上马蒂水电站整体模型试验

2015-02-25王晓峰张志强薛文志

东北水利水电 2015年9期

王晓峰，张志强，薛文志

（上海勘测设计研究院，上海200434）

上马蒂电站坐落与尼泊尔多泥沙河流上，作为没有库容的径流式电站，水电站首部枢纽工程直接关系到电站能否从河道正常引水，能否有效沉淀水中的有害粒径泥沙，能否将推移质顺利排到下游避免进水口淤积，能否保证洪水期安全度汛等等。这些问题在计算分析之后，希望能通过模型试验得到印证，并通过模型试验对设计优化起到一定指导作用。下文结合实际工程情况，重点介绍了模型设计、制作及相关试验结果的分析，提出了有针对性的优化意见并最终被设计采纳。

1 工程概况

上马蒂水电站位于尼泊尔西部马蒂河上，为引水式电站，沿河段从上到下包括坝址首部枢纽工程、引水隧洞、调压井、压力钢管、地面厂房。其中首部枢纽工程包括敞开式溢流堰、冲沙闸、右岸沉砂池、进水前池及相关附属工程，引水隧洞总长4.2 km，电站采用混流式机组，额定水头120.0 m，装机容量25 MW。

混凝土拦河坝布置在主河槽段，共分为两部分，左侧为溢流堰段，右侧为冲砂闸段。溢流堰顺水流向长24 m，总宽49 m，采用WES 曲线堰，堰顶高程936.2 m。冲砂闸顺水流向长24 m，采用2孔平板门，每孔净宽6 m，总净宽12 m，闸室底槛顶高程934.2 m，闸墩顶高程944.0 m。溢流堰和冲砂闸后接消力池，消力池顺河长为40 m，宽62 m，底板顶高程928.0 m，之后接30 m 长浆砌石海漫。冲砂闸左侧边墩上游接82 m 长导墙，导墙按顶高程分别为938.5 m 和937.0 m 分两段设置，长度分别为28 m 和54 m。导墙右侧至沉砂池进水口前设置浆砌块石护坦。河道右岸滩地上布置沉砂池，沉砂池进口闸为4 孔平板门，总宽度28.3 m，闸底坎顶高程935.2 m，闸墩顶高程944.0 m，后接转弯段、扩散段、工作段以及进水前池，之后是引水隧洞进口。

工程坝址以上多年平均来水流量为33.2 m3/s，多年平均输沙量约为244 万t，年平均含沙量约为2.33 kg/m3，推移质沙量按推悬比20%估算，坝址推移质沙量约为48.8 万t。

2 模型与原型的相似原理

2.1 模型与原型的力学相似条件[1]

根据相似原理，模型与原型的3 个力学相似条件如下：

1）流场中任意一个相应点处的流体质点上，作用着同名的（同一性质）一个或数个力，即在某一流动点处作用力为重力（G）、压力（P）、粘滞力（FV），则另一相似系的对应点处也必然作用着G，P，FV；

2）所有作用在相应点处（以单位流体体积计算）的同名力之间的比值都是相同的，即式中：▽——流体的容积）；

3）这些流场的运动学及动力学的起始条件及边界条件是相同的。

只有同时满足了以上3 个相似条件之后，才能保证力学相似的同一解答，而又保证模型换算到原型的正确性。

任何属于机械运动范畴的物理现象，只要是相似系统，必然具备以下3 个方面的相似特征[2]。

1）几何相似：模型与原型的任何相应线性长度，必然具有同一比例；

2）运动相似：即动态相似，模型与原型中任何相应点的速度、加速度等必然相互平行，并具有同一比例；

3）动力相似：即模型与原型的作用力相似，模型与原型中任何相应点的作用力性质相同、相互平行，并具有同一比例。

从以上3 个相似条件和3 个相似特征可以看出，它们是相互联系、互为条件，而又形成统一的整体。但动力相似是三者中的决定性因素，只要两个系统能满足动力相似，再加上起始条件、边界条件相同，则该两系统就能保证完整的相似。由此看来，几何相似是基础，它的长度比尺是设计模型的基本参数；运动相似是检验模型相似性的最简便、最有力的手段和将模型成果换算到原型的重要依据；动力相似则是构造相似微分方程的根据和模型设计的出发点。同时，这三方面又正好完整地表述了3 个基本量纲（长度、时间、质量或力）的三个独立基本物理量。

2.2 模型相似比尺的选择

三维水流的描述方程，由三维紊动水流方程导出。其比尺关系式一共有5 个：

式中：L，v，t，g，ν，ρ，vi′，vj′，v——分别表示长度（m）、速度（m/s）、时间（s）、重力加速度（m/s2）、运动粘滞系数（m2/s）、密度（kg/m3）、流体沿i 方向的脉动流速（m/s）、流体沿j 方向的脉动流速（m/s）、流体的时均流速（m/s）；λL，λv，λt，λg，λν，λρ，λv′，λv——分别表示长度比尺、速度比尺、时间比尺、重力加速度比尺、运动粘滞系数比尺、密度比尺、脉动流速比尺、时均流速比尺。

上述5 个相似判据中，因欧拉数Eu=f（Fr，Re，sh，Nij），故可不单独考虑。相对而言，Fr判据是决定性的，所以雷诺数判据也可不单独并进考虑；但应加大模型水流的Re数，使之充分达到紊流，并进入阻力平方区，而自动满足与原型水流相似。经过这样处理后，剩下来的比尺关系式实际上只有3个，即：

在上述5 个比尺关系式中Nij是紊动判据，实质上是惯性力与阻力之比相似，一般紊动水流中自然要求满足这个准则。但因脉动流速这个比尺在模型水流中很难直接控制，也无法实施间接控制，于是有些学者从模型与原型所共同遵循的微分方程的边界条件出发，导出了与阻力相似的有关比尺关系式为：

上式可以说明，要满足紊动相似，或惯性力与紊动阻力之比相似，在正态模型中，则必须满足阻力系数的比尺λf=1。而阻力系数f 在阻力平方区内仅与相对糙率有关只要原型和模型的相对糙率相等（即满足模型和原型的几何相似），则阻力系数也就相等。综上，只要模型水流位于阻力平方区，而又严格满足几何相似条件，则阻力相似自然得到满足，从而Nij紊据的比尺关系也就基本得到满足。综上，此次模型试验强调必须遵守的比尺关系式为：或

另外，为了保证模型与原型水流能遵循同一物理方程所描述，还必须同时满足：1）模型水流必须是充分紊动，要求模型水流的Re≥1 000～2 000；2）不使表面张力干扰模型水流运动，要求模型水流水深至少大于2 cm。

3 模型的制作

模型制作依据结构图纸，水库特征水位采用：正常蓄水位936.20 m；设计洪水位（50年一遇）940.65 m，坝址处流量1 280 m3/s；校核洪水位（500年一遇）942.34 m，坝址处流量2 060 m3/s。

3.1 模型范围及其布置

模型范围的确定应保证所研究的建筑物上下游过渡段的衔接能得到较好的模拟。也就是说，模型的大小及范围的确定，应能使试验研究段本身的各种可能出现的流态在模型中得到真实的反映。因此，模型模拟的范围应足够大。

根据工程布置河段的河道情况及河道特性，考虑模型进、出水段水流衔接的要求，模型制作范围：选定坝轴线以上约1 000 m，坝轴线以下约500 m，总长约1 500 m。整个模型总长30 m 左右，最大宽度约4.5 m。

模型上游由电磁流量计控制模型来流量。进水口前池与模型之间设5 m 长的连接段，用花墙稳定水流并调整水流入库方向，使之与原型河流水流一致。在水库中部主河槽部位及下游河道内设有水位观测点。

3.2 模型设计

由于上马蒂水电站为径流式电站，没有库容，因此该电站无须研究诸如库区泥沙淤积极限平衡形态及电站引水坝前冲刷漏斗形态等问题。取而代之的更为突出问题是：何以确保推移质泥沙不会直接进入沉砂池；如何保证中小水时期，电站仍能正常引水发电；沉砂池的沉沙以及排沙效率等[3]。要解决上述问题，该模型设计在考虑水工模型问题研究的同时还必须考虑推移质泥沙运动相似和悬移质泥沙运动相似问题研究。

由于水工模型设计往往所选比尺不能过大（或模型不能做得过小）；而泥沙模型设计又需要模拟河段不能过短，模型比尺不能选得过小（或模型不能做得过大）。尤其是全沙模型须同时满足泥沙起动与沉降运动相似，只有选用轻质沙来做模型沙。但这种沙又大大地放大了粒径比尺，这显然又不利于卵石推移质泥沙的模拟。因此，这类模型的选沙往往是极为困难的，甚至是难以实施的。

为确保水工、泥沙问题的统筹模拟，基于该模型问题的研究特点，采用常用的也是行之有效的解决途径主要是三分一合。即模型设计时，将属于河道的（推移质）泥沙运动问题与属于沉沙内的（悬移质）泥沙运动问题分开来研究，并将粒度较大的卵石推移质泥沙与粒度较小的沙质推移质泥沙分开来模拟；按电站引水最小限定粒径d＞0.2 mm 的沉降率的要求，将大于0.2 mm 的悬移质泥沙与小于0.2 mm 的悬移质分开来模拟。同时将相对较细的沙质推移质与悬移质中相对较粗的床沙质合在一起模拟。能采用三分一合的研究途径是因为：

1）首先，要确保上马蒂水电站中小水期引水，在河道中进行适当的横向开挖引水槽是不可避免的。探讨挖槽形态有利于取水防沙（主要是卵石推移质泥沙）是该模型的重要问题研究之一。其次，引水河道与沉砂池本身就是两个不同的引水河段，河道内的泥沙是通过电站的引水进入沉砂池的，通常进入沉砂池的泥沙其量级是很难测量的。分开成两个问题来研究，对于准确确定沉砂池的沉沙率是十分有益的。因此，河道泥沙与沉砂池泥沙问题研究本身是可能分而研之的。

2）上马蒂水电站的河床坡降过大（J＝2.5%），床面泥沙大多属于卵石推移质。这部分泥沙量大、力度大，进入沉砂池后是很难经排沙廊道排放的，是重点防止直接进入沉砂池的。而沙质推移质力度相对较细，即使进入沉砂池后仍有机会通过排沙廊道排放出沉砂池。将卵石推移质与沙质推移质分开来研究是可能的。

3）由于泥沙沉降往往受制于含沙浓度的影响，只要获得不同浓度条件下，沉砂池的沉沙效率，就能有效确定电站引水泥沙的粒度分布。因此，以电站引水最小限定粒径（d＝0.2 mm）将悬移质泥沙划分为床沙质（按不同粒度模拟）与较细泥沙（只模拟浓度）的做法，不仅为有效测定提供了方便，其所测定的沉沙率也是偏于安全的。

4）沙质推移质与床沙质本属于同一粒度范围的泥沙。其区别主要在于前者多沿床面表面运动，而后者主要是在水体中运动，二者总是随着水流的变化，始终处于不断交换的运动之中。将其合并在一起并以悬移质运动相似设计是一种行之有效的惯用模拟途径。

3.3 模型设计原则

为使模型既能满足泥沙问题研究需要，也能同时满足水工问题研究的要求，设计必须进行统筹考虑其所有相关问题，除满足相关规范规程要求外，模型设计还遵从以下原则：

1）模型采用正态，即采用佛汝德数相似条件。此外，模型设计必须满足流态的相似要求，考虑场地的限制条件及模型制作的便利等因素。综合考虑上述要求，确定模型几何比尺。

2）模型设计时，对于河道卵石推移质泥沙而言，模型设计遵循推移质运动为主悬移质为辅的设计原则；对于沙质推移质和悬移质中粗相体泥沙（属于床沙质部分）则以悬移质为主设计，并以原型沙作为模型沙；对于悬移质中的细相体（d＜0.2 mm 部分）则模型只模拟浓度的大小，并以滑石粉为模型沙[4]。

3）模型设计除需要满足水流运动相似外，必须满足泥沙起动和沉降相似。

3.4 模型制作

3.4.1 地形模拟

模型平面按枢纽区1∶1 000 地形图布置三角网控制，控制点位置用全站仪交汇施放。地形施放用断面板法，模板间距视地形变化情况一般为50 cm（模型值）。

3.4.2 建筑物模拟

鉴于此次试验需要观察水流流态、量测流速分布，按相似性要求并考虑到利于观测和模型修改，溢流堰、沉砂池及冲沙闸等建筑物均采用有机玻璃制作。

溢流堰、沉砂池及冲沙闸糙率采用0.014，根据糙率比尺λn=1.919 4 计算得，溢流堰模型糙率为0.007 3。有机玻璃的糙率一般为0.008 左右，与模型中上述建筑物的糙率有一定差别，故在模型上溢流堰、沉砂池及冲沙闸的过流能力比它们实际过流能力要小一些；同时考虑到有机玻璃制作的建筑物存在接头，其实际糙率值应大于0.008。因此，从糙率对过流能力的影响来看，在模型上测得的上游水位应比实际上游水位略微偏高，但是，对工程来说这是偏于安全的。

4 测试方法及设备

模型试验采用恒定流试验方法，用IFM4080K电磁流量计控制模型来流量；用HD-4B 型电脑流速仪测量各测点的流速及流向；水位采用固定测针测量；水深采用活动测针结合钢尺测量；用测压牌观测溢流坝过流断面动水压力[5]；人工观察记录水流流态，并用数字摄像机记录。

5 试验结果及建议

5.1 试验结果

模型制作完成并测试后，进行了一系列的模型试验，包括：溢流堰泄流能力试验，溢流堰与冲砂闸联合泄流能力试验，溢流堰时均动水压力试验，各工况下沿程水面线及沉砂池沉排砂效果等等，都获得了与计算相当的结果，满足工程设计的要求，冲砂闸和沉砂池进口闸的联合调度达到了较好的进水口处排沙防淤效果。以下主要介绍按照模型试验结果需要进行调整的结构设计。

1）由于上游河势向左侧转弯，属于左凸弯道河段，主流偏向左侧，天然河床坡降较大，来流流速较大，直接顶冲翼墙，左岸上游1/4 圆柱形翼墙阻水严重，水流翻越翼墙，直接进入左岸导墙左侧回填区，影响溢流堰处流态及泄流能力。溢流堰前水位939.2 m。

2）溢流堰下游消力池内，水跃基本上在消力池范围内。但在消力池左岸20 m 范围内有一个回流区，影响了消力池的消能效果。池中部水位为935.45m；水流在海漫上有一定的壅高，水位为935.85 m；而海漫两侧边墙的高程为934 m，边墙的高度均显不够。

3）由于该段河道纵坡较大，上游来水流速偏大，导墙顶高程偏低，上游纵向导墙头部出现顶冲水跃。在设计洪水流量时导墙顶部淹没水下，并且溢流坝与冲沙闸之间的纵向导墙出现向冲沙闸侧翻水翻砂现象，大量推移质泥砂由主河道翻过导墙直接进入冲砂闸侧。

4）沉砂池转弯段和工作段之间的扩散段，水面落差较大，尤其转弯段狭窄流速大，造成水流经过扩散段后流速极为紊乱，分布不均，尤其是右箱中段局部还存在回流，这对沉砂效果极为不利[6]。