水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了水库沙峰调度的试验模拟系统，包括流量控制模块、泥沙供给模块、水沙试验模块和排沙收集模块；其中，所述流量控制模块用于定制满足试验需求的场次洪水过程；所述泥沙供给模块能够配置满足试验需求的挟沙水流，实现水沙异步的精细化模拟；所述水沙试验模块开展库区沙峰调度试验；所述排沙收集模块用于水沙分离及水沙回收；另外本发明专利技术还公开相应的试验方法，可模拟水库不同调度方式下的水沙输移状况，实现水库沙峰调度的精细化模拟，为水库长期保持有效库容提供了技术支撑。库长期保持有效库容提供了技术支撑。库长期保持有效库容提供了技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
水库沙峰调度的试验模拟系统与试验模拟方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，本专利技术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。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术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。
[0006]技术方案：为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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：u
s
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，本专利技术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λ
h
，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；试验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水库沙峰调度的试验模拟系统，其特征在于：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：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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的水库沙峰调度的试验模拟系统，其特征在于：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：式中：u
s
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。3.根据权利要求1所述的水库沙峰调度的试验模拟系统，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的水库沙峰调度的试验模拟系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴会超，赵汗青，毛劲乔，陈彦宏，龚轶青，戴杰，孟定华，张成潇，蒋定国，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：