某排洪倒虹吸淤堵规律研究

2021-04-27刘克浩田鹏伟

水利科技与经济 2021年3期

刘克浩，田鹏伟，齐锐，郭爽

(河北工程大学水电学院，河北邯郸 056000)

1 概述

某排洪倒虹吸的淤积，主要发生在降雨强度较大的夏季，汛期易发生时段。洞内淤积量的多少取决于上游来沙量，上游来沙越多，洞内淤积越严重；相反，来沙少，洞内淤积不影响倒虹吸正常排洪输沙。此地来水量主要是地面径流，近些年平均降雨量增大，常以暴雨形式出现。上游岸坡植被稀疏，加上雨季降水强度大，导致水土流失严重，水流携带大量泥沙汇入到倒虹吸入口，形成泥沙水流，从而进入管内。上游水流含沙量的大小，也是造成淤积的重要因素[1]。

目前，对排洪倒虹吸整体管内部泥沙运动情况研究较少。本文通过物理模型试验，探讨排洪倒虹吸在不同水流条件下，管内泥沙运动与冲淤变化规律。

2 模型设计

本物理模型实验遵循重力相似准则(弗劳德准则)设计模型。考虑几何比尺、流量比尺、时间比尺、流速比尺、糙率比尺。还需要满足起动相似、悬移相似、挟沙相似，主要控制比尺泥沙粒径比尺。结合试验场地选择合适比尺，采用整体正态模型，进行模型实验[2]。模型比尺为1∶30，相应比尺见表1。

表1 模型主要比尺

根据糙率比尺，计算出模型糙率为0.007 6。为此选择糙率相近，便于观察管内运动情况的有机玻璃作为管身段模型材料。模型倒虹吸进出口采用水泥砂浆抹面。

天然沙的比重为2.65 t/m3,在物理模型实验中，需要选用轻质沙(γs<2.65 t/m3)为模型沙，为此本模型采用黄色的塑料沙做为模型沙。塑料沙为圆球状，表面光滑，能较好地复演泥沙冲淤变化，是一种很好的模型沙材料[3]。

为探讨倒虹吸的淤堵规律，首先在模型大厅对倒虹吸的校核与设计水流条件进行预实验。试验结束后，并没有发现在倒虹吸内部有塑料沙的存在，只看到几个零星的沙粒在进口端。因此对于这两个流量下的淤堵问题不再进一步研究，可以得出这两个流量下倒虹吸不会发生淤积问题。为此通过调整流量级别和查阅相关资料，将流量调小进行试验研究。

通过以上试验得出的结论，将模型倒虹吸的流量调到原型10年一遇及以下流量级别，试验工况见表2。

表2 试验工况

3 试验分析

3.1 清水无沙管内流速对比分析

首先将清水测得的试验结果进行对比分析，对于管内的流速分布情况进行初步的了解，见图1、图2。

图1 工况一模型倒虹吸管内流速分布

图2 工况五模型倒虹吸管内流速分布

图1和图2是工况一和工况五清水无沙时，模型倒虹吸左右两管整体的流速分布。模型倒虹吸整体流速呈对称分布，随着流量的增加，管内的流速也在增大。倒虹吸在进水口斜面底端到中间管段流速情况来看，速度由大减小。从等值线分布来看，中间水平段流速相对进水口斜面段波动较小。由于这几种工况的流量不是很大，不能使模型倒虹吸的斜面完全充满水，而且在进水口斜面产生水流翻滚，无法测得较为准确的断面流速，为此对于管内断面1整个的流速无法进行测量，只是测得一个较近的进水口流速作为中间流速。为此取各断面中间流速进行比较，以右管为例，见图3。

图3 不同工况清水时流速变化分布图

图3为调整后流量在清水时模型倒虹吸顺水流方向各断面中间流速的变化图，以右管为例。对于工况一到工况五，流速整体随着流量的增大也在跟着增大，并且对于断面9之前也就是进水口斜管段上的各断面中间流速有逐渐减小的趋势。按照能量守恒定律，斜面底端的流速应该增大。为此分析流速减小是由于折弯处水流受中间段满管水流的缓冲影响，使得此处的流速变小。断面9到断面13，流速又开始增加，很好的说明折弯及中间管段的满水水流对斜面底部流速有一定的影响。顺水流方向向下，断面13到断面21这部分流速由大减小，符合能量守恒定律，对于接近出水口流速的断面还受到后面排水渠道水位顶托的影响，也使得出水口流速变小。

上述出现流速减小的现象可能就是倒虹吸发生淤积的原因。初步认定在斜面的底端可能是易于产生淤积的位置，出水口的斜面底端也是易于发生淤积的地方，主要是因为出水口流速的减小，使得底端不断地淤积，在后期投沙试验中将继续验证这个问题。

3.2 不同工况下倒虹吸试验结果分析

投沙实验是本试验研究泥沙淤积的重点，也是为了验证倒虹吸在小流量、大含沙量的情况下是否发生大面积的淤积，分析在这种条件下倒虹吸的排洪能力。通过倒虹吸管内流速的变化、淤积深度的变化、进出口水位变化进行分析倒虹吸的过流能力。见图4。

图4 不同工况浑水时流速分布变化图

图4为工况一到工况五在模型倒虹吸投沙情况下沿顺水流方向，各断面管内的中间流速变化图。从图4中大致可以看出，此时的流速要比清水时管内的流速要有所增加，流速变大。从倒虹吸进水口位置流速到斜面底部中间管段流速，表现为由大变小的规律性变化。出现这种结果跟前面清水时测量的结果现象一致，都是在斜面底部流速变小。主要还是由于在小流量泄流时，水流首先充满中间管段，而后才能从出口排出，由于中间段过流断面增大，使得流速减小。而断面13的流速要比断面9的流速略微增大，主要是由于此时塑料沙已经在管内前面有少量的淤积，使得断面13前的过流断面积减小，流速增加。对于断面17和断面21流速有所下降，主要是由于在出水口段斜面上水流能量的减小及下游排水渠道水位调控的影响。

总的来看，在整个倒虹吸模型上的流速分布呈现进水口到斜面底部流速减小，中间流速向后略有增加，到出口段的流速也是由大变小的规律。这种流速的变化现象使得塑料沙易于淤积在倒虹吸的折弯处及中间管段，这些位置由于流速小，使得管内的挟沙能力与推移力都相对减弱。见图5、图6。

图5 工况一模型倒虹吸管内淤积深度

图6 工况五模型倒虹吸管内淤积深度

从图5可以看出淤积比较严重，在折弯处最厚深度达到9.5 cm，已经使管内淤满。折弯处的淤积深度相对较厚，中间段淤积相对于另外两者来说，中间段的水流更加趋于平稳，波动不大，再加上洪水历时时间短，不会携带更多的泥沙出去，造成淤积。这证实了此处流速变小，造成淤积增加。对于工况七(表3)，管内的塑料整体淤积量减少，进水口段淤积量范围减小的较明显，折弯处出现淤积量明显较大，其他部位随着水流输移到下游，管内存留较少。通过对比分析可以说明，在小流量、大含沙量的情况下，管内淤积随着流量的减小，淤积深度增加，这是倒虹吸发生淤积的条件。

表3 不同工况进水口水深变化

根据表3可以看出，工况三到工况七模型倒虹吸进水口的水深在不断地减小，也说明倒虹吸受含沙量及来流量的影响，使得倒虹吸管内有效过水断面减小，倒虹吸管上游水位壅高现象明显。

根据表4可以看出，倒虹吸断面CS5、折弯处及CS9在不同工况下管内淤积量的变化。在上游来流量最小的工况一，与其他几个工况对比的情况下，折弯处的淤积深度明显较大，已达到近乎满管的位置。从其他几个工况也能看出，折弯处的淤积深度要高于其他两个的断面，这也证实了倒虹吸发生淤积的位置在折弯处。而对于CS9断面淤积深度要比CS5断面的深度大，但小于折弯处，说明中间管段也易于淤积。通过前面的流速表明，此段的过流断面面积增大，流速减小，挟沙能力减小。