深沟大跨度倒虹吸工程中的若干问题(1)程力学(2)

3 倒虹吸管中流态

3.1 恒定流运行时的流态

    倒虹吸管在正常运行状态时，管内呈满流承压状态，水平管承压近500kpa。

但若采用某级流量充水，且维持该水流量运行时，在管内某一部位出现残留的气囊或气泡。如q=4~5m³/s时，在水平管顶部残留有细长气囊；q=7~8m³/s时，在竖管中残留有大量的直径约0.1m~0.03m的气泡,上下飘移，难以排出，。这些气泡或气囊，主要是由于空管充水时残留的气体所形成，两端压力接近时不易排出。而当增大或减小运行流量即打破其平衡时气囊或气泡即消失。因此，当用某级流量充水后，应改变流量，使气泡排出倒虹吸管外再转入正常运行流量。

3.2 空管充水时流态

3.2.1 当大流量充水时

当充水流量大于2/3设计流量时（q＞9m³/s），水流经上90度弯管进入竖管后，渐成散开状下跌，除散开的水股互相撞击外也直接击打管壁，竖管出现严重的振动现象。约50m高差的水流在下90度弯道底部汇集而成高速水流，贴管底部流动，流速达20m/s以上，直至平管末端，当管末端充满水后，满管段逐渐自后向前推移，在满管前部和高速水流相接处出现自下向上平稳上升，上游竖管内由于水股跌落掺进大量空气及充水过程中排出之空气，形成了水气混合体，这样减小了实际过水断面，减小了进入竖管的流量，若前池无控制水位的溢流堰，则水位随之升高，如若用11m³/s流量充管时，则可使涵洞变成压力流。由于前池水位的升高及竖管中空气的排出，逐渐增加了过水能力，当倒虹吸水能力达到上游来水时，前池水位达到最高，之后随着过水能力的增加而前池水位逐渐回落，直至恢复到正常稳定过水状态。

3.2.2 当小流量充水时

当充水流量小于1/3设计流量时（q＜6m³/s），水流入竖管后分散较充分，对管壁冲刷力小，由于充水速度慢，管中空气能随充水过程而由进口和排气孔中排出。因而，前池基本不产生严重雍水现象，对涵洞安全也不必耽心。

3.2.3 当中等流量水时

中等流量（q=6~9m³/s）充水时，流态介于上述二者之间，对倒虹吸管道及前池安全不太有利，同时，在竖管气水混合体，其气泡难以排出。

以上可以看出，空管充水时，必须注意其充水流量的选择，试验证明，充水流量不宜过大，最好采用小于1/3设计流量为宜。为防止明流涵洞出现承压流现象，在前池设限制水位的溢流堰是必要的。同时，为保证管道在正常运行时管内流态稳定，最好在充水完毕后，再改变一下流量以排出管内残留气体。

4 倒虹吸管的水头损失

倒虹吸管中的水头损失对于工程的运行有着很大的影响，如设计时损失考虑过大，则会在运行时前池水位降低，影响其进口流态，若考虑过小，则会在运行时前池水位抬高。通过整体模型试验发现水平管的沿程水头损失与设计考虑值比较接近。设计条件时，误差仅3%，而局部损失则模型中实测值与按手册给出的系数计算值有着较大的差别。现将几个主要部分的局部水头损失与流量的关系绘于图3。图3中也给出经验系数计算值。

                                图3   局部水头与流量关系

由图3看出：（1）模型实测值与经验系数值有一定差别，特别是进口与出口判别较大，流量越小判别越大；（2）由水工设计手册和给排水手册所查得之90度弯头损失系数判别也很大，给排水手册所查值接近于模型实测值；（3）倒虹吸上弯头损失与下弯头损失值有一定差别。上弯头损失大于下弯头损失，说明二者流态有着一定的差别。

5 束语

    (1)对于大跨度、大落差、大流量的倒虹吸管，其结构 与流态都是十分复杂的，尤其是上游为直立竖管的情况更为复杂。因此，在有条件时，尽力避免采用，最好将上游管考虑一定坡度。

    (2)空管充水方式及充水流量对倒虹吸管中流态十分重要，根据试验，当空管充水时，其充水流量不宜过大，最好控制在小于设计流量的1/3为宜。

    (3)前池态对倒虹吸的正常运行有着重要影响。在本工程中，当试验提出加导流板改善池中流态及流速分布的措施，可供有关工程参考。

    (4)各部位的水头损失随结构及管中流态而有所不同，在选择其经验系数时应十分注意，重要工程最好通过模型试验确定为好。

    (5)鉴于大型倒虹工程的地形地质条件及水力学条件的复杂性,其工程结构的布置设计都有其本身的特点。为保证工程做到经济合理可靠的目的,最好能通过水工模型试验加以论证及优化。

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