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大型渠道倒虹吸设计探讨
杨国旗石自堂
(长江水利委员会规划处武汉市430010)(武汉水利电力大学)
摘要针对大型渠道倒虹吸流量大水头紧等特点~根据实际情况分别对进出水口渐变段进行了优化设计~以
减少其水头损失。同时对进水口前池、底部高程、闸墩、胸墙、控制水闸的布置以及管身形式提出了合理的设
计意见(
关键词渠道倒虹吸水闸
倒虹吸是经过山谷、河流、洼地、道路或题进行探讨(
其他渠道的压力输水管道,是一种渠道交叉建西赵河渠道倒虹吸为一级建筑物,由进口
筑物。由于倒虹吸具有工程量少、施工方便节连接段、管身段、出口连接段三部分组成,管
省动力及三材、造价低等特点,×(河道百年
3利建设中得到了广泛的应用。小型倒虹吸各地一遇洪峰流量为1870m,s,倒虹吸管设计
3应用较多,设计、施工都较为成熟,问题不大。流量为750m,S,,
下面结合南水北调中线西赵河渠道倒虹吸工程水头紧等特点(其纵剖面布置示意图见图1。
设计实施,对大型渠道倒虹吸设计中的几个问
倒虹吸总水头损失计算公式如下:
22h,z,v/(2g)-v/(2g)+h+hw121渐2渐
式中h——倒虹吸总水头损失(m)w
z——倒虹吸管道进出口水头差(m)
v——倒虹吸上游渠道的水流平均流速(m/s)1
v——倒虹吸下游渠道的水流平均流速(m/s)2
h——上游渐变段水头损失(m)1渐
h——下游渐变段水头损失(m)2渐
l进出口渐变段的设计
对于按照渠系规划给出了一定水头的倒虹吸工程而言,渐变段消耗水头越多,管身允许消耗的水头将越少,这将使管身断面加大,增加建筑物投资,因此必须对进出口渐变段进行优化设计(为此,对西赵河渠道倒虹吸作了模型试验,以寻求使水流能平稳过渡,又使水头损失较小的连接段形式(
渐变段长度不宜过长,当渐变段长度达到一定值,L=2(B-B)B、B分别为渐变段始末端1212
断面的水面宽,时,再增加渐变段长度已对减少水头损失效果不大。
同时,渐变段底坡不宜过大(从试验中发现,渐变段在铅直方向的变化所造成的水头损失超过在水平方向变化所造成的水头损失,底坡越大水头损失越大(例如(当进口底坡分别为i
3,,,流量Q=630m,s,其他边界条件完全一样时,(所以当渐变段进出口底部高程相差较大时,宜适当增加渐变段长度,这样可减少渐变段底坡,从而减小水头损失(
经过方案比较,西赵河渠道倒虹吸进出口渐变段选用直线扭曲面,该形式具有水头损失小,工程量小,便于施工放样等特点(进出口渐变段底坡均布置为平坡,进口渐变段长60m,出口渐变段长75m。
2倒虹吸进水口前池及底部高程
前池指倒虹吸管与渠道连接的过渡段,通常认为前池宽度与深度的变化对倒虹吸的影响不大(但在模型试验中发现,对不同宽度与深度的前池,其水头损失相差较大。因为前池宽度较大,特别是当前池宽度大于倒虹吸管总过水宽度时,渠道水流进入前池后,水流产生大范围的回流,有时还出现吸气漩涡,造成较大的水头损失(例如:西赵河渠道倒虹吸将进口渐变段变
3为前池,流量Q=630m/s,其他边界条件完全一样时,(
倒虹吸进口还须满足小流量淹深的要求,因此进口底部高程需进行适当的降低(
由于南水北调中线总干渠为常年引水,渠道水深基本保持在渠道设计水位,同时为减少水头损失,西赵河倒虹吸进口不设前池,进口底部高程不降低(
3闸墩及胸墙设计
墩头形状对水头损失有一定的影响(流线形墩头在闸门全开时水头损失比半圆形墩头要略小,但闸门不全部开启时,流线形墩头对进水口水流影响较半圆形墩头要大水头,损失显著增
3加。例如:当流量Q,135m/s,只开两侧两扇闸门,其他边界条件完全一样时,(西赵河渠道倒虹吸选用半圆形墩头。该形式水头损失不大,受闸门开启影响小,水流较为平稳。
胸墙的布置位置及形式对水头损失有一定的影响(胸墙布置与孔口齐平[见图2(a),比胸墙
3布置靠后,见图2(b),水头损失要小。例如:西赵河渠道倒虹吸流量Q=630m/s,其他边界
条件完全一样时,(直立式胸墙,图2(c),比向后倾斜布置的胸墙,见图2(d),水头损失要小(其原因主要是水流受到胸墙的阻挡,易形成倒转流层而导致漩涡的产生,增加水头损失(西赵河渠道倒虹吸胸墙布置为直立式胸墙,位置与倒虹管孔口齐平。
4控制水闸布置
倒虹吸进出水口均布置有水闸,控制水闸可以布置在管身上游也可布置在管身下游。经过试验比较发现:控制闸门布置在上游,进水口水流不平稳,管内掺气,管内发生水跃;而布置在管道出口,既便于工程管理,又避免了上述不良水流流态,并可保证上游渠道正常水深。设计中控制水闸布置在管道出口。
5管身形式
管身有圆管、方管等形式(由于圆管施工较复杂,不宜现浇制模,同时会增加管座的工程量,故采用矩形孔口多孔一联的形式(该形式施工较方便,亦不需对地基进行特殊处理。6管身检修
大型渠道倒虹吸管身检修比一般倒虹吸要复杂(因为大型渠道倒虹吸上部荷载大,单孔检修将导致较大的不均匀沉降。因此,西赵河渠道倒虹吸采用三孔一联同时检修的方法进行。检修期为枯水期(
7涌波及掺气
渠道水流进入倒虹吸管,从无压流变为有压流,渠道水流受到包括胸墙、闸墙及上游渐变段在内的边界条件的影响,靠表层的水流受到了阻挡或干扰,便产生了水面波动。如果渠道水流属于缓流,那么水面波动将向上游传播,形成涌波。模型试验发现:小流量时,不出现
33涌波;当流量超过500m/s时,上游渠道出现涌波,涌波高度为59cm;当流量达630m/s时,涌波高度为72cm。
倒虹吸管的掺气是指进水口的水流受到闸墩、闸槽及其他边界条件的影响,水面出现强烈扰动,而出现浪花、气泡回流以及不平顺的水流流态所产生的漩涡吸气,使空气随水流带入倒虹吸管内,形成管道水流掺气(从西赵河渠道倒虹吸模型试验可以发现:当管道全开时,管内
一般不掺气,但当管道不全开时,就会产生掺气。
由于总干渠为全衬砌渠道,不存在渠道边坡淘刷的问题,只须保证在最高水位时,涌波不超过渠顶高程即可。
防止或减少掺气的措施有:?控制闸门布置在倒虹吸出口;?设计合理的进水口,使进水口处的水流平顺,限制进水口处流速,进水口边界尽可能采用流线形;?采取正确的管理方式。控制闸门开启,要力求均匀不能为操作
简单而在小流量时只开启部分闸门。只有将闸门全部均匀开启才能保证进口段水流平顺及减少进口处的水流流速,避免水流方向与倒虹吸管不平行而斜向入流,从而防止闸前绕流、回流及吸气漩涡。
,涌波不超过渠顶(同时为了防西赵河渠道倒虹吸上游总干渠堤顶高程为校核水位加15m
止或减少掺气,控制闸门布置在倒虹吸出口处,倒虹吸进口渐变段及其他边界均力求平顺(工程管理上,总干渠水位基本保证在正常水位下运用,控制闸门对称均匀开启。8其他
大型渠道倒虹吸水力计算按逐段列出能量方程的方法推求水面线,但必须考虑闸墩的阻水作用。结构设计一般按弹性地基梁上的框架结构计算。
总之,大型渠道倒虹吸的设计比一般倒虹吸设计更复杂,必须全面考虑,统筹兼顾,合理优化,才能设计出既经济、安全又能满足功能的倒虹吸。
深沟大跨度倒虹吸工程中的若干问题
候佩瑾傅敬娥
(山西省水利科学研究所)
摘要流量大、深沟大跨度的倒虹吸工程在丘陵山区长距离输水工程中经常出现。此类工
#程水力学问题很复杂~不可忽视。本文主要反映引黄工程中北干渠源子河1倒虹吸水力学试验中出现的一些主要问题以及处理措施。其中,1,倒虹吸口前池的水流波动及稳定措施,,2,倒虹吸空管时不同充水流量的流态及其安全措施,,3,倒虹吸管的水头损失。
关键词倒虹吸工程水力学问题水工模型试验
1概述
丘陵山区长距离输水工程中,跨沟跨河的渡槽或倒虹吸工程是相当多的。对于流量大、深沟大跨度的倒工吸工程,有些水力学问题很复杂,也不可忽视。引黄入晋工程中北干渠源子河#1倒虹吸工程就是一例。
3该工程设计过水能力Q=16m/s,管径υ=,、,×3m的埋涵。倒虹吸全长330m,,,,底坡i=1/550。如图1。倒虹吸采用预制钢筋混凝土管,糙率取n=。
#图1源子河1倒虹吸工程布置图
由于该工程跨度大,且充水时最大水头近50m,问题进行了长度比尺为L=。通过试验对设计运行中的有关水力学问题进行了研究与改进。2进口前池中的水力学问题
倒虹吸进口要求水流稳定,流速分布均匀,一般要设前池。对于大型工程更是必要的。
由于前池扩散段底坡比较陡,i=,涵洞出口流速比较大(v=2m/s),故在前池入口陡坡上水流发生与底板分离现象,表层流速大,底部流速小,且近底处为负流速,。由于表层流速大,至倒虹吸进口处,水流受胸墙阻挡,引起了前池水面波动及侧向回
3流,流量越大、波动越大,当流量Q=9~15m/s时,。两侧形成连通立轴漩涡,,前池流速分布如图2(1)所示。
图2前池流速分布图
由于前池中水流波动,流态不稳定,引起倒虹吸及其出口消力池中水流也不稳定。为此,进行了修改及消波处理。
为改善前池中流速分布,减少倒虹吸管进气及水面波动,将前池长度由6m增加至10m,池与管口底改为1:1斜坡。
试验表明,前池底部负流速有所减少,但流速分布仍是主流在上部,水面波动及漩涡情况改善不大。
为调整流速分布,改善流态,在前池进口扩散段近水面高度位置加二层整流板,迫使主流下移。如图2(2)。修改后断面流速垂线分布有了很大改善,主流下潜,消除了池底及胸墙处
3的负流速,水面波动明显减小,在过设计流量时(Q=15m/s),,水面平稳,漩涡消失,出口消力池中流态也得到了改善。
3倒虹吸管中流态
倒虹吸管在正常运行状态时,管内呈满流承压状态,水平管承压近500kPa。
但若采用某级流量充水,且维持该水流量运行时,在管内某一部位出现残留的气囊或气泡。
33如Q=4~5m/s时,在水平管顶部残留有细长气囊;Q=7~8m/s时,~,上下飘移,难以排出,。这些气泡或气囊,主要是由于空管充水时残留的气体所形成,两端压力接近时不易排出。而当增大或减小运行流量即打破其平衡时气囊或气泡即消失。因此,当用某级流量充水后,应改变流量,使气泡排出倒虹吸管外再转入正常运行流量。
3当充水流量大于2/3设计流量时(Q,9m/s),水流经上90度弯管进入竖管后,渐成散开状下跌,除散开的水股互相撞击外也直接击打管壁,竖管出现严重的振动现象。约50m高差的水流在下90度弯道底部汇集而成高速水流,贴管底部流动,流速达20m/s以上,直至平管末端,当管末端充满水后,满管段逐渐自后向前推移,在满管前部和高速水流相接处出现自下向上平稳上升,上游竖管内由于水股跌落掺进大量空气及充水过程中排出之空气,形成了水气混合体,这样减小了实际过水断面,减小了进入竖管的流量,若前池无控制水位的溢流堰,则水位随之
3升高,如若用11m/s流量充管时,则可使涵洞变成压力流。由于前池水位的升高及竖管中空气的排出,逐渐增加了过水能力,当倒虹吸水能力达到上游来水时,前池水位达到最高,之后随着过水能力的增加而前池水位逐渐回落,直至恢复到正常稳定过水状态。
3当充水流量小于1/3设计流量时(Q,6m/s),水流入竖管后分散较充分,对管壁冲刷力小,由于充水速度慢,管中空气能随充水过程而由进口和排气孔中排出。因而,前池基本不产生严重雍水现象,对涵洞安全也不必耽心。
3中等流量(Q=6~9m/s)充水时,流态介于上述二者之间,对倒虹吸管道及前池安全不太有利,同时,在竖管气水混合体,其气泡难以排出。
以上可以看出,空管充水时,必须注意其充水流量的选择,试验证明,充水流量不宜过大,最好采用小于1/3设计流量为宜。为防止明流涵洞出现承压流现象,在前池设限制水位的溢流堰是必要的。同时,为保证管道在正常运行时管内流态稳定,最好在充水完毕后,再改变一下流量以排出管内残留气体。
4倒虹吸管的水头损失
倒虹吸管中的水头损失对于工程的运行有着很大的影响,如设计时损失考虑过大,则会在运行时前池水位降低,影响其进口流态,若考虑过小,则会在运行时前池水位抬高。通过整体模型试验发现水平管的沿程水头损失与设计考虑值比较接近。设计条件时,误差仅3%,而局部损失则模型中实测值与按手册给出的系数计算值有着较大的差别。现将几个主要部分的局部水头损失与流量的关系绘于图3。图3中也给出经验系数计算值。