流量和含沙量对渠道倒虹吸管内泥沙淤积影响的试验研究

2022-07-28马静

吉林水利 2022年6期

马静

（朝阳县凌河保护区管理局辽宁省朝阳市朝阳县122629）

1 引言

调水是解决水资源时空分布不均的有效途径，可以充分发挥有限水资源的作用和价值。在实际的调水应用过程中，输水渠道往往需要摆脱一些河道、交通设施等因素的阻碍。为了解决这一问题，就需要采用水工建筑物组合运用的方式予以解决，实现调水的目标。其中，倒虹吸是长距离输水过程中穿越沟壑、河道、道路等障碍物的常用手段。作为一种压力输水建筑物，倒虹吸的优势在于工程期短，施工进行方便，其劣势在于管内压力水头损失较大，后期的清淤、维修和管理都不方便[1]。在高含沙输水渠道中，倒虹吸的淤积问题十分明显。针对这一问题，学界进行了广泛而深入的研究。王剑楠通过对某倒虹吸工程河工模型试验研究，分析了倒虹吸工程的可行性及工程下游泥沙的冲淤变化，需采取必要的防淤防冲措施[2]。刘亚辉等人分析了竖井式倒虹吸的输沙特性，表明水平管是限制输沙能力的关键断面[3]。刘金胜通过研究指出倒虹吸洞内的淤积量的多少，与上游下垫面、气候条件有关[4]。总体来看，目前对于倒虹吸研究，工程修建前采用物理模型进行研究居多，对于工程修建后大多采用数值模拟进行研究，而物理模型使用较少。同时，针对流量和含沙量对渠道倒虹吸管内泥沙淤积影响的研究不多。基于此，利用模型试验方式探讨流量和含沙量对倒虹吸管内泥沙淤积影响的研究，可以为相关工程的设计建设和运行管理提供必要的支持和借鉴。

1 工程背景

建平县白山灌区渠系改造穿越小叶线倒虹吸工程位于白山乡境内，主要由进口段、闸室段、冻深段、出口段等四部分组成。工程等级为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。在工程设计建设过程中按照设计流量进行设计，按照加大流量进行校核。本交叉建筑物按照20年一遇洪水标准设计，50年一遇洪水标准校核。倒虹吸管总长84m，管身为双孔一联结构，单孔尺寸为1.8m×1.8m。倒虹吸工程的设计流量为2.08m3/s；加大流量为2.73m3/s；进口水位为285.46m，出口水位为285.36m。

2 试验设计

2.1 模型的设计和制作

虹吸管属于有眼管流，其主要作用力为重力和粘滞力[5]。因此，在试验模型设计的过程中，应该按照重力相似准则和粘滞力相似准则进行设计。受到场地和材料等因素的影响，模型的几何比尺为1:40，这就需要液体粘滞系数为水的1/253，显然不可能实现[6]。根据相关研究成果，管内液体的流态为紊流阻力平方区时，阻力相似并不需要雷诺数相同，也就是不需要考虑粘滞力相似，因此仅考虑重力相似准则进行模型设计即可[7]。基于此，模型在1:40的几何比尺基础上，确定流量比尺为10 119.29；流速比尺为6.32；时间比尺为6.32；糙率比尺为1.85。

模型由上游水箱、管路和下游水箱组成。倒虹吸管道采用有机玻璃制作，以保证和原型管道糙率的相似性。模型的其余部位通过水平和垂直比尺确定大小，然后利用砖块垒墙，模板刮平，水泥砂浆抹面。为了保证上下游水箱中水位的恒定，在水箱中设置一道活动溢流堰，实现对水位的快速调节。试验仪器主要有水泵、水桶、秒表和台秤。

在水沙模型试验过程中，模型沙是影响试验结果科学性和有效性的重要因素[9]。塑料沙具有化学性质稳定、无毒、不溶于水、不吸水、无粘性、重量轻、活动性好等诸多优势，已广泛应用于水沙模型试验。结合相关文献资料和实际经验，此次试验研究选择比天然沙比重轻的塑料沙作为模型沙。

2.2 试验方法

试验中利用测针测量相对高度，实现对试验过程中的水位量测。在试验过程中，首先在上、下游量水堰上的某一个固定位置，读出测针读数，再由水准仪器测量出固定位置的高差，然后在根据试验中上下游水位的测针读数，计算出上、下游的水位差。试验中采用钢尺测量不同测点部位的泥沙淤积深度。

2.3 试验方案

在试验方案设计过程中，考虑到倒虹吸工程的日常运用情况，设置小流量、设计流量和加大流量三种不同的工况，其流量分别对应1.5L/s、4.0L/s、5.3L/s，设计10kg/m3、20kg/m3、30kg/m3三种不同的含沙量进行试验。在试验中按照与进水口等距的方式设置12个测点，测量不同流量工况下典型断面位置的淤积特征参数。根据试验数据，探讨和分析含沙量对倒虹吸工程淤积特征的影响。

3 试验结果与分析

3.1 小流量工况

对小流量工况下各个断面和测点的部位的泥沙淤积深度进行测量，数据如表1所示。由表中的结果可以看出，在小流量运行工况下，不同测点的淤积深度会随着含沙量的增加而增加。在含沙量为10kg/m3的条件下，管内的淤积量并不大，大部分测点的淤积深度为2cm以下，只有管身进口段的折弯部位淤积情况比较明显，淤积深度在2.5cm左右，虹吸管的中间水平段淤积深度1.4cm至1.9cm之间，出口折弯部位的淤积深度相较于进口折弯部位明显偏小，为1.8cm左右。由此可见，这种情况下管内淤积情况并不严重，不会对其功能发挥造成明显影响。在含沙量为20kg/m3的条件下，管内的淤积深度明显增加，进水口折弯部位的淤积深度5.3cm左右，水平段的淤积深度为3.3cm至4.2cm左右，出口折弯部位的淤积深度为4.5cm左右。管内部分部位的淤积深度较大，对过流面积产生了比较明显的影响，特别是在上游的折弯部位，由于淤积比较明显，流速的分布受到严重影响，可能发生倒虹吸的淤堵。在含沙量30kg/m3的条件下，管内的淤积深度进一步增加，进水口折弯处的最大淤堵深度达到了9.2cm已经超过该部位管深的一半。由此可见，当水流含沙量较大时，虹吸管不足以将模型沙向下游输送，会大量淤积在倒虹吸管内。如果继续试验，势必会造成倒虹吸管内全面淤堵，进而诱发进水口部位的水流漫溢，不仅会浪费水资源，也会对周边群众的生产生活造成不利影响。

表1 小流量工况泥沙淤积深度试验数据

3.2 设计流量工况

设计流量工况下各个断面和测点部位的泥沙淤积深度如表2所示。由表中的结果可以看出，在设计流量运行工况下，不同测点的淤积深度会随着含沙量的增加而增加。在含沙量为10kg/m3的条件下，管内的淤积量较小，除了管身折弯等个别部位的部位淤积深度在1.0cm以上之外，其余部位的淤积深度均在1.0cm以下，不会对倒虹吸结构的功能发挥造成明显影响。在含沙量为20kg/m3的条件下，管内的淤积深度有明显增加，进水口折弯部位的淤积深度2.5cm左右，水平段的淤积深度为1.5cm至1.9cm左右，出口折弯部位的淤积深度为2.1cm左右。虽然淤积深度有了明显增加，但是最大深度不足管深的1/6，不会造成十分明显的影响。在含沙量30kg/m3的条件下，管内的淤积深度进一步增加，进水口折弯处的最大淤堵深度达到了4.1cm，已经接近管深的1/3，对过流面积产生了比较明显的影响。特别是在上游的折弯部位，由于淤积比较明显，流速的分布受到严重影响，可能发生倒虹吸的淤堵。

表2 设计流量工况泥沙淤积深度试验数据

3.3 加大流量工况

对加大流量工况下泥沙淤积深度如表3所示。由表中的结果可以看出，不同测点的淤积深度会随着含沙量的增加而增加。但是，由于加大流量，管内的流速较大，因此对泥沙的输送作用明显增强，因此管内泥沙的淤积情况相对较轻，同时，受到水流冲刷作用的影响，泥沙的淤积主要出现在出口转折部位，在含沙量30kg/m3情况下，该部位的最大淤积深度为2.1cm，进口转折部位虽然也有淤积，但是深度并不大。整体来看，在加大流量工况下，倒虹吸管内的淤积作用并不会对其输水功能和过流能力造成比较明显的影响。