水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法与流程

1.本发明涉及水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法，属于水利工程领域。


背景技术：

2.大型水利水电工程具有防洪、发电、航运、水资源配置等多种功能，但水利工程会使上下游水沙情势发生改变，造成库区泥沙淤积及其生态环境变化等问题。由于泥沙淤积，全球的水库库容量逐年减少，严重制约了水利水电工程的可持续发展，尤其对于影响较为显著的河道型水库，洪峰、沙峰在库区的传播过程中存在更为显著的异步特征，即洪峰到达某一断面的时间早于或晚于沙峰达到时间，导致泥沙沿程淤积，水库的有效库容减小。因此，精准模拟水沙运动及水库淤积过程是水利水电工程水沙调控的重要前提，对水库库容的长期保持具有重要的意义。
3.现场观测、数值模拟是研究水沙运动的常用手段，受到坝前水深、大坝运行、涉水建筑(如引航道)等因素的制约，现场观测难度大、费用高、安全性低；数值模拟高水深、长河段工况对计算机性能要求较高，进行长序列的水沙模拟费用高、难以实现。专利cn103711101a提出了一种用于水流泥沙试验的可变形明渠弯道水槽装置，能够简便改变弯道形态，任意调整水槽参数，改善了局部弯道水沙问题的试验条件，但是装置结构单一，针对性较小，无法满足水沙异步入流条件，不能满足沙峰调度过程模拟和水沙配套测量的要求。
4.精确了解进入水库的泥沙特性则是解决水库泥沙问题的一种有效办法，针对现有河道型水库试验模拟技术的不足，本发明建立了水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法，可用于模拟河道型水库不同泥沙调度方法的水沙运移过程，克服了洪峰与沙峰难以分离研究的难题，实现水库沙峰调控精细化模拟，为河道型水库排沙调控提供模拟手段，为保证水库能够长期保持有效库容的沙峰调度提供了理论依据。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明针对沙峰调度过程中研究水沙异步的运移过程，提出水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法，能够有效模拟“洪峰在前、沙峰在后”、“洪峰与沙峰同步”、“沙峰在前、洪峰在后”等情景下，进口流量、进口沙量随时间的任意变化过程以及库区任意河段的泥沙冲淤过程以及水沙运移规律，实现水库沙峰排沙精细化调控模拟，克服了现有技术的不足，为保证水库能够长期保持有效库容的沙峰调度提供了理论依据。
6.技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法，包括流量控制模块、泥沙供给模块、水沙试验模块、排沙收集模块组成，其中：
7.优选地，所述流量控制模块用于定制满足试验需求的场次洪水流量过程，由储水箱、水泵、连接段构成。其中储水箱用于存放试验用水，容量不低于两倍的试验需水量；水泵为直流变频水泵，通过调整变频电机的工作频率实现泵送流量的无级线性调节；连接段用
于设备间的水力连接，储水箱和水泵间的连接段为压力钢管，水泵与下游水沙试验模块的连接段为无压明渠，各连接段的过流能力不低于两倍的最大试验流量；
8.优选地，所述泥沙供给模块用于配置满足试验需求的挟沙水流，由饲沙器、悬混装置和导流格栅构成。其中，饲沙器位于明渠连接段上方，用于向试验水流中添加试验泥沙，通过动态调整饲沙器的开度，控制试验泥沙的供应速率；悬混装置位于明渠连接段底部，用于实现试验水流与试验沙的充分掺混，防止泥沙沉底；导流格栅位于明渠连接段末端，用于消除水流中的大尺度旋涡；
9.优选地，所述水沙试验模块用于开展库区沙峰调度试验，由河库段、坝体段和测量设备构成。其中，河库段为模拟大坝上游天然河库的比尺模型，通过3d打印技术使用高强度abs材料一体成型；坝体段用于模拟大坝坝体及泄水结构，由挡水单元、控制单元和泄水单元构成；控制单元用于控制泄水单元闸门的启闭以及开度；泄水单元由若干个闸门组成，用于挟沙水流的下泄；测量设备用于测量试验模块的水流、泥沙运动参数。
10.优选地，所述排沙收集模块用于水沙分离及水沙回收，由拦沙-排水装置、泥沙收集与处理装置、泥沙称重装置和回水管道构成。其中，拦沙-排水装置其上游与水沙试验模块连接，拦截并过滤水库排出的泥沙，实现水沙分离与清水下泄；泥沙收集与处理装置用于收集水库下泄的泥沙，并进行烘干处理；泥沙称重装置用于称量烘干后沙量，进而计算水库排沙比，称重后的干沙重新补充进入饲沙器；回水管道连接拦沙-排水装置与储水箱，将分离后的清水补充至储水箱，构成水循环系统。
11.优选地，所述的悬混装置位于明渠连接段底部，由压力传感器、薄板栅格和变频振动电机组成。其中，压力传感器用于实时测量挟沙水流底部水压p，根据p＝γh，结合水深h计算流体容重γ，γ与流体含沙量呈正相关；薄板栅格的网眼尺寸为50倍的泥沙中值粒径；变频振动电机带动薄板栅格做上下往复微幅振动，促进近底泥沙悬浮，悬浮起动条件与振动频率的计算公式如下：
[0012][0013]
式中：us为模型沙起动速度；g为重力加速度；f振动栅格基础频率；β为频率修正系数；h为水深。
[0014]
优选地，饲沙器投放的试验模型沙由树脂外壳与石英内质制成，可根据试验的泥沙粒径及比尺要求，通过调整石英内质的含量和树脂外壳的尺寸进行定制以满足试验需要。
[0015]
优选地，所述的测量设备由若干组流速测量探头、水位测量探头、淤沙测量探头和悬沙测量探头组成。其中，流速测量为超声时差式探头，沿河库段等距贴置于两侧壁面，根据超声往返的时差计算流体流速；水位测量为超声回声探头，布设于明渠连接段和河库段上方，根据超声往返测点与液面的时间，计算液面与测点的距离，进而推算测点对应液面处的实时水位；淤沙测量为高频超声探头，沿河库段等距贴置于底面，根据超声往返测点与水沙交界面的时间，计算淤沙的厚度；悬沙测量使用悬沙测量探头，等距布置于水沙试验模块内壁，用于沿程水体悬沙含量监测。
[0016]
优选地，所述的悬沙测量探头为微型流体密度测量装置，其特征在于由齿状驱动器、刚性薄传感板、折叠梁和信号处理单元构成。其中，齿状驱动器为电容式驱动器，包括固定齿状结构、驱动齿状结构，固定齿保持静止，驱动齿可以自由移动；所述折叠梁由多晶硅
制成，具有支撑作用；信号处理单元用于将电流信号转化为含沙量数据。当试验挟沙水流流经微型流体密度测量装置时，微通道两端存在压降，刚性薄传感板发生谐振，其产生的固有频率取决于待测流体的密度，测量物质密度越大，固有频率越小；谐振使固定齿状结构和驱动齿状结构之间电容发生变化产生电信号，由信号处理单元将电信号转化为悬沙含沙量数据，转化系数需在试验前进行定量率定。
[0017]
优选地，本发明还公开了试验模拟系统与试验模拟方法，具体包括如下步骤：
[0018]
s1、设备准备阶段：根据河道和水库的实际地形数据，确定模型的平面比尺λ
l
、垂直比尺λh，优选通过3d打印使用abs材料实现河库段一体成型，并采用有机玻璃材料搭建坝体段；试验模拟前，根据河库悬移质泥沙资料，按照泥沙比尺条件，设置对应的模型沙配重；在沿程布设流速测量探头、水位测量探头、淤沙测量探头和悬沙测量探头，用于对试验水流的流速、水位、底部淤积厚度及水体悬沙量进行同步测定；
[0019]
s2、数据准备阶段：按照河道上游水文站的流量、含沙量及输沙时间过程序列，并结合相关比尺，拟定水沙试验模块入口的流量、含沙量输入过程序列；依据模型的平面比尺λ
l
、垂直比尺λh；按照重力相似准则，确定流速比尺λu＝λ
h0.5
，流量比尺λq＝λ
l
λ
h1.5
、泥沙沉速比尺λ
ω
＝λ
h1.5
λ
l-1
、含沙量比尺λs＝λ
h0.5
λ
l0.92
。根据原型水库预设的调控方案，拟定各闸门的流量下泄过程
[0020][0021]
下关系：
[0022]
式中，e为闸门开度，h为闸孔水头，即坝前水位z与底板高程的差值，b为闸孔宽度，累计各闸门出流量得到总的出库流量。
[0023]
s3、试验运行阶段：
[0024]
s3-1、根据某一要求的来水、来沙过程，结合相关比尺，确定试验系统的历时t；根据原型设定的来水来沙过程，确定模型对应的q
进
～t、s
进
～t关系；根据沙峰调度规则，确定q
出
～t关系；
[0025]
s3-2、按恒定流过程控制进口流量，相应的流量大小等于初始时刻(即t＝0时刻)的q
进
值。期间，保持s
进
＝0，并开始进行试验系统的水循环。待坝前水位达到初始时刻的z值，按照初始时刻的q
出
泄水，同时开始试验；
[0026]
s3-3、同步启动进口流量控制模块、泥沙供给模块，使其按照q
进
～t、s
进
～t关系创造来水来沙条件，使用控制单元调整泄水单元各个闸门的开度，按照q
出
～t关系进行水流、泥沙下泄。同时，启动测量设备开展水流泥沙参数的测量工作；
[0027]
s3-4、当t＝t时，停止向水沙试验模块供水、供沙与水沙测量，结束试验；
[0028]
s3-5、基于试验测量的水沙数据，计算水库排沙比。同时，结合时间比尺、水位比尺、流量比尺、含沙量比尺，反算原型的排沙比参数。
附图说明
[0029]
图1为本发明试验模拟系统示意图；
[0030]
图2为本发明水沙试验模块河库段与坝体段测量装置布设示意图；
[0031]
图3为本发明模型沙结构示意图；
[0032]
图4为本发明微型流体密度测量装置示意图；
[0033]
图5为本发明用于水库沙峰模拟的试验方法流程图；
[0034]
图6为本发明实施例模拟的三种典型洪峰和沙峰原型过程曲线。
[0035]
附图标记说明：
[0036]
1、流量控制模块；1.1、储水箱；1.2、水泵；1.3、连接段；2、泥沙供给模块；2.1、饲沙器；2.1.1、试验泥沙；2.2、悬混装置；2.2.1、压力传感器；2.2.2、薄板栅格；2.2.3、变频振动电机；2.3、导流格栅；3、水沙试验模块；3.1、河库段；3.2、坝体段；3.2.1、挡水单元；3.2.2、控制单元；3.2.3、泄水单元；3.3、测量设备；3.3.1、流速测量探头；3.3.2、水位测量探头；3.3.3、淤沙测量探头；3.3.4、悬沙测量探头；3.3.4.1、齿状驱动器；3.3.4.2、刚性薄传感板；3.3.4.3、折叠梁；3.3.4.4、信号处理单元；3.3.4.5、固定齿状结构；3.4.4.6、驱动齿状结构；4、排沙收集模块；4.1、拦沙-排水装置；4.2、泥沙收集与处理装置；4.3、泥沙称重装置；4.4、回水管道。
具体实施方式
[0037]
如图1至图6所示，本发明采用以下技术方案：水库沙峰调度的试验模拟系统由流量控制模块1、泥沙供给模块2、水沙试验模块3、排沙收集模块4组成，其中：
[0038]
所述流量控制模块1用于定制满足试验需求的场次洪水流量过程，由储水箱1.1、水泵1.2、连接段1.3构成；其中储水箱1.1用于存放试验用水，容量不低于两倍的试验需水量；水泵1.2为直流变频水泵1.2，通过调整变频电机的工作频率实现泵送流量的无级线性调节；连接段1.3用于设备间的水力连接，储水箱1.1和水泵1.2间的连接段1.3为压力钢管，水泵1.2与下游的水沙试验模块3的连接段1.3为无压明渠，各连接段1.3的过流能力不低于两倍的最大试验流量；
[0039]
所述泥沙供给模块2用于配置满足试验需求的挟沙水流，由饲沙器2.1、悬混装置2.2和导流格栅2.3构成；其中，饲沙器2.1位于明渠的连接段1.3上方，用于向试验水流中添加试验泥沙2.1.1，通过动态调整饲沙器2.1的开度，控制试验泥沙的供应速率；悬混装置2.2位于明渠连接段底部，用于实现试验水流与试验沙的充分掺混，防止泥沙沉底；导流格栅2.3位于明渠的连接段1.3末端，用于消除水流中的大尺度旋涡；
[0040]
所述水沙试验模块3用于开展库区沙峰调度试验，由河库段3.1、坝体段3.2和测量设备3.3构成；其中，河库段3.1为模拟大坝上游天然河库的比尺模型，通过3d打印技术使用高强度abs材料一体成型；坝体段3.2用于模拟大坝坝体及泄水结构，由挡水单元3.2.1、控制单元3.2.2和泄水单元3.2.3构成；控制单元3.2.2用于控制泄水单元3.2.3闸门的启闭以及开度；泄水单元3.2.3由若干个闸门组成，用于挟沙水流的下泄；测量设备3.3用于测量试验模块的水流、泥沙运动参数；
[0041]
所述排沙收集模块4用于水沙分离及水沙回收，由拦沙-排水装置4.1、泥沙收集与处理装置4.2、泥沙称重装置4.3和回水管道4.4构成；其中，拦沙-排水装置4.1其上游与水沙试验模块3连接，拦截并过滤水库排出的泥沙，实现水沙分离与清水下泄；泥沙收集与处理装置4.2用于收集水库下泄的泥沙，并进行烘干处理；泥沙称重装置4.3用于称量烘干后沙量，进而计算水库排沙比，称重后的干沙重新补充进入饲沙器2.1；回水管道4.4连接拦
沙-排水装置4.1与储水箱1.1，将分离后的清水补充至储水箱1.1，构成水循环系统。
[0042]
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述的悬混装置2.2位于明渠连接段1.3底部，由压力传感器2.2.1、薄板栅格2.2.2和变频振动电机2.2.3组成；其中，压力传感器2.2.1用于实时测量挟沙水流底部水压p，根据p＝γh，结合水深h计算流体容重γ，γ与流体含沙量呈正相关；薄板栅格2.2.2的网眼尺寸为50倍的泥沙中值粒径；变频振动电机2.2.3带动薄板栅格2.2.2做上下往复微幅振动，促进近底泥沙悬浮，悬浮起动条件与振动频率的计算公式如下：
[0043][0044]
式中：us为模型沙起动速度；g为重力加速度；f振动栅格基础频率；β为频率修正系数。
[0045]
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，饲沙器2.1投放的试验模型沙2.2.1由树脂外壳与石英内质制成，可根据试验的泥沙粒径及比尺要求，通过调整石英内质的含量和树脂外壳的尺寸进行定制以满足试验需要。
[0046]
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述的测量设备3.3由若干组流速测量探头3.3.1、水位测量探头3.3.2、淤沙测量探头3.3.3和悬沙测量探头3.3.4组成；其中，流速测量为超声时差式探头，沿河库段3.1等距贴置于两侧壁面，根据超声往返的时差计算流体流速；水位测量为超声回声探头，布设于明渠连接段1.3和河库段3.1上方，根据超声往返测点与液面的时间，计算液面与测点的距离，进而推算测点对应液面处的实时水位；淤沙测量为高频超声探头，沿河库段3.1等距贴置于底面，根据超声往返测点与水沙交界面的时间，计算淤沙的厚度；悬沙测量使用悬沙测量探头3.3.4，等距布置于水沙试验模块3内壁，用于沿程水体悬沙含量监测。
[0047]
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，悬沙测量探头3.3.4由齿状驱动器3.3.4.1、刚性薄传感板3.3.4.2、折叠梁3.3.4.3和信号处理单元3.3.4.4构成；其中，齿状驱动器3.3.4.1为电容式驱动器，包括固定齿状结构3.3.4.5、驱动齿状结构3.3.4.6，固定齿保持静止，驱动齿可以自由移动；所述折叠梁3.3.4.3由多晶硅制成，具有支撑作用；信号处理单元3.3.4.4用于将电流信号转化为含沙量数据；当试验挟沙水流流经微型流体密度测量装置时，微通道两端存在压降，刚性薄传感板3.3.4.2发生谐振，其产生的固有频率取决于待测流体的密度，测量物质密度越大，固有频率越小；谐振使固定齿状结构3.3.4.5和驱动齿状结构3.3.4.6之间电容发生变化产生电信号，由信号处理单元3.3.4.4将电信号转化为悬沙含沙量数据，转化系数需在试验前进行定量率定。
[0048]
本发明实施例还提供了一种水库沙峰调度的试验模拟方法，上述方法具体包括如下步骤：
[0049]
s1、设备准备阶段：根据河道和水库的实际地形数据，确定模型的平面比尺λ
l
、垂直比尺λh，优选通过3d打印使用abs材料实现河库段3.1一体成型，并采用有机玻璃材料搭建坝体段3.2；试验模拟前，根据河库悬移质泥沙资料，按照泥沙比尺条件，定制模型沙存放于饲沙器2.1；在沿程布设流速测量探头3.3.1、水位测量探头3.3.2、淤沙测量探头3.3.2和悬沙测量探头3.3.3，用于对试验水流的流速、水位、底部淤积厚度及水体悬沙量进行同步测定；
[0050]
s2、数据准备阶段：按照河道上游水文站的流量、含沙量及输沙时间过程序列，并
结合相关比尺，拟定水沙试验模块3入口的流量、含沙量输入过程序列；依据模型的平面比尺λ
l
、垂直比尺λh；按照重力相似准则，确定流速比尺λu＝λ
h0.5
，流量比尺λq＝λ
l
λ
h1.5
、泥沙沉速比尺λ
ω
＝λ
h1.5
λ
l-1
、含沙量比尺λs＝λ
h0.5
λ
l0.92
；根据原型水库预设的调控方案，拟定各闸门的流量下泄过程
[0051][0052]
下关系：
[0053]
式中，e为闸门开度；h为闸孔水头，即坝前水位z与底板高程的差值；b为闸孔宽度，累计各闸门出流量得到总的出库流量；
[0054]
s3、试验运行阶段：
[0055]
s3-1、根据某一要求的来水、来沙过程，结合相关比尺，确定试验系统的历时t；根据原型设定的来水来沙过程，确定模型对应的q
进
～t、s
进
～t关系；根据沙峰调度规则，确定q
出
～t关系；
[0056]
s3-2、按恒定流过程控制进口流量，相应的流量大小等于初始时刻(即t＝0时刻)的q
进
值；期间，保持s
进
＝0，并开始进行试验系统的水循环；待坝前水位达到初始时刻的z值，按照初始时刻的q
出
泄水，同时开始试验；
[0057]
s3-3、同步启动进口流量控制模块1、泥沙供给模块2，使其按照q
进
～t、s
进
～t关系创造来水来沙条件，使用控制单元3.2.2调整泄水单元3.2.3各个闸门的开度，按照q
出
～t关系进行水流、泥沙下泄；同时，启动测量设备3.3开展水流泥沙参数的测量工作；
[0058]
s3-4、当t＝t时，停止向水沙试验模块3供水、供沙与水沙测量，结束试验；
[0059]
s3-5、基于试验测量的水沙数据，计算水库排沙比；同时，结合时间比尺、水位比尺、流量比尺、含沙量比尺，反算原型的排沙比参数。
[0060]
具体地，以某一河道型水库为例，该水库兼顾泄洪排沙闸门共11个，闸门宽度均为7m，高度为9m，每个闸门泄量为2205m3/s；坝高185m，坝前河道宽约2.8km，水深100m，来流沙峰含量为1.75kg/m3，洪峰流量为52500m3/s；悬沙粒径约为0.5～3mm；根据各类比尺的计算公式，拟定长度比尺为λ
l
＝0.01、λh＝0.005，流速比尺λu＝0.07，流量比尺λq＝3.5
×
10-6
，泥沙沉速比尺λ
ω
＝0.035，含沙量比尺λs＝0.001；通过流量控制模块1定制满足试验需求的场次洪峰流量过程；
[0061]
根据实测地形数据确定河道段地形，通过3d打印使用abs材料实现河库段3.1一体成型，并采用有机玻璃材料搭建坝体段3.2，部分参数如表1所示；根据原型水库预设的调控方案，拟定各闸门的流量下泄过程方案；根据河库悬移质泥沙资料，按照泥沙比尺条件，定制模型沙存放于饲沙器2.1。根据图6所示的原型洪峰、沙峰数据，结合比尺营造流量、含沙量过程(q
进
～t和s
进
～t)，使洪峰与沙峰异步出库，分别模拟沙峰在前、沙峰洪峰同步、沙峰在后三种典型泥沙调度方式作为运行工况。依次启动流量控制模块1和泥沙供给模块2，并按照各工况下闸门的启闭日志进行调控泄水单元3.2.3，通过排沙收集模块4实现水沙循环使用。
[0062]
表1试验系统参数值
[0063]
[0064][0065]
在河道段沿流向每隔5cm布设一组测量装置，每组装置包括一对流速测量探头(3.3.1)、一个水位测量探头(3.3.2)、一个淤沙测量探头(3.3.3)和一对悬沙测量探头(3.3.4)，用于对入库的水流流速、水位、底部淤沙厚度及水体悬沙量进行同步测定，结合泥沙称重装置(4.3)称量烘干后的出库沙量，选用如下公式对排沙比进行计算：
[0066][0067]
式中：sc为沙峰入库沙量，sr为沙峰出库沙量，q
rs
为沙峰入库流量，q
cs
为沙峰出库总流量。经过模拟、测量和计算，得出工况a(沙峰在前)的排沙比为38.6％，工况b(沙峰洪峰同步)排沙比为40.4％，工况c(沙峰在后)排沙比为32.7％。