工模型試驗的重視。

1 水工模型試驗的研究范圍及試驗特點

水工模型試驗主要研究了泄水建筑物水力學特征、水電站水力學特征、船閘水力學特征、魚道水力學特征和其他專題研究，根據水流相似理論，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相應的線性長度保持固定的比例關系，需要保持原型與模型的運動方式和任何相應點的速度、加速度方向相同、大小比例呈同一比例，兩個流動的速度場呈幾何相似，流速比尺和加速度比尺與時間比尺、長度比尺都是相互關聯的，因此必須保證數據的準確性，其次，動力相似性，原型和模型中作用于任何相應點的力都具有相同性質的力并且大小相同方向一致。同時保持原型與模型的完全相似，動力相似、運動相似、幾何相似，相互關聯互為條件，三者統一完整，在實際的工程建設中，流經閘、壩的水流有自由液面，重力在其中起到主導作用，牛頓相似準則滿足原型與模型在單項力上的力學相似，在重力起主導作用的系統中，必須要保證原型和模型的弗汝德數相等。在各種物理數據的任意選擇之下，需要推導一下關系，阻力平方區的紊流阻力相似準則，需要模型與原型的沿程水頭損失系數相等，滿足模型與原型流動的阻力相似，保證用弗汝德數準則進行阻力相似模型的設計。

在水工模型設計中，需要注意以下問題，當原型水流是紊流時，模型中的水流應當是紊流，河道模型在設計的過程中，需要選擇多個流速較小的斷面進行校核。當原型水流是緩流或急流，模型中也要設計為緩流或急流。在阻力相似的模型設計過程中，要保持粗糙系數的相似，同時驗證模型水流是否在阻力平方區。在實現重力相似的基礎上，必須滿足以下條件：模型水流應進入阻力平方區，模型糙率達不到相似要求時，需要進行糙率校正，保證水深不宜小于3m，同時模型表面流速宜大于23n/cm，水工建筑物模型供水系統設施需要具備完整的供水系統設施如蓄水池、動力泵、平水塔、配水管和回水槽等。供水設備需要滿足以下要求，蓄水池采用矩形或圓形，按試驗室面積乘以10-30em水深估算，動力泵采用離心式水泵。具備天然條件的水工試驗室可采用自流式供水系統，修建玻璃水槽、高水箱和壓力箱等通用性固定設備進行實驗裝置的加固。壓力箱技術規格應當滿足以下條件，箱體使用平臥圓筒形，壓力不超過196kPa（20m水頭），保證壓力箱應自成供水體系，采用電機穩流器；保持恒定的水流量，使實驗設計更符合工程施工環境，在箱內安裝穩流裝置，保證水流出流的均勻與穩定。結構強度按壓力容器設計需要滿足以下條件：水位、水面量測儀器在使用時水位測針用于測恒定流水位，選型應滿足量程和精度等要求，自動跟蹤水位計用于測非恒定流水位，選型應滿足量程范圍和跟蹤速度等要求，波高儀用于測水而波動，選型應與二次儀表匹配。壓強量測儀器的壓力測壓管用于測恒定流時均壓力測壓孔內徑應小于2mm，孔口應垂直邊壁，且與過流面齊平，玻璃管）內徑宜大于1cm，保證管徑的均勻，管身需要保持直立，零傲高程由水準儀校正。壓力箱技術規格應當整體應采用平臥圓筒形，供水量不小于100L/s，壓力不超過196kPa。壓力箱應具備供水體系，可使用電機穩流器，箱內應設有穩流裝置，以保證流出水速的均勻，具有結構強度按壓力容器。如：水位量測儀器，水位測針用于測量恒定流水位，注意量程和精度等要求。自動跟蹤水位計用于測非恒定流水位，注意程范圍和跟蹤速度等要求，波高儀用于測水而波動，注意與二次儀表匹配。endprint

壓力數據對于實驗的設計十分關鍵，壓強超過3m水柱時，必須使用汞柱測壓計。當壓強超過10m水柱時，需要使用壓力表。液柱比壓計用于測兩點間的壓強差，工作液體應滿足以下要求：首先，不粘管壁，數值清晰，并且與水接觸不混合，其次，環保性強，不污染環境、不具有腐蝕性，溫度變化對重率影響小，最后，擁有穩定的化學性能。晶體壓力傳感器用于測動態壓力和脈動壓力，必須保證感應膜直徑小于5mm，輸出信號與二次儀表匹配，綜合精度準確這些要求，保證實驗的數據準確。

2 水工模型試驗在小水電建設工程的應用現狀

依據基本的建筑程序，在水電站的設計中，水工模型試驗發揮了關鍵的作用。

以芷江縣長泥坪水電站的修建為例，在設計的初期階段，由三峽大學主辦的水工模型試驗為后期的工程建設起到了巨大的參考作用，利用水流與模型的相似性，將原形中復雜的水流運動在模型實驗中進行預演，避免了施工過程中各種突發狀況的發生導致工期的延誤，水電站的建設位于舞水流域的下游地區，水電建設兼航運與發電為主，有旅游開發的綜合效益，水庫的總裝機容量為20MW，工程建設分為三個等級，樞紐工程為攔河大壩，經過試驗證明，電站廠的布置應當設置在溢流壩左側，在實際的水電建設中得到了應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，減少了施工事故的產生，在降低事故發生危險的同時有效地提升了水電建設本身的質量。

3 水電站運行過程中出現的問題

3.1 缺乏相關管理制度

水力發電使用的系統是自動化調度系統，但在使用過程中，缺少相關制度保障，不利于水電網的調度運行和管理。

比如：不僅缺乏實踐經驗，而且缺乏實踐管理經驗，甚至沒有制定相關的管理制度，從而導致在操作運行和維護中常常處于“無章可循”的被動狀態。為此，及時制定出既有效又安全的保障制度，保證系統的安全運行和管理才是王道。

3.2 配置技術人員不合理

在水力發電過程中，大部分人員只重視設備的“使用”，而對發電過程當中的“管理”不屑一顧，如，技術人員知識儲備不到位，甚至沒有上崗作業證，一旦發生安全問題損失難以估計，管理人員只知道一味推卸責任，對水電運行系統的連續、安全、穩定運行及其不利。因此必須杜絕這種不負責現象的發生，使“安全操作”和“安全管理”齊頭并進。

3.3 缺乏專業技術人員

部分發展地區，即使政府和相關部門非常重視水電行業的發展，但運行維護工作依然不能滿足現實需要。主要的原因是缺乏相關專業人員，難以從根本上解決系統運行的安全性和穩定性問題，從而限制了水力發電系統發揮應有的作用。

4 水工模型試驗對于水電建設的作用

4.1 便于選擇最佳水力參數

小水電站建設作為低水頭的水工建筑物，壩高較低，但實際泄洪能力與設計計算是否相符合，直接影響到水電站的泄流能力，避免泄流能力不足導致漫壩，需要找到合適的流量系數，支持工程建設的進展。在進行泄流能力計算時，需要對過流阻力系數進行查找和計算。泄水建筑物的原形水流都是三元水流，流態較為復雜，在水利手冊查找的過程中，難以找到準確的數據，因此需要進行水工模型實驗，依據設計人員在水力參數的選取上做出的更正，為建筑工程提供準確的系數。水電站在設計的過程中，應當避免誤差。通過設計計算分析，經過泄流能力實驗。確定閘門開閉的情況分為局部開啟和全部開啟兩種情況，最后依據實驗結果，建立回歸方程式，為建筑工程計算提供參考。記錄洪水時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。經過專業的計算，確定建筑物的規模、尺寸以及水力參數，使整個設計更加科學可靠。

4.2 利于工程的防滲、排水設計

水電站的壩基基本上由砂巖、砂質泥巖構成，容易變形，抵抗滲透能力較差。滲流將會造成閘室抗滑穩定性的降低，較為嚴重的滲流將會造成基地的變形甚至坍塌，通過在上游設置短板樁，增加滲徑，減少了滲流事故的發生，降低了工程造價和施工難度，多種深槽設計加大了徑流，為滲流計算提供了重要依據，為設計方案的科學修改提供了重要參考。

4.3 便于閘門設計及調度

閘門的設計與關閉對于水電站的運行具有重要意義，但實際的運行過程中發揮了重要作用。閘門頂水柱壓力試驗分為不同閘門形式和體型的優化進行比較，在水利手冊中無法得到的數據經過水工模型實驗得到了論證。在設計過程中應盡可能的減少對河對岸的沖刷和對尾水產生回流的影響。盡可能的減少導墻的尺寸，在閘門開啟時遠離靠廠房的3孔閘門，根據上下游的不同流量情況，設置閘門合理的開啟方式。

4.4 優化消能，便于防沖設計的設置

在水工模型實驗的過程中，需要對設計水頭，設計流量和河床地質條件泄水建筑物的布置范圍進行全面的調度，參考實際河流上下游的水深、河道的寬度、徑流流速進行局部動床沖刷試驗，對沖坑設計實際操作，找出與水力手冊提供數據中的差距，經過精確的實驗，找出確定小水電工程實際施工的參數參考依據，最終確定沖水坑的實際深度，做好防沖設計。

隨著經濟社會的不斷發展，我國的小水電站設計擁有著廣闊的發展前景與市場，為了進一步促進我國水力資源的開發，應當更加重視小水電建設，為我國的經濟社會發展做出更大的貢獻。

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