倒虹吸进水口过渡段内流速横向分布试验研究

2022-05-20王志国田鹏伟段海浪耿庆彬

人民黄河 2022年5期

齐锐，王志国，2，田鹏伟，段海浪，耿庆彬

（1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056038；2.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，河北邯郸 056038；3.南水北调中线干线工程建设管理局河北分局邯郸管理处，河北邯郸 056006）

1 工程背景

近年来国内大型输水工程的建设加快了中大型倒虹吸的发展应用，促进了相关学者对倒虹吸安全运行与优化设计的研究，如李松平等［1］对小庄沟排水倒虹吸工程进行1∶25水工模型试验研究，分析了其过流能力、进出口布置合理性以及管内淤积情况等，提出了保证工程正常运行的优化方案；黄明海等［2］针对排水倒虹吸进口段有2条河沟汇入的情况，采用二维浅水运动数学模型提出了双河沟汇入的进口布置型式的推荐方案；宋天文等［3］针对高水头、长路线倒虹吸管小流量控制问题，经过水工模型试验研究提出了在倒虹吸出水口设置闸门以及闸门后设置突扩体以保证工程安全运行的方案。然而，在倒虹吸进水口前端来水流量较小时容易出现水跃现象，引起进水口过渡段内水面波动与水流紊动加剧，不利于倒虹吸管道运行。目前针对因倒虹吸进水口前端来水流量不同而引起的过渡段内水流流速分布不均匀以及对倒虹吸管道过流能力产生的影响等研究尚不充分。

本文选取西小屯沟排水倒虹吸作为参照，该倒虹吸是穿越南水北调中线总干渠的左岸排水建筑物之一，总干渠与西小屯沟交叉处上游流域面积2.46 km2，左岸排水建筑物的防洪标准为50 a一遇洪水，抗震设防烈度为Ⅶ度。根据总干渠可行性研究阶段已确定的工程等级和建筑物级别，西小屯沟排水倒虹吸的主要部位如管身按Ⅰ级建筑物标准设计，次要部位如进出口挡土墙、进出口翼墙、进出口导墙等按Ⅲ级建筑物标准设计。根据设计标准选取小流量Q=3 L／s和大流量Q=7 L／s作为试验工况，通过改变上游来水流量，实测过渡段内布置的测量断面的垂向流速，明晰过渡段内各断面水流的横向分布特征，探究因来水流量不同而引起的对倒虹吸过流能力的影响。

2 试验布置

试验采取1∶30正态比尺建立倒虹吸模型，模型平面布置见图1。倒虹吸进水口前端的倒梯形明渠长2.30 m、底宽0.40 m、顶宽0.80 m；过渡段长0.32 m；连接河道与过渡段的斜坡段纵坡为0.17，水平投影长度为0.65 m，倒梯形明渠与斜坡段均用混凝土制成且按照要求对糙率进行适当调整；倒虹吸管身段长3.50 m，倒虹吸管为0.10 m×0.10 m的方形双孔，采用无色透明有机玻璃制作；倒虹吸出水口接排水渠。

图1 倒虹吸模型平面布置

采用UVP设备测量流速，采样频率为单探头8 MHz；采用三角堰控制来水流量，倒梯形明渠前端设有稳水装置；倒虹吸出水口设有尾门以控制下游水深，根据各测量断面实际水深不同适当改变水深参数；采用水位测针测量沿程水位。倒虹吸进水口过渡段测量断面布置见图2，其中1∶2为边坡坡比，1∶5.92为斜坡坡比。过渡段内共布置10个测量断面（CS01～CS10），各断面均处于弧形收缩段且等间隔分布，依据各断面宽度适当调整断面测点位置，采用UVP信号采集端按照断面实际水深设定垂向上测点间隔，自渠底1 cm开始采集直至水面，各断面测点数量在400个左右。为保证不同来水流量下倒虹吸处于满管状态，倒虹吸进水口位置处CS10断面的淹没水深接近0 m。为方便后续表述，定义空间直角坐标系：斜坡段与过渡段平坡的交界线中点为坐标原点O；沿水流方向为x轴正方向；垂直于渠道底部向上为y轴正方向；垂直于水流方向向右为z轴正方向。

图2 倒虹吸进水口过渡段测量断面布置

3 试验结果与分析

3.1 过渡段内水流流态分析

图3为不同来水流量下过渡段内的水流流态，可以看出，不同来水流量下进水口前端水流出现不同程度的翻滚现象并伴有大量气泡产生，这是水流由急流过渡到缓流所发生的水跃引起的［4］，其直接改变了过渡段内水流流态。随着来水流量增大，水流向斜坡面移动，水跃引起水流的扰动程度以及翻滚现象均有所改善。

图3 不同来水流量下过渡段内水流流态

3.2 过渡段内水面横向变化

2种来水流量下过渡段内各断面的水面横向变化见图4，其中z=0 cm代表渠道中线，z=10 cm代表渠道左边壁，z=-10 cm代表渠道右边壁，可以看出，2种来水流量下大多数断面的水面横向变化表现为右边壁水面高于左边壁水面。Q=3 L／s时，多数断面的水面线沿横向变化较大，表明过渡段内整体水面波动幅度较大，特别是CS03—CS06断面处存在明显的水流扰动现象且水面线呈非对称分布，CS07—CS10断面处水面波动幅度逐渐减小且水面线逐渐恢复对称分布。各断面水流特征分布不同的原因为水流沿斜坡段流动时势能不断转化为动能，水流动能增加使得经过收缩断面的跃后水流能量耗散。Q=7 L／s时，所有断面的水面线沿横向变化相对较小，表明过渡段内整体水面波动较为平缓，水流扰动强度有所减弱，水面线的非对称分布现象也有所改善。原因是在斜坡段坡度不变的条件下，随着上游来水流量的增大，过渡段内水流会淹没一定长度的斜坡段，临界水跃向淹没水跃转化，倒虹吸进水口前端水跃现象有所减缓，流经斜坡段的水流动能增加量减小，使过渡段内水流紊动强度明显减弱。

图4 不同来水流量下过渡段内水面横向变化

3.3 过渡段内水面沿程变化

分别在z=0 cm、z=±4 cm、z=±8 cm位置处测量过渡段内水深以直观体现过渡段内水面沿程变化，见图5，其中x=-60～0 cm对应斜坡段，x=0～30 cm对应过渡段。可以看出，在斜坡段水面线急剧下跌，经过x=0 cm位置后水面线先升高再下跌，表明不同来水流量下斜坡段和过渡段的衔接处有明显的水跃现象［5］。在x=8 cm处，相较于Q=3 L／s，Q=7 L／s时水面线最高点位置降低，表明在较大流量下水跃高度有所下降，同时来水流量增大时水面线最低点位置即水跃收缩断面位置沿x负半轴出现一定偏移，同样表明临界水跃向淹没水跃转化，使过渡段内的水流紊动现象有所改善。此外，当Q=3 L／s时，在x=0～15 cm范围内，z=4 cm和z=8 cm位置处水面线急剧下跌；当Q=7 L／s时，在x=0～8 cm范围内，z=8 cm位置处水面线也急剧下跌，原因是在靠近渠道左边壁处纵向水流坡度和横向水流坡度的共同作用使水流局部范围内出现一定程度的立轴旋涡。

图5 不同来水流量下过渡段内水面沿程变化

综合分析不同来水流量下过渡段内水面横向变化和沿程变化情况，可知过渡段较短时不足以使强烈的水流紊动现象得以缓冲，在倒虹吸进水口处仍有明显的水流紊动现象，会造成大量掺气水流进入倒虹吸管道内，减小了倒虹吸管道的有效过水断面面积，无法满足倒虹吸的过流设计要求。此外，在较大来水流量下水跃收缩断面位置向x负半轴偏移，能够有效改善过渡段内水流的紊动现象，说明水跃收缩断面位置的相对移动起到了一定有利作用。此外，斜坡段坡比的减小能够实现水跃收缩断面进一步向坡面移动，对过渡段内水流的紊动现象有更好的削弱效果。因此，可推断出连接原河道和倒虹吸进水口过渡段的斜坡段应平缓且长度较长，以避免过渡段内出现较强的水流紊动现象，从而提高倒虹吸的输水效率。

3.4 过渡段内垂向流速沿断面的横向变化

2种来水流量下过渡段内垂向流速沿断面的横向变化见图6、图7，其中CS01—CS07断面处于过渡段弧形收缩段即曲线曲率较小处，CS08—CS10断面处于过渡段平顺段即曲线曲率较大处，可以看出，不同流量下各断面靠近边壁流速大于中线附近流速，且各断面流速沿断面横向呈非对称分布，具体表现为靠近右边壁的流速稍大于靠近左边壁的流速。Q=3 L／s时，将CS01断面作为过渡段弧形收缩段的代表断面，流速在断面横向上的分布跨度较大，这是由于水流经过突然收缩断面时流速加大会形成二次流现象，导致垂向上最大流速出现在水面以下［6］；将CS09断面作为平顺段的代表断面，该断面上流速分布趋于均匀，二次流现象消失，垂向上最大流速位置由水面以下逐渐移动至水面。在Q=7 L／s时，仍将CS01断面作为过渡段弧形收缩段的代表断面，来水流量增大后，水跃发生点向斜坡段移动，流速呈非对称分布，同时受较大来水流量时过渡段内水深增加的影响，弧形收缩段长度相对减小，二次流作用得以迅速减弱；同样CS09断面上除个别位置流速较大外，大部分位置的流速分布比较均匀。

图6 Q=3 L／s时垂向流速沿断面的横向变化

图7 Q=7 L／s时垂向流速沿断面的横向变化

上述结果进一步验证了倒虹吸过渡段内的边壁结构对水流的流速分布影响较大，靠近渠道边壁的水流紊动强度大于渠道中线附近的水流紊动强度。此外，过渡段内垂向流速的非对称分布使得在倒虹吸进水口CS10断面处形成大量的掺气水体，不仅减弱倒虹吸管道的过流能力，而且造成倒虹吸双孔管道动水压力失衡，破坏倒虹吸管道的输水平衡，因此在类似倒虹吸设计中应对倒虹吸上游斜坡段的纵坡合理取值。