深沟大跨度倒虹吸工程中的若干问题(1)程力学

摘要：流量大、深沟大跨度的倒虹吸工程在丘陵山区长距离输水工程中经常出现。此类工程水力学问题很复杂，不可忽视。本文主要反映引黄工程中北干渠源子河1#倒虹吸水力学试验中出现的一些主要问题以及处理措施。其中（1）倒虹吸口前池的水流波动及稳定措施；（2）倒虹吸空管时不同充水流量的流态及其安全措施；（3）倒虹吸管的水头损失。

关键词：倒虹吸工程 水力学问题 水工模型试验

1 概述

    丘陵山区长距离输水工程中，跨沟跨河的渡槽或倒虹吸工程是相当多的。对于流量大、深沟大跨度的倒工吸工程，有些水力学问题很复杂，也不可忽视。引黄入晋工程中北干渠源子河1^#倒虹吸工程就是一例。

　　该工程设计过水能力q=16m³/s，管径φ=2.6m，进口前池与宽2.8m、高3.7m的门洞式涵洞相连接，出口经消力池后接2.8m×3m的埋涵。倒虹吸全长330m，进口轴线高程1125.31m，出口断面轴线高程1124.133m，平管底高程1079.5m，底坡i=1/550。如图1。倒虹吸采用预制钢筋混凝土管，糙率取n=0.014。

                              图1  源子河1^#倒虹吸工程布置图

由于该工程跨度大，且充水时最大水头近50m，问题进行了长度比尺为l_y=21.4的整体正态水工模型试验。通过试验对设计运行中的有关水力学问题进行了研究与改进。

2 进口前池中的水力学问题

倒虹吸进口要求水流稳定，流速分布均匀，一般要设前池。对于大型工程更是必要的。

2.1 原方案及存在问题

由于前池扩散段底坡比较陡，i=0.533，涵洞出口流速比较大（v=2m/s），故在前池入口陡坡上水流发生与底板分离现象，表层流速大，底部流速小，且近底处为负流速，负值最大达0.66m/s。由于表层流速大，至倒虹吸进口处，水流受胸墙阻挡，引起了前池水面波动及侧向回流，流量越大、波动越大，当流量q=9~15m³/s时，波高达0.3m以上。两侧形成连通立轴漩涡，直径约0.5m，前池流速分布如图2（1）所示。

                                       图2  前池流速分布图

由于前池中水流波动，流态不稳定，引起倒虹吸及其出口消力池中水流也不稳定。为此，进行了修改及消波处理。

2.2 修改方案

为改善前池中流速分布，减少倒虹吸管进气及水面波动，将前池长度由6m增加至10m，池与管口底改为1：1斜坡。

试验表明 ，前池底部负流速有所减少，但流速分布仍是主流在上部，水面波动及漩涡情况改善不大。

为调整流速分布，改善流态，在前池进口扩散段近水面高度位置加二层整流板，迫使主流下移。如图2（2）。修改后断面流速垂线分布有了很大改善，主流下潜，消除了池底及胸墙处的负流速，水面波动明显减小，在过设计流量时（q=15m³/s），水面波高减小到0.1m以下，水面平稳，漩涡消失，出口消力池中流态也得到了改善。

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