流量和含沙量對(duì)渠道倒虹吸管內(nèi)泥沙淤積影響的試驗(yàn)研究

馬 靜

（朝陽(yáng)縣凌河保護(hù)區(qū)管理局 遼寧省朝陽(yáng)市朝陽(yáng)縣122629）

1 引言

調(diào)水是解決水資源時(shí)空分布不均的有效途徑，可以充分發(fā)揮有限水資源的作用和價(jià)值。在實(shí)際的調(diào)水應(yīng)用過(guò)程中，輸水渠道往往需要擺脫一些河道、交通設(shè)施等因素的阻礙。為了解決這一問(wèn)題，就需要采用水工建筑物組合運(yùn)用的方式予以解決，實(shí)現(xiàn)調(diào)水的目標(biāo)。其中，倒虹吸是長(zhǎng)距離輸水過(guò)程中穿越溝壑、河道、道路等障礙物的常用手段。作為一種壓力輸水建筑物，倒虹吸的優(yōu)勢(shì)在于工程期短，施工進(jìn)行方便，其劣勢(shì)在于管內(nèi)壓力水頭損失較大，后期的清淤、維修和管理都不方便[1]。在高含沙輸水渠道中，倒虹吸的淤積問(wèn)題十分明顯。針對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)界進(jìn)行了廣泛而深入的研究。王劍楠通過(guò)對(duì)某倒虹吸工程河工模型試驗(yàn)研究，分析了倒虹吸工程的可行性及工程下游泥沙的沖淤變化，需采取必要的防淤防沖措施[2]。劉亞輝等人分析了豎井式倒虹吸的輸沙特性，表明水平管是限制輸沙能力的關(guān)鍵斷面[3]。劉金勝通過(guò)研究指出倒虹吸洞內(nèi)的淤積量的多少，與上游下墊面、氣候條件有關(guān)[4]?？傮w來(lái)看，目前對(duì)于倒虹吸研究，工程修建前采用物理模型進(jìn)行研究居多，對(duì)于工程修建后大多采用數(shù)值模擬進(jìn)行研究，而物理模型使用較少。同時(shí)，針對(duì)流量和含沙量對(duì)渠道倒虹吸管內(nèi)泥沙淤積影響的研究不多。基于此，利用模型試驗(yàn)方式探討流量和含沙量對(duì)倒虹吸管內(nèi)泥沙淤積影響的研究，可以為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行管理提供必要的支持和借鑒。

1 工程背景

建平縣白山灌區(qū)渠系改造穿越小葉線倒虹吸工程位于白山鄉(xiāng)境內(nèi)，主要由進(jìn)口段、閘室段、凍深段、出口段等四部分組成。工程等級(jí)為Ⅳ等，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。在工程設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中按照設(shè)計(jì)流量進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照加大流量進(jìn)行校核。本交叉建筑物按照20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。倒虹吸管總長(zhǎng)84m，管身為雙孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)，單孔尺寸為1.8m×1.8m。倒虹吸工程的設(shè)計(jì)流量為2.08m3/s；加大流量為2.73m3/s；進(jìn)口水位為285.46m，出口水位為285.36m。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型的設(shè)計(jì)和制作

虹吸管屬于有眼管流，其主要作用力為重力和粘滯力[5]。因此，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該按照重力相似準(zhǔn)則和粘滯力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。受到場(chǎng)地和材料等因素的影響，模型的幾何比尺為1:40，這就需要液體粘滯系數(shù)為水的1/253，顯然不可能實(shí)現(xiàn)[6]。根據(jù)相關(guān)研究成果，管內(nèi)液體的流態(tài)為紊流阻力平方區(qū)時(shí)，阻力相似并不需要雷諾數(shù)相同，也就是不需要考慮粘滯力相似，因此僅考慮重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)即可[7]。基于此，模型在1:40的幾何比尺基礎(chǔ)上，確定流量比尺為10 119.29；流速比尺為6.32；時(shí)間比尺為6.32；糙率比尺為1.85。

模型由上游水箱、管路和下游水箱組成。倒虹吸管道采用有機(jī)玻璃制作，以保證和原型管道糙率的相似性。模型的其余部位通過(guò)水平和垂直比尺確定大小，然后利用磚塊壘墻，模板刮平，水泥砂漿抹面。為了保證上下游水箱中水位的恒定，在水箱中設(shè)置一道活動(dòng)溢流堰，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的快速調(diào)節(jié)。試驗(yàn)儀器主要有水泵、水桶、秒表和臺(tái)秤。

在水沙模型試驗(yàn)過(guò)程中，模型沙是影響試驗(yàn)結(jié)果科學(xué)性和有效性的重要因素[9]。塑料沙具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、不溶于水、不吸水、無(wú)粘性、重量輕、活動(dòng)性好等諸多優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于水沙模型試驗(yàn)。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，此次試驗(yàn)研究選擇比天然沙比重輕的塑料沙作為模型沙。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中利用測(cè)針測(cè)量相對(duì)高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的水位量測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中，首先在上、下游量水堰上的某一個(gè)固定位置，讀出測(cè)針讀數(shù)，再由水準(zhǔn)儀器測(cè)量出固定位置的高差，然后在根據(jù)試驗(yàn)中上下游水位的測(cè)針讀數(shù)，計(jì)算出上、下游的水位差。試驗(yàn)中采用鋼尺測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)部位的泥沙淤積深度。

2.3 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到倒虹吸工程的日常運(yùn)用情況，設(shè)置小流量、設(shè)計(jì)流量和加大流量三種不同的工況，其流量分別對(duì)應(yīng)1.5L/s、4.0L/s、5.3L/s，設(shè)計(jì)10kg/m3、20kg/m3、30kg/m3三種不同的含沙量進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中按照與進(jìn)水口等距的方式設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量不同流量工況下典型斷面位置的淤積特征參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討和分析含沙量對(duì)倒虹吸工程淤積特征的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 小流量工況

對(duì)小流量工況下各個(gè)斷面和測(cè)點(diǎn)的部位的泥沙淤積深度進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表1所示。由表中的結(jié)果可以看出，在小流量運(yùn)行工況下，不同測(cè)點(diǎn)的淤積深度會(huì)隨著含沙量的增加而增加。在含沙量為10kg/m3的條件下，管內(nèi)的淤積量并不大，大部分測(cè)點(diǎn)的淤積深度為2cm以下，只有管身進(jìn)口段的折彎部位淤積情況比較明顯，淤積深度在2.5cm左右，虹吸管的中間水平段淤積深度1.4cm至1.9cm之間，出口折彎部位的淤積深度相較于進(jìn)口折彎部位明顯偏小，為1.8cm左右。由此可見(jiàn)，這種情況下管內(nèi)淤積情況并不嚴(yán)重，不會(huì)對(duì)其功能發(fā)揮造成明顯影響。在含沙量為20kg/m3的條件下，管內(nèi)的淤積深度明顯增加，進(jìn)水口折彎部位的淤積深度5.3cm左右，水平段的淤積深度為3.3cm至4.2cm左右，出口折彎部位的淤積深度為4.5cm左右。管內(nèi)部分部位的淤積深度較大，對(duì)過(guò)流面積產(chǎn)生了比較明顯的影響，特別是在上游的折彎部位，由于淤積比較明顯，流速的分布受到嚴(yán)重影響，可能發(fā)生倒虹吸的淤堵。在含沙量30kg/m3的條件下，管內(nèi)的淤積深度進(jìn)一步增加，進(jìn)水口折彎處的最大淤堵深度達(dá)到了9.2cm已經(jīng)超過(guò)該部位管深的一半。由此可見(jiàn)，當(dāng)水流含沙量較大時(shí)，虹吸管不足以將模型沙向下游輸送，會(huì)大量淤積在倒虹吸管內(nèi)。如果繼續(xù)試驗(yàn)，勢(shì)必會(huì)造成倒虹吸管內(nèi)全面淤堵，進(jìn)而誘發(fā)進(jìn)水口部位的水流漫溢，不僅會(huì)浪費(fèi)水資源，也會(huì)對(duì)周邊群眾的生產(chǎn)生活造成不利影響。

表1 小流量工況泥沙淤積深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 設(shè)計(jì)流量工況

設(shè)計(jì)流量工況下各個(gè)斷面和測(cè)點(diǎn)部位的泥沙淤積深度如表2所示。由表中的結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)流量運(yùn)行工況下，不同測(cè)點(diǎn)的淤積深度會(huì)隨著含沙量的增加而增加。在含沙量為10kg/m3的條件下，管內(nèi)的淤積量較小，除了管身折彎等個(gè)別部位的部位淤積深度在1.0cm以上之外，其余部位的淤積深度均在1.0cm以下，不會(huì)對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)的功能發(fā)揮造成明顯影響。在含沙量為20kg/m3的條件下，管內(nèi)的淤積深度有明顯增加，進(jìn)水口折彎部位的淤積深度2.5cm左右，水平段的淤積深度為1.5cm至1.9cm左右，出口折彎部位的淤積深度為2.1cm左右。雖然淤積深度有了明顯增加，但是最大深度不足管深的1/6，不會(huì)造成十分明顯的影響。在含沙量30kg/m3的條件下，管內(nèi)的淤積深度進(jìn)一步增加，進(jìn)水口折彎處的最大淤堵深度達(dá)到了4.1cm，已經(jīng)接近管深的1/3，對(duì)過(guò)流面積產(chǎn)生了比較明顯的影響。特別是在上游的折彎部位，由于淤積比較明顯，流速的分布受到嚴(yán)重影響，可能發(fā)生倒虹吸的淤堵。

表2 設(shè)計(jì)流量工況泥沙淤積深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 加大流量工況

對(duì)加大流量工況下泥沙淤積深度如表3所示。由表中的結(jié)果可以看出，不同測(cè)點(diǎn)的淤積深度會(huì)隨著含沙量的增加而增加。但是，由于加大流量，管內(nèi)的流速較大，因此對(duì)泥沙的輸送作用明顯增強(qiáng)，因此管內(nèi)泥沙的淤積情況相對(duì)較輕，同時(shí)，受到水流沖刷作用的影響，泥沙的淤積主要出現(xiàn)在出口轉(zhuǎn)折部位，在含沙量30kg/m3情況下，該部位的最大淤積深度為2.1cm，進(jìn)口轉(zhuǎn)折部位雖然也有淤積，但是深度并不大。整體來(lái)看，在加大流量工況下，倒虹吸管內(nèi)的淤積作用并不會(huì)對(duì)其輸水功能和過(guò)流能力造成比較明顯的影響。

表3 加大流量工況泥沙淤積深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

此次研究以具體工程為依托，利用試驗(yàn)研究的方式探討了含沙量對(duì)倒虹吸管內(nèi)淤積的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）流量會(huì)對(duì)倒虹吸管內(nèi)淤積特點(diǎn)和深度產(chǎn)生明顯影響，小流量工況下的淤積情況最嚴(yán)重；同時(shí)，小流量和設(shè)計(jì)流量工況下的泥沙淤積嚴(yán)重的部位是進(jìn)口轉(zhuǎn)折段，加大流量工況下主要淤積部位是出口轉(zhuǎn)折部位。

2）在流量相同的情況下，泥沙含量越大，淤積越嚴(yán)重。

3）小流量工況含沙量大于20kg/m3或設(shè)計(jì)流量沙量大于30kg/m3時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的淤積，對(duì)工程過(guò)流造成嚴(yán)重影響?！?/p>