深溝大跨度倒虹吸工程中的若干問題

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　1 概述

　　丘陵山區(qū)長距離輸水工程中，跨溝跨河的渡槽或倒虹吸工程是相當(dāng)多的。對于流量大、深溝大跨度的倒工吸工程，有些水力學(xué)問題很復(fù)雜，也不可忽視。引黃入晉工程中北干渠源子河1#倒虹吸工程就是一例。

　　該工程設(shè)計過水能力Q=16m3/s，管徑φ=2.6m，進(jìn)口前池與寬2.8m、高3.7m的門洞式涵洞相連接，出口經(jīng)消力池后接2.8m×3m的埋涵。倒虹吸全長330m，進(jìn)口軸線高程1125.31m，出口斷面軸線高程1124.133m，平管底高程1079.5m，底坡i=1/550.如圖1.倒虹吸采用預(yù)制鋼筋混凝土管，糙率取n=0.014.

　　圖1  源子河1#倒虹吸工程布置圖

　　由于該工程跨度大，且充水時最大水頭近50m，問題進(jìn)行了長度比尺為Ly=21.4的整體正態(tài)水工模型試驗。通過試驗對設(shè)計運行中的有關(guān)水力學(xué)問題進(jìn)行了研究與改進(jìn)。

　　2 進(jìn)口前池中的水力學(xué)問題

　　倒虹吸進(jìn)口要求水流穩(wěn)定，流速分布均勻，一般要設(shè)前池。對于大型工程更是必要的。

　　2.1 原方案及存在問題

　　由于前池擴散段底坡比較陡，i=0.533，涵洞出口流速比較大（v=2m/s），故在前池入口陡坡上水流發(fā)生與底板分離現(xiàn)象，表層流速大，底部流速小，且近底處為負(fù)流速，負(fù)值最大達(dá)0.66m/s.由于表層流速大，至倒虹吸進(jìn)口處，水流受胸墻阻擋，引起了前池水面波動及側(cè)向回流，流量越大、波動越大，當(dāng)流量Q=9~15m3/s時，波高達(dá)0.3m以上。兩側(cè)形成連通立軸漩渦，直徑約0.5m，前池流速分布如圖2（1）所示。

　　圖2  前池流速分布圖

　　由于前池中水流波動，流態(tài)不穩(wěn)定，引起倒虹吸及其出口消力池中水流也不穩(wěn)定。為此，進(jìn)行了修改及消波處理。

　　2.2 修改方案

　　為改善前池中流速分布，減少倒虹吸管進(jìn)氣及水面波動，將前池長度由6m增加至10m，池與管口底改為1：1斜坡。

　　試驗表明 ，前池底部負(fù)流速有所減少，但流速分布仍是主流在上部，水面波動及漩渦情況改善不大。

　　為調(diào)整流速分布，改善流態(tài)，在前池進(jìn)口擴散段近水面高度位置加二層整流板，迫使主流下移。如圖2（2）。修改后斷面流速垂線分布有了很大改善，主流下潛，消除了池底及胸墻處的負(fù)流速，水面波動明顯減小，在過設(shè)計流量時（Q=15m3/s），水面波高減小到0.1m以下，水面平穩(wěn)，漩渦消失，出口消力池中流態(tài)也得到了改善。

　　3 倒虹吸管中流態(tài)

　　3.1 恒定流運行時的流態(tài)

　　倒虹吸管在正常運行狀態(tài)時，管內(nèi)呈滿流承壓狀態(tài)，水平管承壓近500kPa.

　　但若采用某級流量充水，且維持該水流量運行時，在管內(nèi)某一部位出現(xiàn)殘留的氣囊或氣泡。如Q=4~5m3/s時，在水平管頂部殘留有細(xì)長氣囊；Q=7~8m3/s時，在豎管中殘留有大量的直徑約0.1m~0.03m的氣泡，上下飄移，難以排出，。這些氣泡或氣囊，主要是由于空管充水時殘留的氣體所形成，兩端壓力接近時不易排出。而當(dāng)增大或減小運行流量即打破其平衡時氣囊或氣泡即消失。因此，當(dāng)用某級流量充水后，應(yīng)改變流量，使氣泡排出倒虹吸管外再轉(zhuǎn)入正常運行流量。

　　3.2 空管充水時流態(tài)

　　3.2.1 當(dāng)大流量充水時

　　當(dāng)充水流量大于2/3設(shè)計流量時（Q＞9m3/s），水流經(jīng)上90度彎管進(jìn)入豎管后，漸成散開狀下跌，除散開的水股互相撞擊外也直接擊打管壁，豎管出現(xiàn)嚴(yán)重的振動現(xiàn)象。約50m高差的水流在下90度彎道底部匯集而成高速水流，貼管底部流動，流速達(dá)20m/s以上，直至平管末端，當(dāng)管末端充滿水后，滿管段逐漸自后向前推移，在滿管前部和高速水流相接處出現(xiàn)自下向上平穩(wěn)上升，上游豎管內(nèi)由于水股跌落摻進(jìn)大量空氣及充水過程中排出之空氣，形成了水氣混合體，這樣減小了實際過水?dāng)嗝?，減小了進(jìn)入豎管的流量，若前池?zé)o控制水位的溢流堰，則水位隨之升高，如若用11m3/s流量充管時，則可使涵洞變成壓力流。由于前池水位的升高及豎管中空氣的排出，逐漸增加了過水能力，當(dāng)?shù)购缥芰_(dá)到上游來水時，前池水位達(dá)到最高，之后隨著過水能力的增加而前池水位逐漸回落，直至恢復(fù)到正常穩(wěn)定過水狀態(tài)。

　　3.2.2 當(dāng)小流量充水時

　　當(dāng)充水流量小于1/3設(shè)計流量時（Q＜6m3/s），水流入豎管后分散較充分，對管壁沖刷力小，由于充水速度慢，管中空氣能隨充水過程而由進(jìn)口和排氣孔中排出。因而，前池基本不產(chǎn)生嚴(yán)重雍水現(xiàn)象，對涵洞安全也不必耽心。

　　3.2.3 當(dāng)中等流量水時

　　中等流量（Q=6~9m3/s）充水時，流態(tài)介于上述二者之間，對倒虹吸管道及前池安全不太有利，同時，在豎管氣水混合體，其氣泡難以排出。

　　以上可以看出，空管充水時，必須注意其充水流量的選擇，試驗證明，充水流量不宜過大，最好采用小于1/3設(shè)計流量為宜。為防止明流涵洞出現(xiàn)承壓流現(xiàn)象，在前池設(shè)限制水位的溢流堰是必要的。同時，為保證管道在正常運行時管內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，最好在充水完畢后，再改變一下流量以排出管內(nèi)殘留氣體。

　　4 倒虹吸管的水頭損失

　　倒虹吸管中的水頭損失對于工程的運行有著很大的影響，如設(shè)計時損失考慮過大，則會在運行時前池水位降低，影響其進(jìn)口流態(tài)，若考慮過小，則會在運行時前池水位抬高。通過整體模型試驗發(fā)現(xiàn)水平管的沿程水頭損失與設(shè)計考慮值比較接近。設(shè)計條件時，誤差僅3%，而局部損失則模型中實測值與按手冊給出的系數(shù)計算值有著較大的差別?，F(xiàn)將幾個主要部分的局部水頭損失與流量的關(guān)系繪于圖3.圖3中也給出經(jīng)驗系數(shù)計算值。

　　圖3   局部水頭與流量關(guān)系

　　由圖3看出：（1）模型實測值與經(jīng)驗系數(shù)值有一定差別，特別是進(jìn)口與出口判別較大，流量越小判別越大；（2）由水工設(shè)計手冊和給排水手冊所查得之90度彎頭損失系數(shù)判別也很大，給排水手冊所查值接近于模型實測值；（3）倒虹吸上彎頭損失與下彎頭損失值有一定差別。上彎頭損失大于下彎頭損失，說明二者流態(tài)有著一定的差別。

　　5 束語

　　（1）對于大跨度、大落差、大流量的倒虹吸管，其結(jié)構(gòu) 與流態(tài)都是十分復(fù)雜的，尤其是上游為直立豎管的情況更為復(fù)雜。因此，在有條件時，盡力避免采用，最好將上游管考慮一定坡度。

　?。?）空管充水方式及充水流量對倒虹吸管中流態(tài)十分重要，根據(jù)試驗，當(dāng)空管充水時，其充水流量不宜過大，最好控制在小于設(shè)計流量的1/3為宜。

　　（3）前池態(tài)對倒虹吸的正常運行有著重要影響。在本工程中，當(dāng)試驗提出加導(dǎo)流板改善池中流態(tài)及流速分布的措施，可供有關(guān)工程參考。

　?。?）各部位的水頭損失隨結(jié)構(gòu)及管中流態(tài)而有所不同，在選擇其經(jīng)驗系數(shù)時應(yīng)十分注意，重要工程最好通過模型試驗確定為好。

　　（5）鑒于大型倒虹工程的地形地質(zhì)條件及水力學(xué)條件的復(fù)雜性，其工程結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計都有其本身的特點。為保證工程做到經(jīng)濟(jì)合理可靠的目的，最好能通過水工模型試驗加以論證及優(yōu)化。