倒虹吸進(jìn)水口過渡段內(nèi)流速橫向分布試驗(yàn)研究

齊 銳，王志國，2，田鵬偉，段海浪，耿慶彬

（1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038；3.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 河北分局邯鄲管理處，河北 邯鄲 056006）

1 工程背景

近年來國內(nèi)大型輸水工程的建設(shè)加快了中大型倒虹吸的發(fā)展應(yīng)用，促進(jìn)了相關(guān)學(xué)者對(duì)倒虹吸安全運(yùn)行與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，如李松平等［1］對(duì)小莊溝排水倒虹吸工程進(jìn)行1∶25水工模型試驗(yàn)研究，分析了其過流能力、進(jìn)出口布置合理性以及管內(nèi)淤積情況等，提出了保證工程正常運(yùn)行的優(yōu)化方案；黃明海等［2］針對(duì)排水倒虹吸進(jìn)口段有2條河溝匯入的情況，采用二維淺水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型提出了雙河溝匯入的進(jìn)口布置型式的推薦方案；宋天文等［3］針對(duì)高水頭、長路線倒虹吸管小流量控制問題，經(jīng)過水工模型試驗(yàn)研究提出了在倒虹吸出水口設(shè)置閘門以及閘門后設(shè)置突擴(kuò)體以保證工程安全運(yùn)行的方案。然而，在倒虹吸進(jìn)水口前端來水流量較小時(shí)容易出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，引起進(jìn)水口過渡段內(nèi)水面波動(dòng)與水流紊動(dòng)加劇，不利于倒虹吸管道運(yùn)行。目前針對(duì)因倒虹吸進(jìn)水口前端來水流量不同而引起的過渡段內(nèi)水流流速分布不均勻以及對(duì)倒虹吸管道過流能力產(chǎn)生的影響等研究尚不充分。

本文選取西小屯溝排水倒虹吸作為參照，該倒虹吸是穿越南水北調(diào)中線總干渠的左岸排水建筑物之一，總干渠與西小屯溝交叉處上游流域面積2.46 km2，左岸排水建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇洪水，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。根據(jù)總干渠可行性研究階段已確定的工程等級(jí)和建筑物級(jí)別，西小屯溝排水倒虹吸的主要部位如管身按Ⅰ級(jí)建筑物標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，次要部位如進(jìn)出口擋土墻、進(jìn)出口翼墻、進(jìn)出口導(dǎo)墻等按Ⅲ級(jí)建筑物標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選取小流量Q=3 L／s和大流量Q=7 L／s作為試驗(yàn)工況，通過改變上游來水流量，實(shí)測(cè)過渡段內(nèi)布置的測(cè)量斷面的垂向流速，明晰過渡段內(nèi)各斷面水流的橫向分布特征，探究因來水流量不同而引起的對(duì)倒虹吸過流能力的影響。

2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)采取1∶30正態(tài)比尺建立倒虹吸模型，模型平面布置見圖1。倒虹吸進(jìn)水口前端的倒梯形明渠長2.30 m、底寬0.40 m、頂寬0.80 m；過渡段長0.32 m；連接河道與過渡段的斜坡段縱坡為0.17，水平投影長度為0.65 m，倒梯形明渠與斜坡段均用混凝土制成且按照要求對(duì)糙率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；倒虹吸管身段長3.50 m，倒虹吸管為0.10 m×0.10 m的方形雙孔，采用無色透明有機(jī)玻璃制作；倒虹吸出水口接排水渠。

圖1 倒虹吸模型平面布置

采用UVP設(shè)備測(cè)量流速，采樣頻率為單探頭8 MHz；采用三角堰控制來水流量，倒梯形明渠前端設(shè)有穩(wěn)水裝置；倒虹吸出水口設(shè)有尾門以控制下游水深，根據(jù)各測(cè)量斷面實(shí)際水深不同適當(dāng)改變水深參數(shù)；采用水位測(cè)針測(cè)量沿程水位。倒虹吸進(jìn)水口過渡段測(cè)量斷面布置見圖2，其中1∶2為邊坡坡比，1∶5.92為斜坡坡比。過渡段內(nèi)共布置10個(gè)測(cè)量斷面（CS01～CS10），各斷面均處于弧形收縮段且等間隔分布，依據(jù)各斷面寬度適當(dāng)調(diào)整斷面測(cè)點(diǎn)位置，采用UVP信號(hào)采集端按照斷面實(shí)際水深設(shè)定垂向上測(cè)點(diǎn)間隔，自渠底1 cm開始采集直至水面，各斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)量在400個(gè)左右。為保證不同來水流量下倒虹吸處于滿管狀態(tài)，倒虹吸進(jìn)水口位置處CS10斷面的淹沒水深接近0 m。為方便后續(xù)表述，定義空間直角坐標(biāo)系：斜坡段與過渡段平坡的交界線中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O；沿水流方向?yàn)閤軸正方向；垂直于渠道底部向上為y軸正方向；垂直于水流方向向右為z軸正方向。

圖2 倒虹吸進(jìn)水口過渡段測(cè)量斷面布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 過渡段內(nèi)水流流態(tài)分析

圖3為不同來水流量下過渡段內(nèi)的水流流態(tài)，可以看出，不同來水流量下進(jìn)水口前端水流出現(xiàn)不同程度的翻滾現(xiàn)象并伴有大量氣泡產(chǎn)生，這是水流由急流過渡到緩流所發(fā)生的水躍引起的［4］，其直接改變了過渡段內(nèi)水流流態(tài)。隨著來水流量增大，水流向斜坡面移動(dòng)，水躍引起水流的擾動(dòng)程度以及翻滾現(xiàn)象均有所改善。

圖3 不同來水流量下過渡段內(nèi)水流流態(tài)

3.2 過渡段內(nèi)水面橫向變化

2種來水流量下過渡段內(nèi)各斷面的水面橫向變化見圖4，其中z=0 cm代表渠道中線，z=10 cm代表渠道左邊壁，z=-10 cm代表渠道右邊壁，可以看出，2種來水流量下大多數(shù)斷面的水面橫向變化表現(xiàn)為右邊壁水面高于左邊壁水面。Q=3 L／s時(shí)，多數(shù)斷面的水面線沿橫向變化較大，表明過渡段內(nèi)整體水面波動(dòng)幅度較大，特別是CS03—CS06斷面處存在明顯的水流擾動(dòng)現(xiàn)象且水面線呈非對(duì)稱分布，CS07—CS10斷面處水面波動(dòng)幅度逐漸減小且水面線逐漸恢復(fù)對(duì)稱分布。各斷面水流特征分布不同的原因?yàn)樗餮匦逼露瘟鲃?dòng)時(shí)勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，水流動(dòng)能增加使得經(jīng)過收縮斷面的躍后水流能量耗散。Q=7 L／s時(shí)，所有斷面的水面線沿橫向變化相對(duì)較小，表明過渡段內(nèi)整體水面波動(dòng)較為平緩，水流擾動(dòng)強(qiáng)度有所減弱，水面線的非對(duì)稱分布現(xiàn)象也有所改善。原因是在斜坡段坡度不變的條件下，隨著上游來水流量的增大，過渡段內(nèi)水流會(huì)淹沒一定長度的斜坡段，臨界水躍向淹沒水躍轉(zhuǎn)化，倒虹吸進(jìn)水口前端水躍現(xiàn)象有所減緩，流經(jīng)斜坡段的水流動(dòng)能增加量減小，使過渡段內(nèi)水流紊動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱。

圖4 不同來水流量下過渡段內(nèi)水面橫向變化

3.3 過渡段內(nèi)水面沿程變化

分別在z=0 cm、z=±4 cm、z=±8 cm位置處測(cè)量過渡段內(nèi)水深以直觀體現(xiàn)過渡段內(nèi)水面沿程變化，見圖5，其中x=-60～0 cm對(duì)應(yīng)斜坡段，x=0～30 cm對(duì)應(yīng)過渡段?？梢钥闯?，在斜坡段水面線急劇下跌，經(jīng)過x=0 cm位置后水面線先升高再下跌，表明不同來水流量下斜坡段和過渡段的銜接處有明顯的水躍現(xiàn)象［5］。在x=8 cm處，相較于Q=3 L／s，Q=7 L／s時(shí)水面線最高點(diǎn)位置降低，表明在較大流量下水躍高度有所下降，同時(shí)來水流量增大時(shí)水面線最低點(diǎn)位置即水躍收縮斷面位置沿x負(fù)半軸出現(xiàn)一定偏移，同樣表明臨界水躍向淹沒水躍轉(zhuǎn)化，使過渡段內(nèi)的水流紊動(dòng)現(xiàn)象有所改善。此外，當(dāng)Q=3 L／s時(shí)，在x=0～15 cm范圍內(nèi)，z=4 cm和z=8 cm位置處水面線急劇下跌；當(dāng)Q=7 L／s時(shí)，在x=0～8 cm范圍內(nèi)，z=8 cm位置處水面線也急劇下跌，原因是在靠近渠道左邊壁處縱向水流坡度和橫向水流坡度的共同作用使水流局部范圍內(nèi)出現(xiàn)一定程度的立軸旋渦。

圖5 不同來水流量下過渡段內(nèi)水面沿程變化

綜合分析不同來水流量下過渡段內(nèi)水面橫向變化和沿程變化情況，可知過渡段較短時(shí)不足以使強(qiáng)烈的水流紊動(dòng)現(xiàn)象得以緩沖，在倒虹吸進(jìn)水口處仍有明顯的水流紊動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)造成大量摻氣水流進(jìn)入倒虹吸管道內(nèi)，減小了倒虹吸管道的有效過水?dāng)嗝婷娣e，無法滿足倒虹吸的過流設(shè)計(jì)要求。此外，在較大來水流量下水躍收縮斷面位置向x負(fù)半軸偏移，能夠有效改善過渡段內(nèi)水流的紊動(dòng)現(xiàn)象，說明水躍收縮斷面位置的相對(duì)移動(dòng)起到了一定有利作用。此外，斜坡段坡比的減小能夠?qū)崿F(xiàn)水躍收縮斷面進(jìn)一步向坡面移動(dòng)，對(duì)過渡段內(nèi)水流的紊動(dòng)現(xiàn)象有更好的削弱效果。因此，可推斷出連接原河道和倒虹吸進(jìn)水口過渡段的斜坡段應(yīng)平緩且長度較長，以避免過渡段內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)的水流紊動(dòng)現(xiàn)象，從而提高倒虹吸的輸水效率。

3.4 過渡段內(nèi)垂向流速沿?cái)嗝娴臋M向變化

2種來水流量下過渡段內(nèi)垂向流速沿?cái)嗝娴臋M向變化見圖6、圖7，其中CS01—CS07斷面處于過渡段弧形收縮段即曲線曲率較小處，CS08—CS10斷面處于過渡段平順段即曲線曲率較大處，可以看出，不同流量下各斷面靠近邊壁流速大于中線附近流速，且各斷面流速沿?cái)嗝鏅M向呈非對(duì)稱分布，具體表現(xiàn)為靠近右邊壁的流速稍大于靠近左邊壁的流速。Q=3 L／s時(shí)，將CS01斷面作為過渡段弧形收縮段的代表斷面，流速在斷面橫向上的分布跨度較大，這是由于水流經(jīng)過突然收縮斷面時(shí)流速加大會(huì)形成二次流現(xiàn)象，導(dǎo)致垂向上最大流速出現(xiàn)在水面以下［6］；將CS09斷面作為平順段的代表斷面，該斷面上流速分布趨于均勻，二次流現(xiàn)象消失，垂向上最大流速位置由水面以下逐漸移動(dòng)至水面。在Q=7 L／s時(shí)，仍將CS01斷面作為過渡段弧形收縮段的代表斷面，來水流量增大后，水躍發(fā)生點(diǎn)向斜坡段移動(dòng)，流速呈非對(duì)稱分布，同時(shí)受較大來水流量時(shí)過渡段內(nèi)水深增加的影響，弧形收縮段長度相對(duì)減小，二次流作用得以迅速減弱；同樣CS09斷面上除個(gè)別位置流速較大外，大部分位置的流速分布比較均勻。

圖6 Q=3 L／s時(shí)垂向流速沿?cái)嗝娴臋M向變化

圖7 Q=7 L／s時(shí)垂向流速沿?cái)嗝娴臋M向變化

上述結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了倒虹吸過渡段內(nèi)的邊壁結(jié)構(gòu)對(duì)水流的流速分布影響較大，靠近渠道邊壁的水流紊動(dòng)強(qiáng)度大于渠道中線附近的水流紊動(dòng)強(qiáng)度。此外，過渡段內(nèi)垂向流速的非對(duì)稱分布使得在倒虹吸進(jìn)水口CS10斷面處形成大量的摻氣水體，不僅減弱倒虹吸管道的過流能力，而且造成倒虹吸雙孔管道動(dòng)水壓力失衡，破壞倒虹吸管道的輸水平衡，因此在類似倒虹吸設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)倒虹吸上游斜坡段的縱坡合理取值。

4 結(jié)論與建議

2種來水流量下過渡段內(nèi)水面線沿?cái)嗝鏅M向呈現(xiàn)出左低右高的波動(dòng)規(guī)律，且在斜坡段縱坡不變的條件下，隨著上游來水流量增大，水躍現(xiàn)象有所減緩，過渡段內(nèi)水流紊動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱。此外，過渡段內(nèi)靠近渠道邊壁的流速大于渠道中線附近的流速，過渡段內(nèi)垂向流速分布隨弧形收縮段的曲率減小而趨于均勻。

對(duì)于類似倒虹吸工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，可以考慮布置較小縱坡的斜坡段、增加過渡段長度或通過流量調(diào)度加大過渡段內(nèi)水深以緩沖上游來水對(duì)過渡段內(nèi)水流的強(qiáng)烈沖擊，使得在距離倒虹吸進(jìn)水口前一定范圍內(nèi)過渡段內(nèi)斷面流速分布均勻，有效避免水流強(qiáng)紊動(dòng)造成的倒虹吸過流能力減小的現(xiàn)象。