水力学原型观测的重要性和方法

水力学研究的手段在现阶段主要还是以物理模型实验技术为主,由于受到模型中材料特性、水流流速、边界条件和其他复杂因素的影响,存在模型相似率的问题,特别是在高速水流问题中关于掺气减蚀、空化空蚀的研究,模型相似率的问题更加突出,许多问题需要在工程的实际运行中得到验证。为此,国内外学者一直在致力于关于模型相似率的研究,一是从加大模型比尺的角度出发,研究同一种体型在不同模型比尺条件下水力特性的变化,从中寻找模型比尺的影响规律。另外一种方法就是开展原型观测,即比尺为1∶1的原型试验,将原型观测结果与模型试验成果相互对比,分析差异,这是消除模型相似率的最好的研究手段。

几十年来,我国的设计和科研工作者一直致力于开展水力学原型观测工作。特别在近20年来,随着一大批大型水电工程建成投入运行和计算机技术以及量测技术的不断提高,使得水力学原型观测的技术整体有了很大提高,逐渐走向成熟,并处于国际领先地位。

水力学原型观测技术包括4个方面,传感器(一次仪表)、采集系统(二次仪表)、后处理分析系统(三次仪表)、以及现场条件的处理(包括电缆线的预埋、底座和传感器的现场安装、消除现场各种干扰条件的技术措施等)。

20年代90年代前,我国的水力学原型观测中使用的各类传感器基本上是以自行研发为主,无统一规格和技术性能的要求,虽然也获得了比较可喜的成果,但数据的系统性和完整性还是不够理想。在结合乌江渡、东江、东风、鲁布革、隔河岩、五强溪、安康等工程的泄洪观测,直到二滩全面的水力学原型观测、小浪底孔板洞的泄洪原型观测、以及三峡泄水建筑物和船闸水力学原型观测,其各项观测技术得到了全面地发展。在积累了大量的原型工作经验后,对已国产化的传感器(或部分国外传感器元件,国内组装)生产可以提出特殊的技术性能要求,以满足水力学原型观测的特殊工作条件,同时也培育了符合水力学原型观测要求的传感器市场。国外的一些先进的、专用的传感器也在陆续进入国内市场。

数据采集系统在最近十年来也得到了快速的发展:一部分来自于国内外通用的采集系统;另一部分来自于国内科研单位自行开发的、适用于观测工作的特殊要求,在这方面,中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、长江科学研究院以及其他科研单位均在这方面作出了非常重要的努力和贡献,使得原型观测技术逐渐得到了完善。目前水力学原型观测中可直接量测的参数达十几种,如水位、波浪、流速、时均压力、脉动压力、掺气浓度、通气风速、水流噪声、雾化降雨强度、温度、位移、应变、加速度、闸门开度行程等,而且已经实现了由计算机控制,可对各种参数进行全过程的采集记录,为后处理分析各部位的运行状态提供了重要的技术手段。

早期水力学原型观测的主要目的是验证模型试验成果,为今后其他工程的设计和科研积累经验。突出的实例为冯家山泄洪洞掺气和乌江渡泄洪洞掺气观测,其成果的取得为我国在高水头大流量泄洪设施中大规模的使用掺气减蚀技术积累了重要经验。东风溢洪道和泄洪洞泄洪雾化观测、东江溢洪道泄洪雾化观测为定量化研究泄洪雾化扩散机理和影响范围开创了新局面,至此,又相继对漫湾、李家峡、二滩、大朝山等大型泄洪雾化原型观测中可以采用定量的降雨过程的实时记录,并根据观测点的布置和降雨强度的数据画出等值线图,为科学有效地进行工程防护、开展数值预报分析提供了可靠的依据。二滩水电站的水力学及流激振动原型观测成果,在全面验证了“七五”科技攻关研究成果和水力学设计的正确性的基础上,也为进一步补充和完善设计规范提供了丰富的成果,包括大型水垫塘安全问题、高拱坝泄洪雾化及防护研究以及泄洪洞洞顶余幅问题。(www.xing528.com)

高水头大孔口的闸门振动关系到工程的运行安全,近十年来,陆续对80～100m 水头的闸门开展了流激振动观测。如天生桥一级的放空洞,观测期最大工作水头达到了102m,二滩中孔弧门最大工作水头达到了85m,小浪底1号孔板洞工作闸门最高工作水头达到了100m,这些高水头闸门的原型观测成果验证了其弧门工作是安全的,设计是合理的。

在原型中较早开展空化观测工作的工程是碧口排沙洞,结合小浪底孔板洞的设计而开展的中间试验,尽管当时的观测仪器和手段不如当今的技术先进,但还是取得了相当可喜的成果,验证了碧口排沙洞改建成孔板洞是成功的。在五强溪船闸的空化观测成果验证了其船闸输水系统的设计是合理的。

2000年在小浪底1号孔板洞的首次泄洪运行开展的原型观测中,采用了全套丹麦B&K 公司生产的功能强大的频谱分析仪和8103水听器,实时监测到工作闸门在开启到0.85(对应工作水头100m)和0.92左右时(对应工作水头70m),洞内发生了空化,也说明了尽管模型比尺达到了1∶40,但仍存在比尺效应。2002年结合三峡永久船闸的调试运行,全面观测了各闸室输水系统、阀门和人字门、上下游引航道的水动力学特性,获得了非常好的观测成果,为船闸安全鉴定和通航验收提供了科学依据。

近年来,国内对重要的大型水电工程和部分重要的中型水电工程建成投入运行后规定要进行水力学原型观测,以验证泄水建筑物运行的安全性,为工程安全鉴定提供科学依据,这为我国水力学原型观测技术的完善提供了更高的要求和更广阔的舞台。上述许多工程的水力学原型观测成果在验证设计、补充完善设计规范和改进模型试验方法的基础上,也为论证分析泄水建筑物的泄洪安全提供了丰富详实的数据资料,成为工程安全鉴定中一个不可缺少的内容。

国外对泄水建筑物进行原型观测工作的不多,前述提到的加拿大麦卡坝洞塞式泄洪洞和龙抬头式泄洪洞的首次运行中开展了通气量的原型观测,瑞士苏黎世工业技术大学近年来也开展过泄洪洞水力学原型观测,巴西的福兹杜阿里亚和委内瑞拉的古里溢洪道开展过通气量的观测,但是像中国这样大规模的开展水力学原型观测还是不多见的。