泥石流虹吸排水分流池自清淤能力分析

张文君，孙红月，潘 攀，魏振磊

（1.浙江大学 海洋学院，浙江 杭州310058；2.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州310058）

充沛的水源、丰富的松散固体物质、有利的流域形态和沟床纵坡是泥石流形成的基本条件，其中水动力因素是泥石流爆发的必要条件［1］.目前我国对泥石流灾害的防治手段主要有拦挡工程、排导工程、护坡固底工程、生物工程等［2］.这些防治技术多为针对保护对象或泥石流松散物源.

消除洪峰水流，限制超强水动力条件出现，可从根本上遏制泥石流的发生.但针对地表流水进行拦截疏引而采取的防治方法在工程实践中较少被采用，目前只在少数治理工程中应用，如文家沟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术，均采用重力流形式，虽然能起到一定的削弱水动力条件的作用，但是排水效率低，更为严重的问题是泥石流沟洪水动力条件的强烈变化及高泥石含量，常使截排水工程堵塞和失效.

针对泥石流治水方案中存在的弊端和不足，以及暴雨来临时快速排水的需要，通过系统的调查研究，本文提出一种沟内水石分离虹吸排水防治泥石流方法，即通过在泥石流形成区或流通区沟谷内布设分流池进行水石分离，利用虹吸排水管将池内分离出的洪水快速排泄到下游安全区，以降低泥石流沟内的水动力条件.在此技术方案中，分流池的淤积问题成为虹吸分流系统长期有效的基础，也是推广应用该方法的前提条件.

1 泥石流治理沟谷分流方法

水石分离和虹吸排水相结合技术方案的技术核心在于消除暴雨产生的洪峰水流，限制超强水动力条件的出现.典型的泥石流沟可划分为形成区、流通区和堆积区.将形成区或流通区内汇聚的地表水引离沟谷内主要物源区，避免流水冲刷深切冲沟沟底和岸坡，则可以避免流水冲刷导致沟道下切、岸坡滑塌进而产生泥石流.

沟谷内的泥沙石块是否启动，取决于水流的流速和流量.针对泥石流固液两相流体物性特征，在泥石流的形成区或流通区沟谷内布设分流池，进行水石分离（如图1所示），在分流池接虹吸排水管，将泥石流沟内分离出的洪水排泄到下游安全沟道内，达到减小泥石流沟的水动力条件的目的.

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

排水沟和分流池剖面关系如图2所示.在强降雨条件下，当池内水位上升至虹吸管顶点时，引发虹吸作用，经拦污格栅进入虹吸分流池的泥沙颗粒随虹吸作用产生的高速水流携带出分流池，由虹吸排水管直接排泄到堆积区.在分流结构中，如果拦污格栅孔隙过小，则容易堵塞失效，导致沟谷洪水无法顺利进入分流池；如果拦污格栅孔隙过大，进入分流池的石块无法虹吸带走，则分流池就会被淤积.因此，为合理设计分流系统，需要虹吸分流池的水动力学特征.

图2 排水沟和分流池剖面示意图Fig.2 Profile of drain and siphon drainage pool

2 虹吸分流池水动力特征分析

2.1 计算模型

本文基于流体力学数值软件FLUENT 模拟虹吸分流池在不同水头差下，不同虹吸管管径的虹吸抽排泥沙能力.虹吸分流池模型采用轴对称结构，在满足计算精度和效率的条件下采取半结构为研究对象进行模拟.计算模拟100、200、300mm 这3种不同虹吸排水管直径分别在2、5、8、10m 水头差下的工况.虹吸分流池模型尺寸如图3所示，虹吸管顶点距底面1.2m，高出进水面0.2m；虹吸管入口平面至池底的悬空高度均取0.1m.

2.2 控制方程及边界条件

图3 虹吸分流池水动力特征计算模型图Fig.3 Hydrodynamic characteristics computing model of siphon drainage pool

虹吸管壁、分流池壁的边界条件按固壁函数处理，并通过修改壁面定律的粗糙度考虑池底面粗糙度的影响.壁面处为无滑移边界，靠近池底面区域则采用标准壁面函数方法处理.进口边界设置为速度入口，速度大小依据分流池分流量所计算的断面平均流速，为尽可能排除外界边界条件对虹吸作用的影响，取较小的流速v＝0.1m／s.虹吸管出口处设为压力出口，并根据不同水位差附加相应的相对压强.排水沟及虹吸分流池上部与大气接触，设置为一个大气压的压力入口.标准k-ε湍流模型考虑平均流动中的旋转及旋流流动情况，可以较好地处理虹吸作用下高应变率及流线弯曲程度较大的流动.不可压非定常流的张量形式控制方程如下［5-8］：

动量方程：

湍动能k方程：

耗散率ε方程：

2.3 计算结果分析

1）虹吸分流池内流场速度分布

在一个虹吸周期内，分流池内的水流速度随水头差变化.当虹吸刚启动时，速度达到最大，之后随着虹吸周期结束而平稳下降.不同管径D 和水头差H 下的分流池XZ 平面时均速度场基本相似.如图4表示在D＝200mm，H＝5m 时的XZ 平面（y＝0）的速度场（靠近池底部分为重点研究范围，故Z方向取0～0.5m）.虹吸作用下在竖直面上形成以-Z方向为主的速度场，在水平面上产生以虹吸管口为中心的向心速度场，其速度值在虹吸口附近最大并沿-X 和-Y 方向递减.这样的速度场有利于池底泥沙颗粒的起动和抽排.

图4 XZ 平面（y＝0mm）的速度流场图Fig.4 Velocity fields in xz-plan（y＝0mm）

分流池内的水流速度靠近虹吸管口时最大，随着距虹吸管口的水平距离增大，速度值起先明显减小并逐渐稳定，见图5.图5（a）～（d）分别为D＝200 mm、H ＝2、5、8、10 m 时XZ 平面上横坐标位置0.2、0.4、0.6、0.8m 处的速度大小分布图（图中速度比例尺分别表示各自横坐标上各点的速度大小），由图可知，分流池内的水流速度靠近虹吸管口时最大，随着距虹吸管口的水平距离增大，速度值起先明显减小并逐渐稳定.速度相比于虹吸作用在近似无限水域下的速度分布［9］，虹吸作用在具有一定断面的分流池内所形成的速度分布更有利于池内泥沙颗粒的起动.

2）虹吸分流池底面切应力分布

图5 XZ 平面的时均流速竖向分布Fig.5 Vertical distribution of time-averaged velocity in XZ-plane

图6 当D＝200mm 时池底面切应力分布（XY 平面）Fig.6 Bed shear stress（XY-plan，z＝0mm）of siphon pool under different water head

池底切应力相比于速度因素更能衡量泥沙颗粒的起动与沉积［10］.如图6所示为虹吸管径D＝200 mm 时不同高差H 下，分流池底（XY 平面，z＝0 mm）的切应力分布.由图可知，池底切应力的分布规律表现为分流池四周向虹吸管口增大；随着水头差H 增大池底切应力大小由四周的0.1～1.5Pa提高到虹吸管口中心处的9.2～45.4Pa；当D＝100mm时，由0.07～0.30Pa提高到0.9～8.9Pa；当D＝300mm 时，由0.3～2.7Pa提高到20.8～109.5 Pa.水头差H 对池底切应力大小分布影响较敏感即水头差H 越大，池底切应力越大，越有利于底面泥沙颗粒起动及清除.

3 自清淤能力分析

3.1 虹吸分流池底泥沙颗粒起动判据

虹吸分流池底泥沙颗粒的起动本质上是其运动状态的改变——如果虹吸启动下的流场作用于池底的切应力大于或等于泥沙颗粒的临界起动切应力，则泥沙将被起动或处于运动状态之中.切应力是判断泥沙在外动力作用下是否发生运动的根本依据［11］.虹吸作用下的自清淤能力可以池底的切应力表征［12-13］.综合数值分析结果得到不同D 和H 下的虹吸管口处的最大切应力见图7，可知，在同一水头下，随着管径D 的增大，切应力相应增大；在相同管径下，底面切应力τ随水头差H 增大而增大且呈一定线性关系（其中各直线的相关系数r2分别为0.98，0.98，0.99，截距均为0即当水头差H＝0时，切应力为0，这与物理事实相符）.具体的函数关系式为：当D＝100mm 时，τmax＝0.87 H 、当D＝200 mm 时，τmax＝4.63 H 、当D＝300 mm 时，τmax＝11.12 H，其中0.87、4.63、11.12单位为N／m3.

图7 不同管径D 下池底最大切应力与H 关系图Fig.7 Relationship betweenτmaxand Hfor different D

根据工程上常用的Shields参数与底面切应力之间的关系，泥沙颗粒临界起动公式：

式中：τc为临界起动切应力，γs和γ 分别为泥沙和水的重度，d 为泥沙粒径.当获得τ和τc之后，即可根据两者之间的大小关系对池底泥沙的稳定性进行评价，如管径D＝100 mm 的虹吸管在水头差H＝10m（虹吸管口距池底面的悬空高度h＝100 mm）下底面虹吸管口处能起动的临界泥沙颗粒粒径dmax＝10.1mm.随着虹吸管直径、虹吸管进出口水头差的增大，则可起动更大粒径的泥沙颗粒.

3.2 虹吸管口所对池底面负压分布

由于上述的工况均是在虹吸管口距池底面的悬空高度h＝100mm 条件下所模拟得到.为进一步了解悬空高度h对虹吸分流池清淤能力的影响程度，模拟了同一虹吸管在悬空高度h＝1 D，h＝0.75 D，h＝0.5 D，h＝0.25 D 下的工况.如图8所示表示当管径D＝200mm，水头差H＝5m 时，不同悬空高度h下虹吸管口附近底面的负压水头R.

图8 不同虹吸管口悬空高度h下底面负压分布图Fig.8 Negative pressure distribution on siphon pool bed with different distances（h）

由图可知：虹吸管口越靠近底面，其所对底面的负压水头越大；在h＝50mm 时负压水头最大，随着h增大至200mm 时，负压水头减小了94.5%；虹吸管口内周围的负压水头大于管中心的负压水头；由负压水头快速减小的速率表明，当h 在25%虹吸管径的范围内变化时，虹吸自清淤的效果最好，且h在25% 虹吸管径时，其负压水头已经具备很强的清淤能力.因此，在工程实践中，可依据清淤颗粒的粒径起动要求选取适当的悬空高度.

4 结 论

分流池的虹吸自清淤能力是水石分离虹吸排水治理泥石流方案的基础条件之一，通过对虹吸分流池水动力特性计算分析，得出以下结论.

（1）虹吸分流池在虹吸作用下，内部的流场特征表现为：在竖直平面上产生以-Z 方向为主的速度场，在水平面上产生以虹吸管口为中心的向心速度场；分流池内的水流速度在靠近虹吸管口时最大，随着距虹吸管口的水平距离增大，速度值逐渐减小并逐渐趋于稳定.

（2）虹吸分流池池底切应力大小随虹吸管径和水头差的增大而增大；在相同管径下，底面切应力随水头差H 呈线性增加，并据此拟合出两者间的具体线性关系，为分流池的拦污格栅孔径大小设置提供了计算依据.

（3）虹吸管口所对应池底面的负压水头，随着虹吸管口至池底面距离h 的减小而增大，但当虹吸口过于接近池底时，可能影响进水的流畅性，且虹吸管口悬空高度h在25% 虹吸管径时，其负压水头已经具备很强的清淤能力，在工程实践中，可依据清淤颗粒的粒径起动要求选取适当的悬空高度.

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