南水北调中线小庄沟倒虹吸流态优化和冲刷试验

2021-04-27李松平赵玉良何芳婵赵雪萍王建华袁群

人民黄河 2021年4期

李松平赵玉良何芳婵赵雪萍王建华袁群

摘要：南水北调中线总干渠左岸排水倒虹吸众多，倒虹吸布置合理与否直接关系左岸防洪和总干渠安全。为验证小庄沟倒虹吸布置的合理性，采用1∶25的正态模型，系统研究了倒虹吸的过流能力、进出口布置合理性、管内淤积情况等。通过对进出口体形的优化修改，有效规避了四面进流不利流态，减少了进口旋涡，减轻了下游冲刷，大大提升了倒虹吸的过流能力，解决了左岸防洪问题。

关键词：倒虹吸;水工模型;冲刷淤积;小庄沟;南水北调中线

中图分类号：TV131.61 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.024

引用格式：李松平，赵玉良，何芳婵，等.南水北调中线小庄沟倒虹吸流态优化和冲刷试验[J].人民黄河，2021，43（4）：131-133，146.

Abstract： There are many inverted siphons on the left bank of the main canal in the Middle Route of South to North Water Transfer Project. Whether the arrangement of inverted siphons is reasonable or not is directly related to the outlet of the flood on the left bank and the safety of the main canal. In order to verify the rationality of the arrangement of inverted siphon in Xiaozhuanggou， a normal model of scale 1∶25 was used to systematically study the overflow capacity， the arrangement of inlet and outlet and the deposition in the pipe. The optimization and modification for the shape of the inlet and outlet can only effectively avoid the adverse flow pattern of the four sides of the inflow and reduce the inlet vortex and downstream scour， but also greatly improve the flow capacity of the inverted siphon and solve the problem of flood outlet on the left bank， which have a great reference value for the design of similar projects.

Key words： inverted siphon; hydraulic model; erosion and deposition; Xiaozhuanggou; South to North Water Diversion Project

南水北调中线总干渠左岸排水工程是总干渠与河流交叉工程的组成部分，排水倒虹吸是左岸排水建筑物中数量最多的建筑物，分布广泛，工程规模差别较大。小庄沟排水倒虹吸工程位于河南省鹤壁市淇县北阳镇小庄村北約0.4 km处，倒虹吸工程中心线与总干渠中心线交角为115°。河道交叉断面以上集水面积11.55 km2，干流长7.1 km，沟道平均比降为6.06%，沟内杂草较少，河床为沙卵石洪积物，主要成分是黄土状重粉质壤土、重壤土、沙质土及大小不等的卵石等，上下游均无控制工程[1]。

倒虹吸布置合理与否直接关系左岸防洪和南水北调中线总干渠安全[2-9]。研究和确定合理的工程布置和防护措施，可以验证工程设计的合理性及防洪安全性，为优化工程设计提供依据。

1 试验设计

1.1 模型比尺与范围

依据水工模型试验规程，按照水流运动重力、阻力和管道输沙相似准则进行模型设计和制作。根据试验要求和测试内容，模型上边界始于设计桩号0-085.000，下边界到桩号0+309.008，共394.008 m。经综合考虑，采用几何比尺为1∶25的正态模型，并由此确定其他比尺。同时还考虑了泥沙悬浮相似、水流挟沙能力相似、泥沙在管内悬浮相似等[9-10]。

1.2 模型制作

倒虹吸工程进口、出口建筑物为浆砌石结构，主河道糙率为0.04，滩地糙率为0.06，倒虹吸管道糙率为0.014。模型主河槽部分采用水泥粗沙浆抹面拖毛，滩地部分用粗沙浆抹面后在垂直水流方向每隔40～50 mm划深5～10 mm进行加糙。建筑物浆砌石部分采用水泥砂浆粉面抹光，倒虹吸混凝土管糙率np=0.014，采用有机玻璃制作，模型糙率nm=np/251/6=0.008 19，接近有机玻璃糙率（0.008 3），模型各部位可满足糙率相似。

1.3 进出口体形设计

试验在水工模型定床基础上进行，试验工况见表1。在5个工况下，开展了3种进出口体形研究。

（1）体形1。小庄沟倒虹吸工程主要由进口连接段、管身段、出口消能防冲段等部分组成，见图1。进口连接段包括引渠段和斜坡连接段两部分。引渠长31.32 m，底宽17.5 m，底部高程94.80 m，前端以斜坡与原河道连接，两侧以圆弧翼墙和斜坡与河岸连接;为减少清淤工作，圆弧墙前沿渠底布置拦沙坎，坎高0.5 m。管身由进口斜管段、水平管段和出口斜管段三部分组成，其中：进口斜管段水平投影长31.88 m，水平管段长26.80 m，出口斜管段水平投影长38.32 m。进口底板顶面高程91.83 m，水平管段管底高程83.86 m，出口底板顶面高程90.25 m。管身由4孔4.0 m×4.0 m的钢筋混凝土箱涵构成，横向四孔一联。倒虹吸出口以下紧接消力池、海漫及防冲槽。两岸为八字墙，八字墙末端衔接圆弧直墙;为防止海漫段底部遭受冲刷，在浆砌石尾部设长9.1 m、深3.0 m的梯形防冲槽。

（2）体形2。在体形1基础上对进口体形进行如下修改：将进口连接段由原来的引渠段和斜坡段修改为斜坡段和水平段。斜坡段高程由96.30 m以1∶5纵坡下降至进口底板高程91.83 m，底宽由46.83 m缩至20.00 m，斜坡两侧以1∶3坡比与两侧圆弧直墙连接，两侧圆弧直墙半径均为52.5 m，墙顶高程97.76 m;水平段长20.00 m，高程91.83 m。为减少清淤工作，进口连接段前3.00 m处布置拦沙坎，坎顶高程96.80 m，体形布置见图2。

（3）体形3。在体形2的基础上进行二次修改。扩宽进口上游宽度，将进口顶面斜坡改为半径2.0 m的圆弧面;将消力池出口圆弧直墙改为扭曲面，其他布置同体形2，见图3。

2 试验概况及结果分析

2.1 泄流能力

200 a一遇Q=468 m3/s时，体形1、体形2倒虹吸进口上游水位均高出总干渠左边堤顶（堤顶高程为99.93 m），其他工况下，上游水位比设计水位高0.63～2.91 m。按水位控制流量，当上游水位为设计水位99.43 m时，体形1倒虹吸泄流量为394 m3/s（比设计流量减小了74 m3/s），体形2倒虹吸泄流量为448 m3/s（比设计流量减小了20 m3/s），体形3倒虹吸泄流量为468 m3/s。体形3过流能力满足设计要求。

2.2 水流流态

（1）体形1。200 a一遇水位时，倒虹吸进口处左、右两边各有一个固定的立轴旋涡，左边旋涡直径3.0～6.5 m，右边旋涡直径1.5～4.0 m，转速快、强度大，进入洞后，有轰轰响声，手摸洞进口管顶有振感，流态极恶劣。另外，有少量水流越過圆弧墙顶流入喇叭口，还有极少量绕过倒虹吸进口，从倒虹吸进口下游的总干渠边坡逆流而上，倒流入倒虹吸进口内，形成四面进水。

（2）体形2。200 a一遇水位时，倒虹吸进口左边孔有一个不定时的立轴旋涡，呈弯曲漏斗状，旋涡直径随其转动速度加快而增大，其旋涡直径一般为2～3 m，最大可达4.5 m，旋涡自上而下吸入大量空气，因摩阻加大而发出轰轰的响声，手摸倒虹吸上游斜洞上段有明显振感，其响声和振动强度均较体形1弱，立轴旋涡从产生到消失，周期性重复。右边孔水面也存在一连串不定时顺时针转动的较小立轴旋涡，自右边孔旋转至左边孔，汇入左边孔大旋涡内消失。另外，左右两边有少量水流，从圆弧直墙顶面斜流入喇叭口内，还有极少量水绕过倒虹吸进口，从倒虹吸进口下游的总干渠堤坡逆流而上，倒流入倒虹吸进口内，形成四面进水。进口左右岸均有较大的回流区。

（3）体形3。由于河道扩宽，因此上游来水较为平顺且集中。200 a一遇工况时，在左右边孔均有一个旋涡，左边孔旋涡直径一般为1.75～3.00 m，较体形1减小很多，转速强度减弱，基本听不到旋涡因摩阻而发出明显响声，倒虹吸洞身段有轻微的振动，应引起重视，长期振动会造成倒虹吸管身下沉和渠堤开裂，影响工程安全。右边孔旋涡时而出现，强度有所降低，中间两孔流态较好。50、20 a一遇工况时，左右边孔分别出现一个较小的不稳定的立轴旋涡，其余工况无旋涡。

由于体形3过流能力满足设计要求，流态较好，因此进一步的流速、压力分布、冲刷淤积试验研究均基于体形3进行。

2.3 水流流速

水流出倒虹吸管后，在消力池内形成淹没水跃。因尾水位低，200 a一遇工况在海漫段形成二次水跃，50 a一遇工况在海漫段形成不完全二次水跃，其余工况水流出消力池后比较平顺地进入下游河道。具体流速见表2。

2.4 压力分布

进口段、斜坡段及水平段的测压计显示，在200 a一遇洪水工况下，除进口右边孔出现小于1.36 m的负压水头外，其余各处均未出现负压，按照以往的经验，管道产生气蚀破坏的可能性较小。

2.5 冲刷淤积研究

在体形3基础上，将上、下游的定床改为动床模型。选用1～2 mm、2～3 mm、3～5 mm三种不同粒径的粗沙作为模型沙，填入模型河槽中，然后用10、50、200 a一遇工况对应流量进行冲刷试验。

2.5.1 防冲槽以下冲刷试验

10 a一遇工况当河床粒径为5.0～7.5 cm时，冲坑最深达3.07 m;粒径为7.5～12.5 cm时，最大冲坑深度为1.20 m，左右岸均有不同程度的淤积。50 a一遇工况当原型粒径为5.0～7.5 cm时，左右岸坡脚淤积，冲坑最深达4.94 m;河床粒径为7.5～12.5 cm时，右岸坡脚淤积，淤积厚度1.3～1.8 m，冲坑有所减小，最大深度为3.45 m。200 a一遇工况当河床粒径为5.0～7.5 cm时，下游河道冲刷比较严重，冲坑最深达5.5 m;河床粒径为7.5～12.5 cm时，最大冲坑深度为4.72 m，右岸坡脚处有不同程度的淤积。建议管理单位及时做好水毁修复。

2.5.2 管内沙粒起动流速研究

从倒虹吸管顶部天窗处，把选好的模型沙投入管内，平铺在水平段管内，铺沙厚度2.0 cm，然后关闭天窗和尾门，从模型尾水池徐徐灌水（倒灌），待管内灌满水后，再开启模型进口闸门，向模型放水。对于模型沙粒径1～2 mm，流速为1.19 m/s时沙粒缓慢移动，流速为1.26 m/s时沙粒明显移动;对于模型沙粒径2～3 mm，流速为1.99 m/s时沙粒开始缓慢移动;对于模型沙粒径3～5 mm，流速为2.59 m/s时沙粒缓慢移动，流速为2.79 m/s时沙粒明显移动。

2.5.3 管内淤积试验

封堵三孔留侧边孔进行试验，首先放一股水流，待流量计上、下游水位稳定后，通过加沙设备，把不同比例的泥浆搅拌均匀，加入倒虹吸管内，控制加沙时间为50～150 s，待管内泥浆基本均匀后，在同一时间分别取上、中、下试样沉淀后烘干称重，测定不同流量水中的含沙量。试验研究表明，倒虹吸管内56%～89%的泥沙随水流被带走，见表3（Qm为模型流量，Vm为模型流速，Sλ为含沙量，S浮为悬沙含量）。

3 结语

通过模型试验研究了小庄沟倒虹吸水流运动规律，对设计体形进行了验证，提出了合理的进出口布置体形，满足泄流能力要求。对推荐体形开展了下游河道冲刷和管内沙粒起动流速、管内淤积研究，为工程防护和运行管理提供了理论依据。

参考文献：

[1] 河南省水利科学研究院.南水北调中线工程小庄沟倒虹吸水工模型试验研究报告[R].郑州：河南省水利科学研究院，2006：1.

[2] 赵廷华.南水北调中线河南段左岸排水倒虹吸工程设计[J].南水北调与水利科技，2008，6（4）：24-25.

[3] 苗红昌.南水北调中线左岸排水倒虹吸工程规模选定的影响因素[J].河南水利，1998（2）：3-5.

[4] 周赤，万里巍，何勇，等.南水北调中线工程倒虹吸管道水力学试验研究[J].长江科学院院报，2002，19（增刊1）：8-10.

[5] 王勤香，朱鸿庆.南水北调中线穿河倒虹吸口门位置及尺寸试验[J].水利水电科技进展，2008，28（3）：62-65.

[6] 王勤香，田静.南水北调安阳河倒虹吸行洪口门宽度试验研究[J].黄河水利职业技术学院学报，2008，20（1）：5-7.

[7] 管巧艳，张先忠，李庆亮，等.南水北调沁河倒虹吸动床河工模型试验研究[J].人民黄河，2016，38（9）：96-98.

[8] 冯光伟.南水北调中线沧河倒虹吸长度与行洪口门优化设计[J].南水北调与水利科技，2008，6（4）：10-12.

[9] 王建华.沧河渠道倒虹吸工程行洪口门宽度试验研究[J].南水北调与水利科技，2006，4（5）：20-22.