岩溶管道水系统物理模拟_以岩滩水电站板文地下河系为例.pdf

第15卷 第4期 中 国 岩 溶 Vo1 15 No 4 1996年12月 CARSOLOGICA SI N ICADec 1996 岩溶管道水系统物理模拟 以岩滩水电站板文地下河系为例 李文兴 郭纯青 地质矿产部岩溶地质研究所 摘 要 从物理模拟的角度出发 论述应用相似原理概化岩溶管道水 系统和建立符合能量转化 质量守恒的等效水箱 并采用变径管束组合 等效岩溶管道 还介绍了改变模型结构和不改变模型结构的两种模型 预报 为解决岩溶地区岩溶管道系统水流运动问题提供很好的方法 关键词 岩溶 管道水系统 物理模拟 0 引 言 为研究岩溶管道水运动而进行的物理模拟 从模拟内容上可以分成系统模拟与功能模拟 本文以岩滩水电站库区板文地下河系为例讨论系统模拟 从能量转换 质量守恒的基本物理法 则出发 对系统概化出具有介质特征和水流特征的实体模型 根据相似理论对实体模型进行缩 小 组装成能在室内模拟的物理模型 物理模拟就是要组装并测量模型各物理量的过程 实体 模型从结构上可分为储水介质与导水介质 而物理模型从结构上可分为水能存储单元与水能 输送单元 水能存储单元与储水介质相对应 水能输送单元与导水介质相对应 本文举例的水 能存储单元包括地上 地下储水库容 1 物理模拟模型设计 以相似理论为基础 在模拟的原型 实体模型 与模型 物理模型 之间建立一种相似关系 具体的做法是将原型的物理量换算成模型的物理量 对模型的物理量进行模拟试验 然后将模 拟试验的结果转换到原型中去 就可以得到需要求解的物理量 具体要求为 几何相似 运动相 似 动力相似 边界条件相似 一般情况下 水流受到一定外部边界的约束 边界的变化使水流 运动状态也发生变化 从水力学的观点上看 上述过程也就是作用于水的各种力共同作用的结 果 要使原型与模型两者水流间形成相似关系 除了边界条件相似以外 更重要的是考虑到受 第一作者简介 李文兴 男 1957年出生 高级工程师 1982年毕业于中山大学数学力学系力学专业 541004 广西 桂林市七星40号 收稿日期 1996 01 16 改回日期 1996 09 04 力条件的相似 根据相似原理的重力相似准则 如果物理模型与实体模型两个水流在重力作用 下相似 则它们的佛汝德数相等 即 v 2 g l 1 1 式中v为水流流速 g为重力加速度 l为长度 l为长度比 l原型 l模型 v为原型与模型水流速 度之比 v原型 v模型 g为原型与模型重力加速度之比 g原型 g模型 因为原型与模型的液体都是 水 因此有g原型 g模型 即 g 1 所以公式 1 成为 v gl015 2 从而 流量的比例尺 Q为 Q Q原型 Q模型 v原型A原型 v模型A模型 v l2 l215 3 式中Q原型 Q模型和A原型 A模型分别为原型与模型的流量和管道及裂隙过水断面面积 2 岩滩电站库区板文地下河系物理模型 本物理模拟模型的水能输送单元为岩滩库区板文地下河 板文地下河位于广西东兰县南 部 红水河岩滩水电站上游西侧 分布范围南北长约24km 东西宽约21 25km 该地下河系 是桂西地区一条大型地下河 流域面积352km 2 干流全长2613km 地下河出口高程为177m 地下河上游源于江平一带峰丛洼地 中游 即淹没区 为峰丛 林 谷地 下游又为高峰洼地 当 中 上游来水集中于中游谷地时 主要靠纳亮 拉垌 拉平三大消水洞群 共130个 消水至地下 河道 经过14km的下游峰丛区 由板文出口排入红水河 见图 1 岩滩水库蓄水前板文地下河 图1 板文地下河系水箱概化示意图 Fig 1 Block diagram illustrating the tank structure in the Banwen subterranean river system 1 流域边界 2 地表河 3 内涝区汇水界线 4 地下河 5 雨量站 6 水位站 253 中国岩溶 1996年 出口的红水河水位为177m 水库蓄水后水位抬升到222m 使得本来就排水不畅的巴纳 拉平 两谷地的水流受到的阻力更大 淹没的时间更长 本模型以巴纳 拉平两谷地及地下岩溶含水 介质为水能储存单元 岩滩水库作为水能输送单元下游的蓄能单元 两谷地到板文地下河出口 为水能输送单元 其中 水能输送单元用大管道 胶管或玻璃管 加阻力元件来模拟 以阻力元 件等效岩溶管道阻力 水能储存单元以物理水箱来实现 水箱水位模拟谷地水位及岩滩水库水 位 为了模拟的方便 模型的起点高度 模型零点 定在实际标高的某一高度 本模型的起点标 高为177m 根据岩滩库区板文地下河的地质及水文地质条件 取模型的长度比为 l 100 应 用 2 3 式可求得 v 10 Q 100000 具体见表1 表1 模型数据表 Tab 1 M odel parameters 名 称原型模型 名 称原型模型 长度比100m 1m 基点 建库前红水河水位 177100m0100cm 面积比10000m2 1m 2 岩滩水库水位222100m45100cm 体积比1000000m31m3模拟巴纳93年初始水位301199m124199cm 速度比10m s 1m s模拟拉平93年初始水位289199m112199cm 流量比100000m3 s 1m 3 s模拟巴纳93年最高水位307138m130138cm 巴纳最低点297m120cm模拟拉平93年最高水位300184m123184cm 拉平最低点290m113cm模拟巴纳93年最终水位302158m125158cm 模拟拉平93年最终水位296125m119125cm 图2 物理模拟试验过程图 Fig 2 Flow chart illustrating physical si mulation test 3 物理模拟试验过程 物理模拟试验过程如图2所示 3 1 水箱水位及水量调试 水箱水位及水量的调试是根据地质 地貌 地形的特征概化出在不同水位标高 下的水面面积及水体体积 这就是可控水 箱的基本数据 将其输入计算机 作为模拟 试验中物理水箱的输入水量 拉平和巴纳 两谷地在不同水位标高下的水量见表2及 表3 3 2 管道流量及阻力调试 从图2可知 模拟试验的过程 就是根 据已知条件 主要求解管道的阻力参数的 过程 而管道流量及阻力的模拟又是一个极其复杂的过程 要求的技术很高 由于篇幅有限 这 里只给出本模型的试验结果 根据能量方程有 Q t v t h t h0 t 1 2 4 353第15卷 第4期 李文兴等 岩溶管道水系统物理模拟 表2 巴纳片不同水位高程的蓄水面积及库容数据表 Tab 2 Storage area and storage capacity at different water level elevation Bana 水位 m 面积 万m2 库容 万m3 水位 m 面积 万m2 库容 万m3 水位 m 面积 万m2 库容 万m3 297055103022904853077703415 2982062103034508613088204185 29940821030458013903098605020 300751311530567020253108905900 301180255103067302700 表3 拉平片不同水位高程的蓄水面积及库容数据表 Tab 3 Storage area and storage capacity at different water level elevation L aping 水位 m 面积 万m2 库容 万m3 水位 m 面积 万m2 库容 万m3 水位 m 面积 万m2 库容 万m3 290081029716046810304266200510 29120251029818062510305267227010 29236541029920080010306286255110 293549510300218100810307294284110 2947515010301230124010308303313915 29510022615302245149010309310344610 29613533510303255174510310318376010 式中 Q t 为管道水流流量 m 3 s 为管道过水断面面积 m 2 v t 为管道水流流速 m s 为管道流量参数 即模型参数 m 5 2 s h t 为谷地水位标高 m h0 t 为地下河出口水位标高 m 对模型进行试验后 得到巴纳 拉平谷地的流量参数如下 11581 5 01577 当h t 295 0135355 当h t 295 6 参数 为岩溶管道系统的综合流量参数 在这里为了使叙述方便 将管道阻力参数的倒数叫流 量参数 反映了两谷地在不同的水位标高下 地下河对水流的作用 从模拟结果看 巴纳谷地 比拉平谷地的流量参数大 也即其阻力参数小 说明巴纳地下河比拉平地下河畅通 而从拉平 谷地的地下河流量参数看 在不同的水位标高下也是不同的 当水位高于等于295m时 流量 参数小 反之则流量参数大 它还反映了管道系统的分叉情况 3 3 模型水位及流量的测试 在模拟试验中 物理水箱水位的测量采用测压管和压力传感器加微机监测采集来实现 管 道流量的测量采用转子流量计和压差传感器加微机监测采集来完成 其中传感器加微机监测 采集是用来对模拟试验的结果进行收集并存盘保存 而测压管和转子流量计则用来校正取数 的准确性 另外 流量计还起到管道阻力元件的作用 在水箱不同的水位高程上 蓄水面积及 体积的变化 用计算机通过电磁阀来控制其水箱进水量来实现 微机自动控制采集如框图3所 示 453 中国岩溶 1996年 图3 物理模型水位及流量自动监控示意图 Fig 3 Sketch show ing the water level and discharge of physical model on automatic control 4 模型预报 根据模拟的目的 模型预报可分为改变模型 结构的预报和不改变模型结构的预报 4 1 改变模型结构的预报 在水坝设计及矿区开采设计时 往往需要在 现在模型的基础上 预测未来在系统结构发生变 化导致其流场的变化 或者在水坝建成及矿区开 采以后 要恢复原来的水流流场 都需要采用改变 模型结构的预报方法 对本物理模型采用改变模 型结构的模型预报 就是在目前的降雨状态下 假 设岩滩电站不蓄水 即地下河出口的水位标高不 是目前水位 而是水库蓄水前的177m 在模型预 报时 就要改变模型的结构 这样模拟出的两谷地 水位过程线见图4 图4 1993年巴纳片 拉平片水位模拟曲线图 Fig 4 Si mulated water level fluctuation at Bana and L aping in 1993 4 2 不改变模型结构的预报 如果要了解模型在不同的降雨量及降雨强度下 将会产生的水位效应及流量效应 就要采 用不改变模型结构的预报方法 具体做法为 保证在岩溶管道水系统水动力状态 即模型介质 和参数 没有发生变化的情况下 根据当地历史降雨系列 求出不同降雨量发生的频率 设计出 不同的降雨量 该降雨量即是模型的输入函数 对模型进行模拟 求解水位及流量等物理量 对 岩滩水电站库区板文地下河系 采用频率 P 分别为10 20 50 时段分别为1 3 7 15d 的降雨量 作为模型的输入函数 对模型进行预报 结果见表4 553第15卷 第4期 李文兴等 岩溶管道水系统物理模拟 表4 设计降雨量预报成果表 Tab 4 The parameter of si mulated result 时段 d 降雨巴 纳拉 平 降雨量 mm 频率 最高水位 m 淹没天数 d 最高水位 m 淹没天数 d 建坝后建坝前建坝后建坝前建坝后建坝前建坝后建坝前 1177170103021303021001172961962961702015 15316020301164301120852961432961201813 11614050300120299150202951512951201511 32811601030410930318021172981672981402921 2331502030313230310017132991772971502418 16018050301112300150532961042951801713 73911701030510830417029233001092991603828 3241402030319630316021162981902981503123 22518050301158301100752961052951801713 155131801030513130419030243001823001404231 4331402030411630318022172991582991103526 31516050301160301100752961062951801712 注 巴纳淹没天数和淹没面积是指水位高于300 m时的天数和谷地水面面积 拉平淹没天数和淹没面积是指水位高于 290m时的天数和谷地水面面积 5 模拟结果评价 关于物理模拟结果的准确性和精确性 从图4的实测曲线与模拟曲线可看出 对水位的拟 合效果较好 另外 从水位最高值 均值及拟合参数 表 5 也可以说明物理模拟的可信程度 表5 模拟结果统计参数表 Tab 5 Forecasted result of designed rainfall 水箱名称 最高水位 m 淹没面积 万m2 均值 m 均方差离差系数偏差系数 最大拟 合误差 均方拟 合误差 巴纳实测307138789100306118019306010030 11780 模拟307162801100306108112552010041 11011 1173015323 拉平实测300184228108299162116061010054 41065 模拟301133234195299131118300010061 11574 1141018874 6 结 论 物理模拟作为求解岩溶管道水运动的有效方法 在目前还没有其它更为有效的手段的条 件下 其应用前景是非常喜人的 从目前的情况看 它能解决如下几个问题 1 通过模拟试验 一般能很好的拟合水位过程线 从而得到地下河系统的综合参数 2 利用物理模拟本身的特点 对模型进行改变结构的预报 在岩滩模型中 将地下河出口 的水位降至建库以前的水位 求解谷地的水位过程线及其流量 3 对物理模型还可以进行不改变模型结构的预报 设计不同频率的降雨量 模拟在该降 653 中国岩溶 1996年 雨量条件下所产生的结果 4 物理模拟可从一些已知量求解其它未知量 还可以修改更正某些遗漏或没有记录的原 始资料 5 根据物理模拟结果 可分析出岩溶管道的内部结构 如是否存在明显的交叉管道等 在本文的完成过程中 广西电力工业勘察设计院及广西东兰县水电局提供大部分原始资 料 桂林旅游专科学校王刚工程师曾参加了野外工作 项式均研究员对野外工作给予帮助 在 模拟及资料分析过程中得到了崔光中教授的指导 在此一并表示谢意 主要参考