水电站漂浮物堆积形态模拟方法探讨

2010-07-14吴时强童中山吴修锋

水利水电科技进展 2010年2期

吴时强,童中山,周辉,吴修锋

(1.南京水利科学研究院,江苏南京 210029;2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029)

我国大多数河床式径流水电站进口拦污栅前都堆积着大量的漂浮物,这些漂浮物的存在增加了电站进口的水头损失,严重干扰机组的正常运行,影响其发电效率,特别是在水量丰沛的洪水期,机组因污物堵塞而不能满负荷工作,经济损失巨大。如沙溪口水电站因污物造成的年电能损耗就达2.4×107kW◦h。此外,大量漂浮物囤积在电站进口,加大了拦污栅承受的荷载,对拦污栅的安全运行构成较大的威胁,同时也影响库区环境美观,造成库区水域水质恶化。因此水电站漂浮物综合治理是河床式径流电站所面临的一个难题。

目前水电站进水口处污物的处置方法主要有人工或机械清理、水电站调度运行、通过泄水建筑物排向下游、设置导漂系统(如拦污排)等,这些方法各有其适用范围和缺陷,无法十分有效地解决水电站漂浮物带来的问题[1-2]。

库区漂浮物运动及其堆积形态往往会影响其处置方式选择及其效果,因此通常利用水工模型试验来预测库区漂浮物的堆积形态,比选处置方式,评价漂浮物处置效果。但由于库区漂浮物种类复杂、形态各异、大小不一,其运动状况千差万别,漂浮物运动、堆积及其相互作用机理尚难以准确描述,要完整地模拟漂浮物堆积形态非常困难[3]。因此在模拟库区漂浮物堆积形态时,只能抓住漂浮物的主要特征加以模拟。本文结合沙溪口水电站,探讨漂浮物的运动规律和堆积形态模拟方法,提出相应的模型相似准则。

1 水电站漂浮物运动特性分析

漂浮物运动与水库内水流运动特别是表层水流运动状态紧密相连。但由于漂浮物种类和形状各异,漂浮物运动与水流运动不可能完全一致,因此这里仅就代表性的漂浮物运动特征进行说明。观察表明,在河流及水库中漂浮物输送呈明显的带状分布,漂浮物运动方向与水流的主流方向较为一致,大多数漂浮物沿水流主流方向运动。

主要的漂浮物随主流运动可从理论上加以解释。从明渠水流运动特性分布可知,受边界阻力影响,水流在平面上分布一般是中部流速大、两侧流速较小。图1为漂浮物随水流运动位置示意图。当漂浮物B面的水流速度大于A面的水流速度(uB＞uA)时,流速较小的漂浮物A面水流压力大于流速较大的B面水流压力,漂浮物在向前运动过程中,A,B 2个面之间存在一个压力差,该压力差将漂浮物推向主流一边,即漂浮物随水流运动一段时间后,逐渐会随主流一起运动。

图1 漂浮物随水流运动示意图

由于漂浮物有随主流一起运动的趋势,所以在模型试验时,只要水流流态能够得到正确的模拟,基本上就可模拟漂浮物的运动特性。

单个漂浮物运动受到浮力、水流拖曳力、惯性力、阻力和撞击力的综合作用。根据牛顿运动基本定律,可列出基本方程:

垂直方向

水平方向

式中:F上为漂浮物所受的浮力;G重力为漂浮物所受重力;m为漂浮物质量;a上为漂浮物垂向加速度;a水为漂浮物水平加速度。

在垂直方向,漂浮物仅受水流作用而上下波动;在水平方向,漂浮物运动较为复杂。图2为漂浮物运动受力分析示意图。如图2所示,漂浮物运动特性关键受漂浮物水平方向合力控制,漂浮物受到的水流力与水流速度及方向有关。在复杂的水库水流运动中,主流常发生随机变化,可导致漂浮物受力的改变,从而影响其运动轨迹的变化。

图2 漂浮物运动受力分析示意图

当漂浮物运动速度为零时,即漂浮物固定,此时水流以流速为U2的速度从漂浮物周围绕过,漂浮物对水流产生阻力,假定漂浮物综合阻力系数为Cd,则漂浮物受到的水流力为

式中:A为漂浮物水下与水流方向垂直的面积;ρ为水的密度。

当漂浮物运动速度为U1时,漂浮物受到的水流力为

漂浮物受到的水流力与速度差(U2-U1)有关,如果水流速度大于漂浮物运动速度,即U2-U1＞0,则水流对漂浮物产生推力,使得漂浮物运动速度增加;如果U2-U1＜0,则产生方向相反的阻力,使得漂浮物运动速度降低;如果U2-U1=0,则漂浮物跟随水流一起运动。总体上,漂浮物运动速度应与水流的运动速度基本一致,也就是说漂浮物运动具有较好的水流跟随性[2]。

2 漂浮物模拟相似性分析

有关漂浮污染物在库区运动特性及坝前堆积形态方面的研究成果至今尚不多见[3-5],采用水工模型模拟漂浮物运动特性时,缺乏漂浮物运动模拟的相似准则[6-7]。为此,这里定性分析漂浮物模型试验的相似律问题。

2.1 水流运动相似

库区内漂浮物随水流运动,水流是漂浮物运动的载体,因此模型设计首先要满足水流运动相似要求。对于按重力相似和阻力相似设计的正态水工模型,一般都能够满足水流运动相似要求。

2.2 漂浮物运动相似

漂浮物模拟通常是水流模拟的延伸,主要集中在2个过程:①漂浮物流动和堆积形态;②漂浮物堆积引起的结构荷载。

除了与水流相关的力以外,漂浮物运动和堆积还涉及单个漂浮物和堆积漂浮物的质量和作用于漂浮物上的水动力。对于宽阔水体,如湖泊、水库和大河流,应该考虑风作用在漂浮物和水面上的力。漂浮物堆积的承受力和变形特性对于堆积厚度是重要的,在一些情况下,单个漂浮物的承受力和变形特性也是重要的,因此要完全模拟漂浮物运动是难以达到的。从前面分析可见,漂浮物具有很好的水流跟随性,基于此来推导其相似准则。

库区漂浮物的种类繁多,漂浮物密度及漂浮程度不尽相同,有的密度较小,几乎完全浮在水面,例如泡沫塑料制品等,有的半沉半浮,例如长期受水浸泡的木材;漂浮物的尺度相差也很大,形态各异,大小不一;运动形态也不相同,有的单独运动,如大一点的木材,有的一片一片地集聚而行,如杂草、水浮莲等。坝前漂浮物种类及数量的随机性较强,目前尚缺乏完整的原体观测统计资料。所以要真实地模拟漂浮物运动十分困难,只能选择一些比较典型的漂浮物加以模拟,其相似性主要考虑以下4个方面。

2.2.1几何相似

模型中漂浮物运动与原体相似,要求模型中漂浮物的大小和形状满足几何相似。

2.2.2漂浮度相似

漂浮度取决于重力与浮力,与流体的密度有关,只要保证原体与模型的密度相同,即模型与原体选用同样的材料,同时满足漂浮物几何相似,就能保证漂浮物的漂浮度相似。

浮力可通过一个密度FrD数来计及,定义 FrD为漂浮物惯性力与浮力之比:式中:U为漂浮物漂浮速度(对于表面漂浮物,可认为与水流速度相同);ρd为漂浮物密度;g为重力加速度;L为漂浮物特征长度。

漂浮物运动的相似准则为

式中:(FrD)r为 Fr数比尺;Ur为流速比尺为密度差比尺为长度比尺。

2.2.3漂送强度相似

设ΔT时间内漂浮物的总量为ΔW,漂送强度为N件/s,每件体积为 V,密度为 ρs,则 ΔT时间内漂浮物的总量为式中:Nr为漂送强度比尺;tr为时间比尺;Lr为长度比尺。

式(8)表明,模型中单位时间投放的漂浮物件数应为原体件数的倍。

2.2.4水流拖曳力和表面张力等的模拟

为了模拟作用于单个漂浮物上的水流拖曳力、表面张力和惯性力,需要原型和模型有相同的拖曳力、表面张力和附加质量的水动力系数,而这些系数的相似性在一个模型中不可能完全满足。但如果关注的是漂浮物整体流动特性及堆积形态,则没有必要要求所有系数都满足相似要求。例如,拖力的计算公式为式中:CD为与ReD、漂浮物的形状和粗糙度、流动紊动强度、相邻边界接近程度有关的拖力系数(ReD为与漂浮物周围水流相关的 Reynolds数,ReD=,其中ud为漂浮物流动速度,l为特征长度,ν为动力黏性系数);AU为漂浮物在垂直于U方向上的投影面积。

水流举力(与拖力垂直方向的力)可导得类似的表达式。严格的相似准则为

式中:CL为举力系数;CM为增加质量系数。

用同一个模型比尺很难同时满足式(10),如果采用几何变态模型,要满足式(5)也是非常困难的。在大多数情况下,由于漂浮物尺度不一,形状不同,粗糙度变化大,这些困难可以得到缓解,因此CD,CL和CM准确模拟也是不必要的。

在大尺度水域,风拖力是漂浮物流动和堆积的一个主要因素,它产生推动漂浮物的水流和波浪,直接拖动漂浮物。对风拖力和水流拖力给定同样的相似准则,就像模拟水流拖力一样,同样难以模拟风拖力。在模型中难以用气流来模拟风拖力,大多数风洞尺度太小,无法容纳常规的模型尺度,在模型中模拟恒定风速场也是十分困难的。

2.3 漂浮物堆积形态相似

漂浮物在随水流运动的过程中,其运动的动力来自于水流作用力,当水流流速较大时,一般认为漂浮物与水流运动基本一致,此时水流的推力是漂浮物运动的主要动力源。

漂浮物堆积形态可处理成单一整体或一个特殊的联结体,单个漂浮物与整个堆积体尺度相比很小。此时,作用于堆积体上的外力包括水流对堆积体的拖曳力,在堆积体形成过程之中,当堆积体之间内力小于外力时,堆积体就会失稳,出现组成堆积体的漂浮物之间相互挤压重叠,使得堆积体不断加厚,内力也不断增大,当内力增大到能抵抗外力时,堆积体的厚度不再增加,从而形成稳定的堆积体。漂浮物的相互挤压增加了堆积的厚度,也可使堆积形状发生变化。因此,堆积形状的模拟需要模拟堆积漂浮物的强度和变形特性参数,在许多情况下,只能近似估算这些值。

单个漂浮物与堆积体相比尺寸很小,当堆积的漂浮物或多或少地作为连续体时,可以用摩擦内角φ来描述强度和变形,阻力内角描述了受压或剪切的漂浮物的连接和摩擦阻力,其相似准则是

式(11)要求在进行漂浮物堆积形态试验时须选用同样的试验材料,并采用正态模型。

当漂浮物相对堆积体尺度较大时,单个漂浮物强度特性也必须考虑。对于线形漂浮物(如木头),弯曲强度是重要的。对于块状漂浮物(例如集聚的杂草),压缩强度是重要的,这些特性很难量化。

在一个大面积水域,模拟漂浮物堆积形态需要利用几何变态模型,垂向比尺变态应不会明显影响到漂浮物二维流动及水流流动特性。在给定的模型比尺条件下,漂浮物模拟需要进行概化处理,不能完全是原体漂浮物尺度和形状上的准确模拟,漂浮物允许垂向尺度的变形,但需要分析可接受的垂向变形限度。如果需要保证水流输运漂浮物三维特性,则要求正态模型或适度变率的变态模型。

堆积物力平衡分析[3]描述了堆积厚度变形的效果,并显示假定一个强度指数,例如阻力内角,在原型和模型上近似一致,那么在适度变率的变态模型中可模拟等效的堆积厚度。从这一点看,漂浮物的堆积形态模拟是非常复杂的,与漂浮物的性质有关,在正态模型中堆积形态会有一定的失真。

2.4 模拟材料相似

库区漂浮物的种类繁多、形态各异、大小不一,其运动状况千差万别。模型试验中,按相似条件对各种漂浮物进行真实模拟非常困难。因此,在选择漂浮物模拟材料时,只能考虑其主要特性和影响因素。实际工程中,库区漂浮物大多由杂草、树枝、树叶、泡沫塑料等组成的,在模型中可以直接采用木材和泡沫塑料作为模拟材料,但要恰当选取单个试验材料的形状和大小,使其在水流中运动时具有良好的跟随性,并能避免表面张力的影响。

综合上述分析,可以知道漂浮物运动特性的模拟一般要求正态模型,而堆积形态的模拟需要适度变率的变态模型,但是由于漂浮物堆积受力条件极难准确模拟,因此漂浮物堆积形态模拟无法完全达到,目前漂浮物运动特性的模拟以及堆积形态的模拟采用正态模型较合适。

3 沙溪口水电站漂浮物运动模型设计

沙溪口水电站为河床径流式电站,以发电为主,电站装机容量为4×75MW,机组流量为1050m3/s。挡水建筑物采用混凝土重力坝形式,坝顶高程93.0m,最大坝高45.0m,坝顶长度628.0m,溢流坝长317.0m,河床中部共设有17个表孔溢流坝,表孔堰顶高程为74.30m,弧形闸口控制流量,最大过流能力为26300.0m3/s。

沙溪口水电站集水区水土保持及环境治理情况较差,每年汛期都有大量的漂浮物随流而下,汇集于坝前。发电过程中,这些漂浮物吸附在进水口拦污栅上,造成拦污栅严重堵塞,最严重时栅前、栅后水位差达7m,大大超过3m的安全水位差,不仅影响了机组的正常出力,还严重威胁着拦污栅及机组的安全运行,为此需建一个导漂装置来减少漂浮物堆积体。为了验证导漂装置拦截漂浮物的效果,需要进行物理模型试验。

根据沙溪口水电站库区水流及漂浮物实际情况,采用正态模型模拟,模型几何比尺Lr=70。漂浮物模拟材料采用密度与漂浮物相近的泡沫塑料和木条2种模型材料,比较不同模拟材料的运动特性及堆积形态的差异[2]。

4 模型试验结果分析

为了检验漂浮物运动规律模拟的相似性,选择电站4台机满负荷发电、溢流坝不过流条件来分析漂浮物堆积形态。图3为模拟材料采用泡沫塑料时漂浮物在库区随水流运动及坝前堆积过程。从水流流场测量可知,由于只有发电水流,溢流坝前没有水流流动,主流在坝前1000m处开始逐渐偏向右岸,左侧存在强度较低的大回流区。图3(a)、图3(b)显示漂浮物随主流一起运动,主流区漂浮物首先运动到大坝前沿;图3(c)显示漂浮物在坝前100m处开始有明显的堆积,而后漂浮物越来越多,不断堆积;图3(i)显示由于模型中施放的漂浮物有限,流速较大的主流区域漂浮物已基本堆积到坝前,而流速较小的左侧区域漂浮物仍继续向前运动;图3(l)为最终堆积形态,此时漂浮物堆积在发电站进水口前100m左右的水域,由于右侧存在一回流区,部分漂浮物随回流水一同运动。堆积过程显示漂浮物运动与水流运动相一致,这说明按重力相似准测设计模型模拟漂浮物运动规律是较为合理的。同时与原体漂浮物堆积形态相比(图4),可见模型与原体的堆积形态是相似的。但由于库区流态复杂,不同的模拟材料最终会产生不同的堆积形态,为此比较不同模拟材料对堆积形态的影响。

图5是模拟材料分别为泡沫塑料和木条时坝前最终的漂浮物堆积形态。表1为不同模拟材料堆积形态的试验结果。由表1可知,相同的试验工况下,选择不同的模拟材料,漂浮物堆积形态有很大差异。由于木条密度在0.8 t/m3左右,而泡沫塑料密度仅0.05t/m3,木条的吃水深度远大于泡沫塑料的吃水深度。所以同样水流条件下,作用在木条上的水流力远大于作用在泡沫塑料上的水流力,木条在水流力作用下挤压重叠,通过内力的调整形成稳定的堆积形态,而泡沫塑料受到的水流力较小,不能有效地挤压密实,在水流条件稍有变化时,堆积形态随之发生变化。

图3 库区漂浮物运动及堆积过程

图4 沙溪口水电站进水口前漂浮物堆积

图5 漂浮物最终堆积形态

表1 不同材料在相同试验工况时的堆积特性比较

模型试验观测表明,坝前的漂浮物一般都能运动到大坝的前沿,当坝前的回流较弱时,漂浮物一般不能在回流区运动。泡沫塑料模拟的堆积体只要稍受水流作用即散漂离开大坝前沿,不能形成稳定的堆积体,主要原因是泡沫塑料密度较轻,水流跟随性较差,极易受表面张力的影响,而且泡沫塑料具有互拆性,不宜聚在一起。因此,与原体漂浮物的运动和堆积相比,采用木条作为模拟材料时,模型的漂浮物堆积形态更接近实际情况。

5 结语

水电站漂浮物模拟技术尚未成熟,本文在分析论证漂浮物具有随水流运动特性的

图5 GMS三维地质实体模型切割剖面图

式中:V为库容,m3;μi为第i个蓄水体的重力给水度;V*i为第i个蓄水体的体积,m3;n为不同岩性的蓄水体个数。

总之,从含水层条件、地下水补给水源、地下水库调蓄空间、地下水开采条件等方面综合分析可知,建立地下水库从而进行水资源多年调节及开发利用是可行的。

3.4 情景模拟分析

根据含水层特征参数,以2002～2006年观测水位数据建立地下水流数值模拟模型,利用GWMS软件进行参数识别、模型验证后,利用上述地表水与地下水联合开发的思路,设置不同的情景,模拟地表水与地下水联合利用的可行性及分析可能出现的问题。

以不同的开采规模为情景进行模拟分析,结果表明:以10万m3/d的规模持续开发不会引起环境问题,开采稳定后形成约6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深约13m;若考虑为城市应急供水,分别以25万m3/d,40万m3/d,50万m3/d这3种开采规模模拟,其持续应急供水时间可分别达到12个月、6个月及4个月。