CN109371897A - 一种鱼道进口补水消能模型试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种鱼道进口补水消能模型试验装置及试验方法,属于鱼道设计及物理模型试验领域。箱形主体左侧下部固定连接配水管,在箱形主体的内部两个相对边壁间固定连接稳水花墙,在稳水花墙右侧的两个相对边壁间固定连鱼道前置薄壁堰,在鱼道前置薄壁堰的水流相反方面固定连接封闭的鱼道底板,两根补水管从鱼道底板的内部穿过,鱼道底板的右端是补水消能池,两根补水管的出水口位于补水消能池内,补水消能池的右端是鱼道进口底板,鱼道进口底板的右侧连接尾水花墙。优点是结构新颖、实用,极大的节省了建模成本和建模时间,明显提高了工作效率,对鱼道进口补水消能方案优化具有十分重要的意义。

Description

一种鱼道进口补水消能模型试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及鱼道设计及物理模型试验领域,特别涉及鱼道进口补水消能模型试验装置及试验方法。
背景技术
鱼道是人工设置的过鱼建筑物,其目的是让鱼类穿越闸、坝或天然障碍物完成洄游产卵等生命活动。鱼道主要分为两类,工程性鱼道和仿自然鱼道。仿自然鱼道适用于中低水头的枢纽,而工程性鱼道适用范围更广泛。工程性鱼道目前比较流行的是竖缝式鱼道,是由进鱼口、过鱼池、休息池、出鱼口等组成。
鱼道进口设计是整个鱼道设计的关键环节,进口水流条件是否有利于洄游鱼类顺利发现并且进入鱼道,这是鱼道进口设计的关键指标。针对竖缝式鱼道而言,竖缝断面平均流速不能超过洄游鱼类的克流流速,但鱼道池室的宽度一般为缝宽的6~8倍,因此鱼道进口断面平均流速远低于竖缝断面平均流速。过低的流速不足以刺激洄游鱼类发现进鱼口,工程上一般通过鱼道进口补水等措施加大进口断面平均流速,进而达到诱鱼的目的。
鱼道可通过机组蜗壳进口引水的方式进行补水,采用流量调节阀对补水流量进行控制,并配有消能池等消能设施对补水水流进行消能。鱼道进口由于补水水流的加入,使得局部流态发生较大变化,如局部壅水以及流态紊乱等。相关研究表明,部分鱼类在不同水力区域内的上溯时间与紊动能、流速相关性较大;由于鱼的趋流特性,水流流速矢量决定了鱼的上溯方向,而对于局部空间内鱼的游泳运动行为,紊动能是更直接的水力影响因子。由此可见,鱼道进口补水消能方案设计重点是要解决两方面问题:①流态平顺,使鱼类洄游上溯方向明确;②紊动能小,消能充分,避免形成鱼类洄游的流速及紊动能屏障区。
鱼道进口补水消能模型试验通常是局部模型试验,通过试验确定合理的补水消能方案,为鱼道整体模型试验提供技术支撑。鱼道进口补水消能模型试验既有鱼道水流又有补水水流,其中鱼道水流属明流,而补水水流属有压流,常规模型试验需要建立2套独立的供水系统及流量计量系统,对于局部模型试验而言费时费力,并且造价昂贵。因此急需提出一种简易、实用的鱼道进口补水消能模型试验装置及试验方法,相关研究目前未见报道。
发明内容
本发明提供一种鱼道进口补水消能模型试验装置及试验方法。
本发明采取的技术方案是:箱形主体左侧下部固定连接配水管,在箱形主体的内部两个相对边壁间固定连接稳水花墙,在稳水花墙右侧的两个相对边壁间固定连鱼道前置薄壁堰,在鱼道前置薄壁堰的水流相反方面固定连接封闭的鱼道底板,两根补水管从鱼道底板的内部穿过,鱼道底板的右端是补水消能池,两根补水管的出水口位于补水消能池内,补水消能池的右端是鱼道进口底板,鱼道进口底板的右侧连接尾水花墙。
所述箱形主体的边壁和箱底、鱼道前置薄壁堰、鱼道底板、补水管、鱼道进口底板均采用有机玻璃制作。
采用一种鱼道进口补水消能模型试验装置的试验方法,包括下列步骤:
(1)根据《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054-2015),确定箱形主体1比尺为1:1~10;
(2)确定鱼道前置矩形薄壁堰的堰顶高程,步骤如下:
已知鱼道流量Qf,通过矩形薄壁堰公式计算堰上水头H,公式如下:
式中,m0为流量系数;b为堰宽,单位是m;g为重力加速度,单位是m/s2;P1为上游堰高,单位是m;
已知鱼道运行水位和计算的堰上水头,计算堰顶高程,由于堰上下游水位差z0完全消耗于沿程和局部水头损失,因此堰顶高程可根据设计补水管流量Qp按下式计算:
zw=zf+z0-H (9)
式中,hf为补水管沿程水头损失,单位是m;n为补水管糙率;v为补水管平均流速,单位是m/s,可由Qp与补水管断面面积A之比计算得出;L为补水管长度,单位是m;R为补水管水力半径,单位是m;ζ为补水管局部(进口、出口、弯管段)水头损失系数;zw为堰顶高程,单位是m;zf为鱼道运行水位,单位是m;
(3)将补水管进口封堵,测量鱼道设计流量下的堰上水头H;
(4)将补水管进口打开,固定堰上水头和鱼道运行水位,通过量水堰读取模型流量,若实测流量Qm减去鱼道流量Qf不等于设计补水管流量Qp,即Qm-Qf≠Qp,则采用式(10)计算补水管Qp流量条件下的堰上下游水位差z0p
式中,z0m为Qm条件下的堰上下游水位差,单位m;z0p为Qp条件下的堰上下游水位差,单位m;vm为Qm条件下的补水管平均流速,单位m/s;vp为Qp条件下补水管的平均流速,单位m/s;
(5)通过公式(11)重新计算Qp条件下鱼道前置矩形薄壁堰堰顶高程zwp
zwp=zf+z0p-H (11)
计算得出堰顶高程修正值zwp后,对矩形薄壁堰进行修改并重新安装。
本发明对比现有技术有如下有益效果:试验装置方面,提出了一种“单管供水、明满分流”的试验装置,从试验平水箱单管引水,通过试验装置分为鱼道水流(明流)和补水管水流(满流,即有压流)。针对鱼道进口补水消能模型试验,设计了一种简易、实用的试验装置及试验方法,极大的节省了建模成本和建模时间,明显提高了工作效率,对鱼道进口补水消能方案优化具有十分重要的意义。
附图说明
图1是本发明结构示意图;
图2是图1的A-A剖视图;
图3是图1的B-B剖视图;
图4是图1的C-C剖视图;
图5是应用例某水电站鱼道进口补水消能试验装置图;
图6是应用例某水电站鱼道进口补水消能试验装置的侧视图;
图7是应用例某水电站鱼道进口补水消能试验装置的鱼道前置薄壁堰处剖视图;
图8是是应用例某水电站鱼道进口补水消能试验装置的鱼道底板处剖视图;
图9是是本发明试验水循环系统示意图。
具体实施方式
见图1~4,箱形主体1左侧下部固定连接配水管2,在箱形主体1的内部两个相对边壁101间固定连接稳水花墙3,在稳水花墙3右侧的两个相对边壁101间固定连鱼道前置薄壁堰4,在鱼道前置薄壁堰4的水流相反方面固定连接封闭的鱼道底板5,两根补水管6从鱼道底板5的内部穿过,鱼道底板5的右端是补水消能池7,两根补水管6的出水口位于补水消能池7内,补水消能池7的右端是鱼道进口底板8,鱼道进口底板8的右侧连接尾水花墙9。
所述箱形主体1的边壁和箱底、鱼道前置薄壁堰4、鱼道底板5、补水管6、鱼道进口底板8均采用有机玻璃制作。
采用一种鱼道进口补水消能模型试验装置的试验方法,包括下列步骤:
(1)根据《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054-2015),确定箱形主体1比尺为1:1~10;
(2)确定鱼道前置矩形薄壁堰的堰顶高程,步骤如下:
已知鱼道流量Qf,通过矩形薄壁堰公式计算堰上水头H,公式如下:
式中,m0为流量系数;b为堰宽,单位是m;g为重力加速度,单位是m/s2;P1为上游堰高,单位是m;
已知鱼道运行水位和计算的堰上水头,计算堰顶高程,由于堰上下游水位差z0完全消耗于沿程和局部水头损失,因此堰顶高程可根据设计补水管流量Qp按下式计算:
zw=zf+z0-H (9)
式中,hf为补水管沿程水头损失,单位是m;n为补水管糙率;v为补水管平均流速,单位是m/s,可由Qp与补水管断面面积A之比计算得出;L为补水管长度,单位是m;R为补水管水力半径,单位是m;ζ为补水管局部(进口、出口、弯管段)水头损失系数;zw为堰顶高程,单位是m;zf为鱼道运行水位,单位是m;
(3)将补水管进口封堵,测量鱼道设计流量下的堰上水头H;
(4)将补水管进口打开,固定堰上水头和鱼道运行水位,通过量水堰读取模型流量,若实测流量Qm减去鱼道流量Qf不等于设计补水管流量Qp,即Qm-Qf≠Qp,则采用式(10)计算补水管Qp流量条件下的堰上下游水位差z0p
式中,z0m为Qm条件下的堰上下游水位差,单位m;z0p为Qp条件下的堰上下游水位差,单位m;vm为Qm条件下的补水管平均流速,单位m/s;vp为Qp条件下补水管的平均流速,单位m/s;
(5)通过公式(11)重新计算Qp条件下鱼道前置矩形薄壁堰堰顶高程zwp
zwp=zf+z0p-H (11)
计算得出堰顶高程修正值zwp后,对矩形薄壁堰进行修改并重新安装。
本发明原理如下:
(1)局部模型试验水循环系统
局部模型试验的供水系统设施包括:蓄水池、动力泵、平水箱、供水管、鱼道进口补水消能局部模型和回水槽等(见图9)。其中流量采用退水量水堰(三角形)进行量测。
(2)模型相似准则
正态模型要求佛汝德数相似和阻力相似,由此模型应满足:
①几何相似
式中,λL为平面比尺;λH为垂直比尺;Lp为原型的长度;Lm为模型的长度。
②流速相似
λv=λL 1/2 (2)
式中,λv为流速比尺。
③阻力相似
λn=λL 1/6 (3)
式中,λn为糙率系数比尺。
④流量相似
λQ=λL 5/2 (4)
式中,λQ为流量比尺。
(3)边界条件
鱼道进口补水消能模型试验边界条件包括:鱼道流量Qf、设计补水管流量Qp、薄壁堰堰宽b、补水管断面面积A、鱼道运行水位zf等。
应用例:
某水电站鱼道进口采用2根直径为600mm的钢管进行局部补水,补水上限流量为2.0m3/s,即单管补水上限流量为1.0m3/s,补水最大流速(钢管出口)为3.54m/s,钢管补水水体与消能池中的水体掺混,对鱼道内水体会产生明显的扰动,导致鱼道内(消能池部位)流态紊乱,对鱼类洄游上溯造成不利影响,需要通过模型试验对补水消能方案进行优化;
根据最不利工况分析结果,当鱼道水深为2.0m时,对应的水位为191.3m,为了使鱼道进口平均流速达到设计流速1.3m/s,补水管补水流量达到其上限补水能力2.0m3/s,此时鱼道流量为0.67m3/s;
《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054-2015)中规定:鱼道局部模型试验比尺为1:1~1:10,根据试验厅场地条件,确定鱼道进口补水消能局部模型比尺为1:8;
局部模型(见图5)主要采用有机玻璃制作,鱼道主体为混凝土结构,其糙率一般为0.013,糙率系数比尺为1.414,换算成模型糙率应为0.009,有机玻璃的糙率为0.008~0.01,正常值为0.009,原型与模型的糙率基本相符,满足试验数据的准确性要求。与局部模型配套的供水系统设施不再累述;
(1)鱼道前置薄壁堰堰上水头H初步计算
已知鱼道流量Qf=0.67m3/s(如无特殊说明,所有数据均为原型数据),通过公式(5)和公式(6)计算堰上水头H,其中堰宽即鱼道净宽b=2.5m,经计算H=0.28m。
(2)鱼道前置薄壁堰堰顶高程初步计算
先按照公式(7)和公式(8)计算堰上下游水位差z0,其中,n取0.014,L为11.66m,v取3.54m/s;局部水头损失系数方面,进口处取0.5,出口处取1.0,弯管处取0.44。经计算z0值为1.60m,根据公式(9)计算得到堰顶高程初步计算结果为:
zw=191.3+1.6-0.28=192.62m
(3)鱼道前置薄壁堰堰上水头H及堰顶高程zw的试验修正
①先封堵补水管,当量水堰测得鱼道流量为0.67m3/s时,堰上水头H的实测值为0.24m;
②打开补水管,按照堰上水头H=0.24m控制堰上水位,实测单个补水管流量为0.86m3/s,小于单管设计补水流量1m3/s;按照公式(10)对堰上下游水位差进行放大,计算得出z0p为2.16m;
③根据公式(11)计算得出补水管流量为Qp条件下的堰顶高程zwp值为193.22m;
由表1所示,鱼道前置薄壁堰堰顶高程修正后,三角形量水堰测得的总流量(鱼道+补水管)为0.0148m3/s,流量比尺为181,原型总流量为2.67m3/s;其中鱼道模型流量为0.0037m3/s,原型流量为0.67m3/s,因此补水管原型总的补水流量为2.0m3/s,单管补水流量为1.0m3/s,与设计鱼道及补水管流量一致;
表1堰顶高程修正后鱼道流量及补水管流量实测值
项目 模型 比尺 原型
堰上水头/m 0.03 8 0.24
鱼道流量/m<sup>3</sup>.s<sup>-1</sup> 0.0037 181 0.67
总流量/m<sup>3</sup>.s<sup>-1</sup> 0.0148 181 2.67
本发明设置鱼道进口前置薄壁堰,通过堰上下游水位差控制补水管有压流流量,通过堰上水头来控制鱼道明流流量,实现了“单管供水、明满分流”的目的。本发明可为鱼道进口补水消能方案优化提供技术支撑;同时节省了大量建模成本,提高了工作效率,对于同类模型试验具有较高参考价值。

Claims (3)

1.一种鱼道进口补水消能模型试验装置,其特征在于:箱形主体左侧下部固定连接配水管,在箱形主体的内部两个相对边壁间固定连接稳水花墙,在稳水花墙右侧的两个相对边壁间固定连鱼道前置薄壁堰,在鱼道前置薄壁堰的水流相反方面固定连接封闭的鱼道底板,两根补水管从鱼道底板的内部穿过,鱼道底板的右端是补水消能池,两根补水管的出水口位于补水消能池内,补水消能池的右端是鱼道进口底板,鱼道进口底板的右侧连接尾水花墙。
2.根据权利要求1所述的一种鱼道进口补水消能模型试验装置,其特征在于:箱形主体的边壁和箱底、鱼道前置薄壁堰、鱼道底板、补水管、鱼道进口底板均采用有机玻璃制作。
3.采用如权利要求1所述的一种鱼道进口补水消能模型试验装置的试验方法,其特征在于,包括下列步骤:
(1)根据《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054-2015),确定箱形主体比尺为1:1~10;
(2)确定鱼道前置矩形薄壁堰的堰顶高程,步骤如下:
已知鱼道流量Qf,通过矩形薄壁堰公式计算堰上水头H,公式如下:
式中,m0为流量系数;b为堰宽,单位是m;g为重力加速度,单位是m/s2;P1为上游堰高,单位是m;
已知鱼道运行水位和计算的堰上水头,计算堰顶高程,由于堰上下游水位差z0完全消耗于沿程和局部水头损失,因此堰顶高程可根据设计补水管流量Qp按下式计算:
zw=zf+z0-H (9)
式中,hf为补水管沿程水头损失,单位是m;n为补水管糙率;v为补水管平均流速,单位是m/s,可由Qp与补水管断面面积A之比计算得出;L为补水管长度,单位是m;R为补水管水力半径,单位是m;ζ为补水管局部水头损失系数;zw为堰顶高程,单位是m;zf为鱼道运行水位,单位是m;
(3)将补水管进口封堵,测量鱼道设计流量下的堰上水头H;
(4)将补水管进口打开,固定堰上水头和鱼道运行水位,通过量水堰读取模型流量,若实测流量Qm减去鱼道流量Qf不等于设计补水管流量Qp,即Qm-Qf≠Qp,则采用式(10)计算补水管Qp流量条件下的堰上下游水位差z0p
式中,z0m为Qm条件下的堰上下游水位差,单位m;z0p为Qp条件下的堰上下游水位差,单位m;vm为Qm条件下的补水管平均流速,单位m/s;vp为Qp条件下补水管的平均流速,单位m/s;
(5)通过公式(11)重新计算Qp条件下鱼道前置矩形薄壁堰堰顶高程zwp
zwp=zf+z0p-H (11)
计算得出堰顶高程修正值zwp后,对矩形薄壁堰进行修改并重新安装。
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