泥石流虹吸排水分流池自清淤能力分析

張文君，孫紅月，潘 攀，魏振磊

（1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州310058；2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310058）

充沛的水源、豐富的松散固體物質(zhì)、有利的流域形態(tài)和溝床縱坡是泥石流形成的基本條件，其中水動(dòng)力因素是泥石流爆發(fā)的必要條件［1］.目前我國(guó)對(duì)泥石流災(zāi)害的防治手段主要有攔擋工程、排導(dǎo)工程、護(hù)坡固底工程、生物工程等［2］.這些防治技術(shù)多為針對(duì)保護(hù)對(duì)象或泥石流松散物源.

消除洪峰水流，限制超強(qiáng)水動(dòng)力條件出現(xiàn)，可從根本上遏制泥石流的發(fā)生.但針對(duì)地表流水進(jìn)行攔截疏引而采取的防治方法在工程實(shí)踐中較少被采用，目前只在少數(shù)治理工程中應(yīng)用，如文家溝特大泥石流治理的引水隧洞分流工程［3-4］.

目前泥石流防治中的截排水技術(shù)，均采用重力流形式，雖然能起到一定的削弱水動(dòng)力條件的作用，但是排水效率低，更為嚴(yán)重的問題是泥石流溝洪水動(dòng)力條件的強(qiáng)烈變化及高泥石含量，常使截排水工程堵塞和失效.

針對(duì)泥石流治水方案中存在的弊端和不足，以及暴雨來(lái)臨時(shí)快速排水的需要，通過系統(tǒng)的調(diào)查研究，本文提出一種溝內(nèi)水石分離虹吸排水防治泥石流方法，即通過在泥石流形成區(qū)或流通區(qū)溝谷內(nèi)布設(shè)分流池進(jìn)行水石分離，利用虹吸排水管將池內(nèi)分離出的洪水快速排泄到下游安全區(qū)，以降低泥石流溝內(nèi)的水動(dòng)力條件.在此技術(shù)方案中，分流池的淤積問題成為虹吸分流系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的基礎(chǔ)，也是推廣應(yīng)用該方法的前提條件.

1 泥石流治理溝谷分流方法

水石分離和虹吸排水相結(jié)合技術(shù)方案的技術(shù)核心在于消除暴雨產(chǎn)生的洪峰水流，限制超強(qiáng)水動(dòng)力條件的出現(xiàn).典型的泥石流溝可劃分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū).將形成區(qū)或流通區(qū)內(nèi)匯聚的地表水引離溝谷內(nèi)主要物源區(qū)，避免流水沖刷深切沖溝溝底和岸坡，則可以避免流水沖刷導(dǎo)致溝道下切、岸坡滑塌進(jìn)而產(chǎn)生泥石流.

溝谷內(nèi)的泥沙石塊是否啟動(dòng)，取決于水流的流速和流量.針對(duì)泥石流固液兩相流體物性特征，在泥石流的形成區(qū)或流通區(qū)溝谷內(nèi)布設(shè)分流池，進(jìn)行水石分離（如圖1所示），在分流池接虹吸排水管，將泥石流溝內(nèi)分離出的洪水排泄到下游安全溝道內(nèi)，達(dá)到減小泥石流溝的水動(dòng)力條件的目的.

圖1 虹吸分流防治泥石流示意圖Fig.1 Sketch of siphon drainage method in debris flow

排水溝和分流池剖面關(guān)系如圖2所示.在強(qiáng)降雨條件下，當(dāng)池內(nèi)水位上升至虹吸管頂點(diǎn)時(shí)，引發(fā)虹吸作用，經(jīng)攔污格柵進(jìn)入虹吸分流池的泥沙顆粒隨虹吸作用產(chǎn)生的高速水流攜帶出分流池，由虹吸排水管直接排泄到堆積區(qū).在分流結(jié)構(gòu)中，如果攔污格柵孔隙過小，則容易堵塞失效，導(dǎo)致溝谷洪水無(wú)法順利進(jìn)入分流池；如果攔污格柵孔隙過大，進(jìn)入分流池的石塊無(wú)法虹吸帶走，則分流池就會(huì)被淤積.因此，為合理設(shè)計(jì)分流系統(tǒng)，需要虹吸分流池的水動(dòng)力學(xué)特征.

圖2 排水溝和分流池剖面示意圖Fig.2 Profile of drain and siphon drainage pool

2 虹吸分流池水動(dòng)力特征分析

2.1 計(jì)算模型

本文基于流體力學(xué)數(shù)值軟件FLUENT 模擬虹吸分流池在不同水頭差下，不同虹吸管管徑的虹吸抽排泥沙能力.虹吸分流池模型采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在滿足計(jì)算精度和效率的條件下采取半結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行模擬.計(jì)算模擬100、200、300mm 這3種不同虹吸排水管直徑分別在2、5、8、10m 水頭差下的工況.虹吸分流池模型尺寸如圖3所示，虹吸管頂點(diǎn)距底面1.2m，高出進(jìn)水面0.2m；虹吸管入口平面至池底的懸空高度均取0.1m.

2.2 控制方程及邊界條件

圖3 虹吸分流池水動(dòng)力特征計(jì)算模型圖Fig.3 Hydrodynamic characteristics computing model of siphon drainage pool

虹吸管壁、分流池壁的邊界條件按固壁函數(shù)處理，并通過修改壁面定律的粗糙度考慮池底面粗糙度的影響.壁面處為無(wú)滑移邊界，靠近池底面區(qū)域則采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理.進(jìn)口邊界設(shè)置為速度入口，速度大小依據(jù)分流池分流量所計(jì)算的斷面平均流速，為盡可能排除外界邊界條件對(duì)虹吸作用的影響，取較小的流速v＝0.1m／s.虹吸管出口處設(shè)為壓力出口，并根據(jù)不同水位差附加相應(yīng)的相對(duì)壓強(qiáng).排水溝及虹吸分流池上部與大氣接觸，設(shè)置為一個(gè)大氣壓的壓力入口.標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型考慮平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況，可以較好地處理虹吸作用下高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng).不可壓非定常流的張量形式控制方程如下［5-8］：

動(dòng)量方程：

湍動(dòng)能k方程：

耗散率ε方程：

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1）虹吸分流池內(nèi)流場(chǎng)速度分布

在一個(gè)虹吸周期內(nèi)，分流池內(nèi)的水流速度隨水頭差變化.當(dāng)虹吸剛啟動(dòng)時(shí)，速度達(dá)到最大，之后隨著虹吸周期結(jié)束而平穩(wěn)下降.不同管徑D 和水頭差H 下的分流池XZ 平面時(shí)均速度場(chǎng)基本相似.如圖4表示在D＝200mm，H＝5m 時(shí)的XZ 平面（y＝0）的速度場(chǎng)（靠近池底部分為重點(diǎn)研究范圍，故Z方向取0～0.5m）.虹吸作用下在豎直面上形成以-Z方向?yàn)橹鞯乃俣葓?chǎng)，在水平面上產(chǎn)生以虹吸管口為中心的向心速度場(chǎng)，其速度值在虹吸口附近最大并沿-X 和-Y 方向遞減.這樣的速度場(chǎng)有利于池底泥沙顆粒的起動(dòng)和抽排.

圖4 XZ 平面（y＝0mm）的速度流場(chǎng)圖Fig.4 Velocity fields in xz-plan（y＝0mm）

分流池內(nèi)的水流速度靠近虹吸管口時(shí)最大，隨著距虹吸管口的水平距離增大，速度值起先明顯減小并逐漸穩(wěn)定，見圖5.圖5（a）～（d）分別為D＝200 mm、H ＝2、5、8、10 m 時(shí)XZ 平面上橫坐標(biāo)位置0.2、0.4、0.6、0.8m 處的速度大小分布圖（圖中速度比例尺分別表示各自橫坐標(biāo)上各點(diǎn)的速度大小），由圖可知，分流池內(nèi)的水流速度靠近虹吸管口時(shí)最大，隨著距虹吸管口的水平距離增大，速度值起先明顯減小并逐漸穩(wěn)定.速度相比于虹吸作用在近似無(wú)限水域下的速度分布［9］，虹吸作用在具有一定斷面的分流池內(nèi)所形成的速度分布更有利于池內(nèi)泥沙顆粒的起動(dòng).

2）虹吸分流池底面切應(yīng)力分布

圖5 XZ 平面的時(shí)均流速豎向分布Fig.5 Vertical distribution of time-averaged velocity in XZ-plane

圖6 當(dāng)D＝200mm 時(shí)池底面切應(yīng)力分布（XY 平面）Fig.6 Bed shear stress（XY-plan，z＝0mm）of siphon pool under different water head

池底切應(yīng)力相比于速度因素更能衡量泥沙顆粒的起動(dòng)與沉積［10］.如圖6所示為虹吸管徑D＝200 mm 時(shí)不同高差H 下，分流池底（XY 平面，z＝0 mm）的切應(yīng)力分布.由圖可知，池底切應(yīng)力的分布規(guī)律表現(xiàn)為分流池四周向虹吸管口增大；隨著水頭差H 增大池底切應(yīng)力大小由四周的0.1～1.5Pa提高到虹吸管口中心處的9.2～45.4Pa；當(dāng)D＝100mm時(shí)，由0.07～0.30Pa提高到0.9～8.9Pa；當(dāng)D＝300mm 時(shí)，由0.3～2.7Pa提高到20.8～109.5 Pa.水頭差H 對(duì)池底切應(yīng)力大小分布影響較敏感即水頭差H 越大，池底切應(yīng)力越大，越有利于底面泥沙顆粒起動(dòng)及清除.

3 自清淤能力分析

3.1 虹吸分流池底泥沙顆粒起動(dòng)判據(jù)

虹吸分流池底泥沙顆粒的起動(dòng)本質(zhì)上是其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變——如果虹吸啟動(dòng)下的流場(chǎng)作用于池底的切應(yīng)力大于或等于泥沙顆粒的臨界起動(dòng)切應(yīng)力，則泥沙將被起動(dòng)或處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中.切應(yīng)力是判斷泥沙在外動(dòng)力作用下是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)的根本依據(jù)［11］.虹吸作用下的自清淤能力可以池底的切應(yīng)力表征［12-13］.綜合數(shù)值分析結(jié)果得到不同D 和H 下的虹吸管口處的最大切應(yīng)力見圖7，可知，在同一水頭下，隨著管徑D 的增大，切應(yīng)力相應(yīng)增大；在相同管徑下，底面切應(yīng)力τ隨水頭差H 增大而增大且呈一定線性關(guān)系（其中各直線的相關(guān)系數(shù)r2分別為0.98，0.98，0.99，截距均為0即當(dāng)水頭差H＝0時(shí)，切應(yīng)力為0，這與物理事實(shí)相符）.具體的函數(shù)關(guān)系式為：當(dāng)D＝100mm 時(shí)，τmax＝0.87 H 、當(dāng)D＝200 mm 時(shí)，τmax＝4.63 H 、當(dāng)D＝300 mm 時(shí)，τmax＝11.12 H，其中0.87、4.63、11.12單位為N／m3.

圖7 不同管徑D 下池底最大切應(yīng)力與H 關(guān)系圖Fig.7 Relationship betweenτmaxand Hfor different D

根據(jù)工程上常用的Shields參數(shù)與底面切應(yīng)力之間的關(guān)系，泥沙顆粒臨界起動(dòng)公式：

式中：τc為臨界起動(dòng)切應(yīng)力，γs和γ 分別為泥沙和水的重度，d 為泥沙粒徑.當(dāng)獲得τ和τc之后，即可根據(jù)兩者之間的大小關(guān)系對(duì)池底泥沙的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如管徑D＝100 mm 的虹吸管在水頭差H＝10m（虹吸管口距池底面的懸空高度h＝100 mm）下底面虹吸管口處能起動(dòng)的臨界泥沙顆粒粒徑dmax＝10.1mm.隨著虹吸管直徑、虹吸管進(jìn)出口水頭差的增大，則可起動(dòng)更大粒徑的泥沙顆粒.

3.2 虹吸管口所對(duì)池底面負(fù)壓分布

由于上述的工況均是在虹吸管口距池底面的懸空高度h＝100mm 條件下所模擬得到.為進(jìn)一步了解懸空高度h對(duì)虹吸分流池清淤能力的影響程度，模擬了同一虹吸管在懸空高度h＝1 D，h＝0.75 D，h＝0.5 D，h＝0.25 D 下的工況.如圖8所示表示當(dāng)管徑D＝200mm，水頭差H＝5m 時(shí)，不同懸空高度h下虹吸管口附近底面的負(fù)壓水頭R.

圖8 不同虹吸管口懸空高度h下底面負(fù)壓分布圖Fig.8 Negative pressure distribution on siphon pool bed with different distances（h）

由圖可知：虹吸管口越靠近底面，其所對(duì)底面的負(fù)壓水頭越大；在h＝50mm 時(shí)負(fù)壓水頭最大，隨著h增大至200mm 時(shí)，負(fù)壓水頭減小了94.5%；虹吸管口內(nèi)周圍的負(fù)壓水頭大于管中心的負(fù)壓水頭；由負(fù)壓水頭快速減小的速率表明，當(dāng)h 在25%虹吸管徑的范圍內(nèi)變化時(shí)，虹吸自清淤的效果最好，且h在25% 虹吸管徑時(shí)，其負(fù)壓水頭已經(jīng)具備很強(qiáng)的清淤能力.因此，在工程實(shí)踐中，可依據(jù)清淤顆粒的粒徑起動(dòng)要求選取適當(dāng)?shù)膽铱崭叨?

4 結(jié) 論

分流池的虹吸自清淤能力是水石分離虹吸排水治理泥石流方案的基礎(chǔ)條件之一，通過對(duì)虹吸分流池水動(dòng)力特性計(jì)算分析，得出以下結(jié)論.

（1）虹吸分流池在虹吸作用下，內(nèi)部的流場(chǎng)特征表現(xiàn)為：在豎直平面上產(chǎn)生以-Z 方向?yàn)橹鞯乃俣葓?chǎng)，在水平面上產(chǎn)生以虹吸管口為中心的向心速度場(chǎng)；分流池內(nèi)的水流速度在靠近虹吸管口時(shí)最大，隨著距虹吸管口的水平距離增大，速度值逐漸減小并逐漸趨于穩(wěn)定.

（2）虹吸分流池池底切應(yīng)力大小隨虹吸管徑和水頭差的增大而增大；在相同管徑下，底面切應(yīng)力隨水頭差H 呈線性增加，并據(jù)此擬合出兩者間的具體線性關(guān)系，為分流池的攔污格柵孔徑大小設(shè)置提供了計(jì)算依據(jù).

（3）虹吸管口所對(duì)應(yīng)池底面的負(fù)壓水頭，隨著虹吸管口至池底面距離h 的減小而增大，但當(dāng)虹吸口過于接近池底時(shí)，可能影響進(jìn)水的流暢性，且虹吸管口懸空高度h在25% 虹吸管徑時(shí)，其負(fù)壓水頭已經(jīng)具備很強(qiáng)的清淤能力，在工程實(shí)踐中，可依據(jù)清淤顆粒的粒徑起動(dòng)要求選取適當(dāng)?shù)膽铱崭叨?

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