水工模型试验在小水电设计中的重要性研究

董丽丽

摘要：在水电站的建设过程中，进行水工模型试验的重要性已经在专业领域内得到了广泛的认可，但是在小水电设计中却没有得到广泛的应用，不能取得专家与学者的一致认可，有部分专家认为水电试验模型是进行基础设计的前提，但也有部分学者认为此举是对资金和时间的浪费，小水电的规模较小，建设投资较少，研究经费不足，建设工期较短，但这些因素都不能成为阻碍水工模型试验的因素，对此，必须加强对水工模型试验的重视。本文主要分析了水工模型试验在小水电设计中的重要性。

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.

关键词：水工模型试验；小水电设计；重要性

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

中图分类号：TV742 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）02-0180-03

0 引言

我国的小水电建设资源十分丰富，分布在1500个山区，对于适合中国发展国情的水电建设，国家和有关部门需要给予高度的的重视，必须提高小水电的建设质量，使其切实为我国的经济建设发展服务。在大型水电站的建设中，水工模型试验已经得到重视和推广，但是在小水电的建设中却没有得到普及应用，对水工模型试验的忽视将会造成一笔不小的经济损失，缺乏准确的试验模型与实际工程操作相对比，在应用操作中产生的误差将无法预估，导致工程建设后患无穷，后期的维护与运营成本将会大大增加，甚至出现水库垮坝的现象，给附近的居民造成人身和财产的损失，因此，必须加强小水电建设中对水工模型试验的重视。

1 水工模型试验的研究范围及试验特点

水工模型试验主要研究了泄水建筑物水力学特征、水电站水力学特征、船闸水力学特征、鱼道水力学特征和其他专题研究，根据水流相似理论，原型与模型保持几何形状和幾何尺寸的相同，原型和模型的任何一个相应的线性长度保持固定的比例关系，需要保持原型与模型的运动方式和任何相应点的速度、加速度方向相同、大小比例呈同一比例，两个流动的速度场呈几何相似，流速比尺和加速度比尺与时间比尺、长度比尺都是相互关联的，因此必须保证数据的准确性，其次，动力相似性，原型和模型中作用于任何相应点的力都具有相同性质的力并且大小相同方向一致。同时保持原型与模型的完全相似，动力相似、运动相似、几何相似，相互关联互为条件，三者统一完整，在实际的工程建设中，流经闸、坝的水流有自由液面，重力在其中起到主导作用，牛顿相似准则满足原型与模型在单项力上的力学相似，在重力起主导作用的系统中，必须要保证原型和模型的弗汝德数相等。在各种物理数据的任意选择之下，需要推导一下关系，阻力平方区的紊流阻力相似准则，需要模型与原型的沿程水头损失系数相等，满足模型与原型流动的阻力相似，保证用弗汝德数准则进行阻力相似模型的设计。

在水工模型设计中，需要注意以下问题，当原型水流是紊流时，模型中的水流应当是紊流，河道模型在设计的过程中，需要选择多个流速较小的断面进行校核。当原型水流是缓流或急流，模型中也要设计为缓流或急流。在阻力相似的模型设计过程中，要保持粗糙系数的相似，同时验证模型水流是否在阻力平方区。在实现重力相似的基础上，必须满足以下条件：模型水流应进入阻力平方区，模型糙率达不到相似要求时，需要进行糙率校正，保证水深不宜小于3m，同时模型表面流速宜大于23n/cm，水工建筑物模型供水系统设施需要具备完整的供水系统设施如蓄水池、动力泵、平水塔、配水管和回水槽等。供水设备需要满足以下要求，蓄水池采用矩形或圆形，按试验室面积乘以10-30em水深估算，动力泵采用离心式水泵。具备天然条件的水工试验室可采用自流式供水系统，修建玻璃水槽、高水箱和压力箱等通用性固定设备进行实验装置的加固。压力箱技术规格应当满足以下条件，箱体使用平卧圆筒形，压力不超过196kPa（20m水头），保证压力箱应自成供水体系，采用电机稳流器；保持恒定的水流量，使实验设计更符合工程施工环境，在箱内安装稳流装置，保证水流出流的均匀与稳定。结构强度按压力容器设计需要满足以下条件：水位、水面量测仪器在使用时水位测针用于测恒定流水位，选型应满足量程和精度等要求，自动跟踪水位计用于测非恒定流水位，选型应满足量程范围和跟踪速度等要求，波高仪用于测水而波动，选型应与二次仪表匹配。压强量测仪器的压力测压管用于测恒定流时均压力测压孔内径应小于2mm，孔口应垂直边壁，且与过流面齐平，玻璃管）内径宜大于1cm，保证管径的均匀，管身需要保持直立，零傲高程由水准仪校正。压力箱技术规格应当整体应采用平卧圆筒形，供水量不小于100L/s，压力不超过196kPa。压力箱应具备供水体系，可使用电机稳流器，箱内应设有稳流装置，以保证流出水速的均匀，具有结构强度按压力容器。如：水位量测仪器，水位测针用于测量恒定流水位，注意量程和精度等要求。自动跟踪水位计用于测非恒定流水位，注意程范围和跟踪速度等要求，波高仪用于测水而波动，注意与二次仪表匹配。endprint

压力数据对于实验的设计十分关键，压强超过3m水柱时，必须使用汞柱测压计。当压强超过10m水柱时，需要使用压力表。液柱比压计用于测两点间的压强差，工作液体应满足以下要求：首先，不粘管壁，数值清晰，并且与水接触不混合，其次，环保性强，不污染环境、不具有腐蚀性，温度变化对重率影响小，最后，拥有稳定的化学性能。晶体压力传感器用于测动态压力和脉动压力，必须保证感应膜直径小于5mm，输出信号与二次仪表匹配，综合精度准确这些要求，保证实验的数据准确。

2 水工模型试验在小水电建设工程的应用现状

依据基本的建筑程序，在水电站的设计中，水工模型试验发挥了关键的作用。

以芷江县长泥坪水电站的修建为例，在设计的初期阶段，由三峡大学主办的水工模型试验为后期的工程建设起到了巨大的参考作用，利用水流与模型的相似性，将原形中复杂的水流运动在模型实验中进行预演，避免了施工过程中各种突发状况的发生导致工期的延误，水电站的建设位于舞水流域的下游地区，水电建设兼航运与发电为主，有旅游开发的综合效益，水库的总装机容量为20MW，工程建设分为三个等级，枢纽工程为拦河大坝，经过试验证明，电站厂的布置应当设置在溢流坝左侧，在实际的水电建设中得到了应用并取得了良好的成效，使许多水电工程为得以解决，方便了工程建设，减少了施工事故的产生，在降低事故发生危险的同时有效地提升了水电建设本身的质量。

3 水电站运行过程中出现的问题

3.1 缺乏相关管理制度

水力发电使用的系统是自动化调度系统，但在使用过程中，缺少相关制度保障，不利于水电网的调度运行和管理。

比如：不仅缺乏实践经验，而且缺乏实践管理经验，甚至没有制定相关的管理制度，从而导致在操作运行和维护中常常处于“无章可循”的被动状态。为此，及时制定出既有效又安全的保障制度，保证系统的安全运行和管理才是王道。

3.2 配置技术人员不合理

在水力发电过程中，大部分人员只重视设备的“使用”，而对发电过程当中的“管理”不屑一顾，如，技术人员知识储备不到位，甚至没有上岗作业证，一旦发生安全问题损失难以估计，管理人员只知道一味推卸责任，对水电运行系统的连续、安全、稳定运行及其不利。因此必须杜绝这种不负责现象的发生，使“安全操作”和“安全管理”齐头并进。

3.3 缺乏专业技术人员

部分发展地区，即使政府和相关部门非常重视水电行业的发展，但运行维护工作依然不能满足现实需要。主要的原因是缺乏相关专业人员，难以从根本上解决系统运行的安全性和稳定性问题，从而限制了水力发电系统发挥应有的作用。

4 水工模型试验对于水电建设的作用

4.1 便于选择最佳水力参数

小水电站建设作为低水头的水工建筑物，坝高较低，但实际泄洪能力与设计计算是否相符合，直接影响到水电站的泄流能力，避免泄流能力不足导致漫坝，需要找到合适的流量系数，支持工程建设的进展。在进行泄流能力计算时，需要对过流阻力系数进行查找和计算。泄水建筑物的原形水流都是三元水流，流态较为复杂，在水利手册查找的过程中，难以找到准确的数据，因此需要进行水工模型实验，依据设计人员在水力参数的选取上做出的更正，为建筑工程提供准确的系数。水电站在设计的过程中，应当避免误差。通过设计计算分析，经过泄流能力实验。确定闸门开闭的情况分为局部开启和全部开启两种情况，最后依据实验结果，建立回归方程式，为建筑工程计算提供参考。记录洪水时流速状况的分布和上下游流域的基本状况，绘制水面图与流速分布图。经过专业的计算，确定建筑物的规模、尺寸以及水力参数，使整个设计更加科学可靠。

4.2 利于工程的防渗、排水设计

水电站的坝基基本上由砂岩、砂质泥岩构成，容易变形，抵抗渗透能力较差。渗流将会造成闸室抗滑稳定性的降低，较为严重的渗流将会造成基地的变形甚至坍塌，通过在上游设置短板桩，增加渗径，减少了渗流事故的发生，降低了工程造价和施工难度，多种深槽设计加大了径流，为渗流计算提供了重要依据，为设计方案的科学修改提供了重要参考。

4.3 便于闸门设计及调度

闸门的设计与关闭对于水电站的运行具有重要意义，但实际的运行过程中发挥了重要作用。闸门顶水柱压力试验分为不同闸门形式和体型的优化进行比较，在水利手册中无法得到的数据经过水工模型实验得到了论证。在设计过程中应尽可能的减少对河对岸的冲刷和对尾水产生回流的影响。尽可能的减少导墙的尺寸，在闸门开启时远离靠厂房的3孔闸门，根据上下游的不同流量情况，设置闸门合理的开启方式。

4.4 优化消能，便于防冲设计的设置

在水工模型实验的过程中，需要对设计水头，设计流量和河床地质条件泄水建筑物的布置范围进行全面的调度，参考实际河流上下游的水深、河道的宽度、径流流速进行局部动床冲刷试验，对冲坑设计实际操作，找出与水力手册提供数据中的差距，经过精确的实验，找出确定小水电工程实际施工的参数参考依据，最终确定冲水坑的实际深度，做好防冲设计。

随着经济社会的不断发展，我国的小水电站设计拥有着广阔的发展前景与市场，为了进一步促进我国水力资源的开发，应当更加重视小水电建设，为我国的经济社会发展做出更大的贡献。

參考文献：

[1]赵海镜，田世民，王鹏涛，孙东坡.水工模型试验中的草垫加糙方法研究[J].水力发电学报，2015（04）：77-82.

[2]李鹏，辛丽萍.水工模型试验水流脉动压力数据处理及Matlab实现[J].中国水运（下半月），2009（01）：164，166.

[3]王均星，陈晓勇，尹浩，童玉田.湖南镇水电站水工模型试验研究[J].水力发电学报，2008（05）：103-108.endprint