倒虹吸进水口水跃分析及处理

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文章编号:1006—2610(2019)06—0071—04

倒虹吸进水口水跃分析及处理

顾嵋杰,闫摇飞

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安摇710065)

摘摇要:倒虹吸在小流量运行条件下,由于水头损失小,进水口尾水位高程将会低于上游渠道或进水池水位高程,发生跌水、水跃等不良流态,不利于倒虹吸管道运行。文章针对倒虹进口水跃发生的原理进行分析,得出水跃是由于进口水流不淹没、发生远驱式水跃导致的结果,并据此提出在满足工程安全运行及经济合理性条件下的工程处理措施。

关键词:小流量;水头损失;水跃;跃后水深;淹没出流

中图分类号:TV672.5摇摇摇文献标志码:A摇摇摇摇DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2019.06.017

AnalysisandTreatmentofWaterJumpinInvertedSiphonInlet

GUMeijie,YANFei

(PowerChinaNorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi'an摇710065,China)

Abstract:Undertheconditionoflowflowoperation,duetoslightheadloss,theelevationofthetailwaterlevelattheinletislowerthantheelevationoftheupstreamchannelorthesuctionsumpwaterlevel,andundesirableflowpatternssuchashydraulicdropandwaterjumpshalloccur,whichisunfavorablefortheoperationofinvertedsiphon.Thearticleanalyzedthewaterjumpprincipleattheinletoftheinvertedsiphonandconcludedthatthewaterjumpisduetounsubmergedwaterflowatinlet.Basedontheanalysis,thearticlepro鄄posedeconomicalandfeasibleengineeringtreatmentmeasuresthatmeetthesafeoperationrequirementoftheproject.Keywords:lowflow;headloss;waterjump;post-jumpwaterdepth;submergedoutflow

0摇前摇言

倒虹吸管是长距离输水工程中通过山谷、河流、洼地、道路或其他渠道的压力输水管道,是一种渠道交叉建筑物,是输水及灌溉渠系工程中的重要建筑物之一,一般由进水口段、管身段、出水口段3部分组成

[1]

虹吸正常运行及使用寿命[2-3]。所以,为确保进水口水流平顺衔接,现行SL482-2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》[4]规定,通过小流量时,管道进口应处于淹没状态;SL285-2003《水利水电工程进水口设计规范》[5]规定,进水口管顶以上部分满足最小淹没度要求。实际中,对于大流量大管径的倒虹吸,特别是消力井进口型式的倒虹,在流量变化范围大的情况下,要满足最小流量管顶以上最小淹没度的要求比较困难。

文章在分析了进口水跃发生的原理后,针对进水口管顶以上淹没深度不足或无法满足淹没进口的倒虹吸,提出了如何在满足工程运行安全及经济合理的条件下的处理办法,为类似工程提供借鉴。

重要连接段,其设计的合理性直接决定了倒虹吸进口流态稳定性及使用寿命。

当倒虹吸管进口尾水面低于上游渠道(进水池)水位时,水以急流状态进入管道,形成水跃,发生掺气现象,流态极不稳定,造成管身震动,影响倒

。进水口作为连接输水渠道与倒虹管身的

摇摇收稿日期:2019-07-29工设计工作.

摇摇作者简介:顾嵋杰(1987-),男,工程师,大学本科,主要从事水

1摇小流量条件

在输水工程设计中,输水流量一般只考虑设计

72顾嵋杰,闫飞.倒虹吸进水口水跃分析及处理

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨流量、校核(加大)流量,从而导致大多数设计人员在倒虹吸设计时只通过设计、加大流量条件确定进水口设计参数,满足进口水流流态稳定,而忽略了低于设计流量的倒虹吸运行工况。

在实际运行中,倒虹吸大多数时间的过流量是小于设计流量的,此时计算出的水头损失要远小于设计水头损失值。通过下游水位加上水头损失值计算出管进口尾水位与上游渠道(进水池)水位高差大,水流进入管道容易出现跌水、水跃等,属于倒虹接,池中水跃位于尾水水面以下。倒虹进口一般布置有闸室、闸室下游设有消力池[8],消力池也作为倒虹进水池,当过闸水流落差较大时,会在闸下游发生水跃。当跃后水深大于尾水深时,会发生远驱式水跃,出现不稳定流态;而当跃后水深小于尾水深时,则发生淹没水跃,此时水流为稳定流态。不良水跃流态是指发生远驱式水跃,对其原理进行分析之

后,不难看出,决定水跃发生的影响因素主要有尾水水深和跃后水深2种,与管顶最小淹没深度没有必吸最不利运行工况。因此倒虹设计时,应重点考虑小流量工况,对初拟的进水池设计参数,应进行小流量复核。小流量一般考虑取设计流量40%,且相应水深不小于设计水深60%[6]

件下进口稳定流。

,图1所示为小流量条

图1摇小流量倒虹进口淹没流图

笔者通过查询相关的资料可知,陕西省宝鸡峡引渭灌溉工程韦水倒虹、四川省都江堰东风渠眉山境内两处倒虹工程等高差大倒虹都未能很好考虑小流量对倒虹运行的影响,在实际运行中均出现水跃、管道震动等不良运行工况[1]件下进口处水跃现象。

。图2所示为小流量条图2摇小流量倒虹进口水跃现象图

2摇水跃分析

为避免水跃发生,要求无论在何种工况条件下,进水口均应保持一定淹没深度,淹没深度应满足规范[5]要求。对不满足要求的倒虹吸,通常采取在出口处设置闸门或者降低进水池底板高程措施[7]到壅高或抬升进口尾水位,使得进口水跃被尾水水,达面淹没。

通过对上述处理措施进行分析,其本质目的是提高尾水水面高程,使进口处水流发生淹没出流衔

然关系。倒虹进口发生稳定流时,只需满足尾水水位高于跃后水位,发生淹没水跃即可,此时管进口尾水面可能高于管顶高程,也可能低于管顶高程。

笔者通过对倒虹吸相关书籍及规范进行对比分析,书籍[1]提出,为消除水跃,将进水口顶缘布置在管道通过小流量时进口计算水位以下,并保持一定的淹没深度;规范[4]正文中要求管进口处于淹没状态,同时规范[4]条文说明中提到竖井式、斜坡式进水口水流平稳衔接的必要条件是淹没出流,斜坡式还要求淹没管口。

通过以上对比分析发现,规范[4]相较于书籍[1]

对倒虹进口淹没条件进行了适当放宽。究其原因,笔者认为主要是书籍[1]是2006年出版,规范[4]较书籍[1]滞后5a,为2011年发布实施,期间正值中国水利建设黄金时期,大量的倒虹工程得以建设实施,特别是南水北调工程中倒虹吸应用及验证,为倒虹吸进口流态变化影响因素提供了大量工程案例。因此规范[4]在总结了实际工程运行情况的基础上,对倒虹吸进口管顶最小淹没深度进行了取消,只要求淹没进口,但在条文说明中提到水跃发生本质原因为进口水流是否淹没出流。考虑到规范应用对象及

富余安全性,正文中并未提到淹没出流,而要求淹没管口。

结合上述水跃原理及其现行书籍、规范分析,笔者认为,在对于大流量、大管径倒虹按照管顶以上最小淹没深度或者淹没管口作为控制条件时,固然可以满足要求,但进水口底板一般挖深较大,对工程结构安全、投资影响较大,此时可采用小流量进口水流淹没作为控制条件,满足进口稳定流要求即可。

3摇处理措施

通过设计流量拟定倒虹进水口设计参数,尾水

西北水电·2019年·第6期73

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨面一般都会高于进口管顶缘,但在小流量复核时,尾水面大多数会低于管顶高程。对于小流量复核条件下出现水跃等不良流态现象,主要处理措施有降低进水口底板高程、管出口设闸、单管变双管等办法。由于管出口设闸在实际运行操作中比较麻烦,双管措施考虑因素较多,要在设计阶段重点论证其可行性,文章主要说明降低进水池底板高程的方法。

具体方法是在小流量条件下,通过下式分别计算管身段及出口段水头损失值[9-10]。

图3摇倒虹进水口断面图

摇摇(1)进口水流淹没复核

根据设计流量初拟进水池底板高程1131.80

Z=Z1-Z2

Z1=hf+hj=姿Ld2v2g+灼

2v2

g

Z22=(1-孜2)

v2

2-g

v1

式中:Z为管进口至下游水头损失值,m;Z,m;Z,m;姿1为管身段水头损失2为出口水面回升值为能量系数,姿=8g/C2管径,m;灼为局部损失系数;v为管中流速;孜,m/s;L管长,m;d为系数;v1为下游渠道流速,m/s。

2为出口局部水头损失

计算下游出口渠道对应小流量设计水位,用渠

道水位加上水头损失Z反推出进水口尾水水位,尾水位减去进水池板高程得出尾水深hs不同的进水池底板高程值,计算并分析相应的尾水。通过试算深hs及跃后水深h义比值,直至使得淹没系数h逸1.求。05(另外取下限,为确保淹没水跃完全发生在进水池内),此时倒虹进水口底板高程满足要s/h义,池长应不小于淹没水跃长度。

4摇算例分析

陕西榆林王圪堵水库南岸灌区设计灌溉面积1采用渠道输水206.67hm2(1.,在跨越王家沟段采用桥式倒虹交叉81万亩),灌溉保证率75%,工程建筑物。王家沟沟深47.0~54.0m,沟底宽约23.0m,进水池处地面高程倒虹管道选用螺1旋135.钢管20,管m。

径1.20m,管长

1167m,设计流量0.,进口处渠底高程95m3/s,加大流量1133.1.2455m3根据设计水头分配m,/出s。口处渠底高程1131.45m,上下游渠底高差2.10m,进水池与闸室同宽,宽度1.50m。

m,复核验证池长5.,00复核成果见表m,采用小流量对进水池设计参数进行1。

表1摇进水口水流淹没复核成果表(底板高程1131.80m)

流量水头跃后/(m3·s-1损失尾水位收缩断/m尾水深/m面水深水深池长淹没1.)/m/m/m系数0.241.1133.0.950.101133.661.1.8600./0.118m1.4.1.0.86760.650.531132.071.2660.0930.0253.381.810.0.0840.8923.861.420.670.421132.900.1030.0750.8523.711.290.570.321132.730.9300.0670.7993.491.160.48380.231132.580.7800.17131132.421132.30150.6200.5003540.0580.7460.6843.280.040.0490400.6295502.022.80460.910.7964由表1可知,当倒虹过流量介于0.38~0.67m3/s(设计流量30%~70%)时,淹没系数为水跃~1.04,。因此拟定的进水口底板高程不满足进口稳定小于最小淹没系数1.05,进口发生远驱式

0.64流衔接条件,需要对进口底板高程进行调整。

通过对底板高程值进行试算,当底板高程降低至1131.55m,可满足小流量条件下淹没出流衔接条件,具体成果见表2。

表2摇进水口水流淹没计算成果表(底板高程1131.55m)

水头跃后/(m流量3损失尾水位收缩断/m尾水深/m面水深水深池长/m淹没系数1.·s-1)1./m0.2411133.2.0./m/m0.950.0.1121.4.2.0.860.6511133.661.1100.0880.0560.9211.000.760.5331132.071.5160.081874.563.021.650.670.421132.901.3530.0720640.3.811.560.570.32231132.731132.58421.1800.0.8170.7663.601.440.48380.0.104171132.0.0301132.30150.8700.7506040.0551.340.0470380.7053.390.6435682.142.88561.231.1706通过表2可知,当过流量为0.38m3最小淹没系数为1.06,大于淹没系数1.05,/s时进口水,进口

流为淹没流。此时尾水深0.60m,管径1.20m,尾

74顾嵋杰,闫飞.倒虹吸进水口水跃分析及处理

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨水位处于进口管中心位置,并未淹没管顶;设计流量因此当进水池底板高程降至1131.55m时,进口水流满足要求。

(2)进水口淹没复核式如下:

hkp=Cvd式中:hkp为最小淹没度,m;C经验系数,取0.55;v为管中流速,m/s;d为管径,m。

经计算,进口最小淹没度为0.20m,进水池底板高程1130.75m(1132.15m-0.2m-1.2m)。

(3)成果选取

工程进水口地面高程1135.20m,满足进口水流淹没的底板高程1131.55m,进水池净深3.65m;满足进水口淹没的底板高程1130.75m,进水池净深4.45m。进口淹没相较于水流淹没,进水池底板高程降低0.80m,开挖深度及施工难度均相应增加,给工程结构安全、投资等带来不利影响。进口水流淹没计算出的底板高程可以满足倒虹吸小流量正常运行工况,本着对工程影响最小的原则,选择进水池底板高程1131.55m。

根据规范[5]最小淹没深度的要求进行计算,公

取应满足小流量条件下进口水流淹没。

时,尾水深1.52m,管口顶缘以上淹没深度0.32m。

(2)倒虹吸进口发生水跃的决定性因素主要有

尾水深及跃后水深2种,其本质原因是进水管尾水

(3)进水口淹没条件下计算出底板高程比较

位低于上游跃后水位,水流衔接时发生远驱式水跃。低,对于大流量、大管径倒虹吸,进水口底板要降低得较多,这样不仅增加施工难度,也对闸室、进水池的稳定带来不利因素,同时也要增加相应的投资。因此,选择合理进水池底板高程对工程结构安全、投资概算影响较大。

参考文献:

[1]摇陈德亮.取水输水建筑物丛书倒虹吸管[M].北京:中国水利

水电出版社,2006.

[2]摇熊启钧.灌区建筑物的水力计算与结构计算[M].北京:中国

水利水电出版社,2007.

[3]摇宋天文,邱勇,蔡德军,等.高水头倒虹吸管流量控制试验研究[4]摇中华人民共和国水利部.灌溉与排水渠系建筑物设计规范:[5]摇中华人民共和国水利部.水利水电工程进水口设计规范:[6]摇中华人民共和国住房和城乡建设部.灌溉与排水工程设计标

准:GB50288-2018[S].北京:中国水利水电出版社,2018.[7]摇贾西斌,熊启钧.倒虹吸管进口淹没问题探讨[J].南水北调与

水利科技,2008,6(4):92-95.

[8]摇谭兴华,陈全会,王海峰,等.低水头大流量倒虹吸工程总体布

置中几个问题的研究[J].人民黄河,2001,23(07):43-44.[9]摇李炜.水力计算手册[M].2版.北京:中国水利水电出版社,[10]摇吕宏兴,裴国霞,杨玲霞.水力学[M].北京:中国农业出版

社,2002.2006.

SL285-2003[S].北京:中国水利水电出版社,2003.SL482-2011[S].北京:中国计划出版社,2011.[J].人民长江,2008,39(16):85-86.

5摇结摇语

流量时,水头损失值相差较大,因此不仅仅需要考虑设计流量、加大流量工况,还应验算小流量工况条件下倒虹吸进水口水流衔接状态,进水口底板高程选

(1)倒虹吸在设计时,管道通过加大流量与小

盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛盛

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电,2011,30(04):101-105.

[6]摇郑颖人,陈祖煜,王恭先,等.边坡与滑坡工程治理[M].北京:

人民交通出版社,2007.

[7]摇谢永兰.抽水蓄能电站排水系统设计分析[J].西北水电,2016[8]摇陈尧.仰斜式排水孔在滑坡治理中的应用研究和影响因素分

析[D].重庆:重庆交通大学,2015.

[9]摇庞志伟.边坡水平排水孔布设模式研究[D].昆明:昆明理工

大学,2003.(05):73-75.

参考文献:

[1]摇孙广忠.中国典型滑坡[M].北京:科学出版社,1988.

电,2011,30(04):101-103.

[2]摇姚福拴.排水系统在边坡治理中的重要作用[J].四川水力发[3]摇黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石

力学与工程学报,2007,26(03):433-454.

[4]摇闫侃.高边坡填筑堤防工程边坡排水措施的探讨[J].地下水,[5]摇姚福拴.排水系统在边坡治理中的重要作用[J].四川水力发

2008,40(01):119-120.