基于虹吸原理流量自調(diào)節(jié)無圍堰施工導流的方法

羅亞軍，陳萬波，朱殿芳，郭志學，范鐘軼，李潤祥

(1.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.江西贛能股份有限公司，江西 南昌 33009；3.成都市政工程設(shè)計研究院，四川 成都 610065)

虹吸是一種常見的水力學現(xiàn)象，在水利工程中應用廣泛。尤明慶等對實現(xiàn)虹吸的條件進行了探討，提出了虹吸管最高點壓力小于液面壓力是虹吸現(xiàn)象發(fā)生的必要條件[1]；李紅艷對倒虹吸工程進行了桿端彎矩和桿端剪力的計算[2]；許史等對長距離虹吸管輸水影響因素進行了水力學模型試驗，認為工程中盡量降低虹吸管的安裝高度，以減小管內(nèi)水流汽化[3]；南水北調(diào)工程中存在大量倒虹吸工程，王海周等以賈魯河倒虹吸工程為例，探討了全段圍堰法和分期分段圍堰法兩種導流方案的特點[4]；虹吸還被應用到小型水庫除險加固中，張健等首次提出將虹吸管應用在小型水庫除險加固中的導流，其方法是利用虹吸管將水抽出水庫，取代小型水庫中的壩下涵管輸水[5]；田云坤以內(nèi)蒙古多倫縣的二號水庫除險加固工程為例，給出了虹吸管導流取代小型水庫的壩下涵管施工導流的具體方案[6]。

在河道上施工時，常常通過修筑圍堰來制造施工所需的干地條件，工程竣工之后，再將圍堰拆除。在圍堰填筑過程中，部分填筑物進入水體，對河道水質(zhì)產(chǎn)生不利影響；竣工之后，清理修筑圍堰的材料，需要耗費大量的人力、財力，且對兩岸人居環(huán)境造成不利影響，若清理不凈，給汛期河道行洪埋下隱患。施工圍堰修筑的工程投資一般較高，工期也較長，往往成為限制施工方案獲準的原因之一。

文章針對存在擋水建筑物(如閘、橡膠壩等)的河段，將虹吸原理應用在施工導流上，提出了一種利用虹吸原理進行流量自調(diào)節(jié)施工導流的方法。

1 虹吸式流量自調(diào)節(jié)施工導流管設(shè)計

在擋水建筑物位置處設(shè)置硬質(zhì)倒虹吸管，形態(tài)與擋水建筑物的縱剖面一致，硬質(zhì)虹吸管將擋水建筑物的上下游連通。在擋水建筑物下游水面上鋪設(shè)輸水軟管，硬質(zhì)倒虹吸管末端通過密封閥連接輸水軟管，輸水軟管末端采用出水彎管銜接，出水彎管的出水口朝上，形成U形聯(lián)通出水管。輸水軟管鋪設(shè)到施工區(qū)下游一定長度，保證施工期本河段發(fā)生最大洪水時，水流回水末端無法到達施工區(qū)。硬質(zhì)虹吸管、輸水軟管和出水彎管，三個部分共同構(gòu)成虹吸式施工導流管，如圖1所示。

圖1 虹吸式施工導流管剖面圖

設(shè)計的虹吸導流管的主要創(chuàng)新性包括以下幾個方面。

(1)尾段U形出口設(shè)計：尾端增加出水U形彎管，可以維持整個導流管的持續(xù)充水狀態(tài)，避免在不過流的情況下，氣體從尾端進入導流管，破壞工作條件。一旦上游繼續(xù)來流，導流管即可連續(xù)過流，無須再次對硬質(zhì)虹吸管抽真空，二次引流。

(2)U形出水管出口高程控制：若出口彎管的出口高程低于硬質(zhì)倒虹入口高程，上游水位不斷降低，直至倒虹吸入口脫離水面，使得氣體從入口進入導流管，破壞導流條件。為保證入口始終在水下，出口彎管的出口高程設(shè)計高于硬質(zhì)倒虹入口高程。

(3)材質(zhì)選擇：采用兩端硬質(zhì)管道制造連續(xù)過流的工作條件，中段采用軟管輸水，既可更好地適應地形條件，又可以節(jié)省成本，靈活安裝。

2 工作原理和過程

2.1 虹吸式施工導流管工作原理

由于擋水建筑物上游水位壅高，與下游河道河床存在高差，為虹吸管工作創(chuàng)造了條件。將出口高程低于上游水位的硬質(zhì)虹吸管內(nèi)空氣排除，上游來流將會進入硬質(zhì)管道并升至管道最高點，而后在水體重力的作用下，流到擋水建筑物下游的比上游水面更低的地方(即虹吸現(xiàn)象)，實現(xiàn)水流經(jīng)由管道翻越擋水建筑物。水流通過輸水軟管輸送至足夠遠的下游，河道具有坡降，可以保證施工期河段發(fā)生最大洪水時，水流回水末端無法到達施工區(qū)，即隔離出了施工所需的干燥區(qū)域，實現(xiàn)施工導流。

2.2 虹吸式施工導流管工作過程

首先將密封閥封閉，在排氣孔處抽取硬質(zhì)虹吸管里面的空氣，使硬質(zhì)虹吸管的壓強逐漸小于上游水面壓強(通常為大氣壓強)，形成壓差。上游來水逐漸充滿硬質(zhì)虹吸管，并通過虹吸管翻越擋水建筑物。然后打開密閉閥，由于擋水建筑物上下游之間存在水位差，水流會通過輸水軟管流至下游。當導流管過流量大于上游來流量時，擋水建筑物表面將逐漸停止翻水，即上游來水均由導流管輸送至足夠遠的下游，緊鄰擋水建筑物的下游河道停止過流，從而制造施工所需要的干燥條件，即形成干燥施工區(qū)，達到類似圍堰擋水的效果。

2.3 流量自調(diào)節(jié)的實現(xiàn)

虹吸管安裝之后，影響虹吸管輸水能力的只有上下游水位差。

當水位處于最高限制水位時，虹吸管輸水流量達到最大，虹吸管設(shè)計最大輸水流量大于河段施工期最大洪水流量，因此，泄流量大于來流量，上游水位逐漸下降，輸水流量降低，直至與來流量相等，上游水位維持不變。

當水位處于最低消落水位時，虹吸管輸水流量達到最小，即處于不過流的狀態(tài)。此時若上游有來水，上游水位抬升，虹吸管輸水流量增大，直至與來流量相等，上游水位維持不變。虹吸管輸水能力可根據(jù)擋水建筑物上下游水位差自動調(diào)節(jié)變化，與上游來流量相適應。上游水位在最低消落水位與最高限制水位之間變動。只要虹吸管設(shè)計最大輸水流量大于施工期可能的最大洪水流量，即可保證施工安全。

3 虹吸式施工導流管水力計算以及安裝參數(shù)的確定

為確保虹吸式流量自調(diào)節(jié)施工導流管按照設(shè)計正常運行，需確定輸水軟管長度、虹吸式施工導流管的進出口高程，以及硬質(zhì)虹吸管的安裝高程、虹吸導流管數(shù)量等參數(shù)。

3.1 確定輸水軟管的長度l2

確定輸水軟管長度用于確定管道沿程水頭損失，從而計算單根管道輸水能力，確定導流管數(shù)量。

擋水建筑物上游的來流全部通過虹吸式施工導流管流入下游，因此導流管的總過流能力Q1必須不小于施工期設(shè)計標準洪水流量Qmax。當二者相等時，計算出水彎管出水口處對應的河道最高水位H2max。按照水平回水原則，根據(jù)河道比降確定最大回水長度Lmax，輸水軟管須跨越施工干燥區(qū)與回水區(qū)，兩者長度之和為輸水軟管長度l2。

3.2 確定虹吸式施工導流管的進口高程H3

為避免擋水建筑物上游河道水位過低，定義一個最低消落水位H1min，H1min由U形管出口高程H4控制。為確保虹吸管進水口在上游水面以下，且避免漂浮雜物進入管道，進口高程H3應低于最低消落水位H1min一個高度h，h通常取為(0.2～0.3)d。

3.3 確定虹吸式施工導流管的出口高程H4

為了維持擋水建筑物前水位不低于最低消落水位H1min，并充分利用上下游水頭差，將虹吸式施工導流管的出口高程H4確定為H1min，即H4=H1min，此時H4亦滿足大于H3的條件。

3.4 虹吸式施工導流管的安裝高程HA

(1)

(2)

(3)

當H1=H1max時，計算得出虹吸式施工導流管的最大安裝高程HAmax，即

(4)

式中，H1max—擋水建筑物前允許的最高水位，m；H1max=H頂部-ΔH，H頂部為擋水建筑物頂部的高程，m；ΔH—擋水建筑物的安全超高，m；μa—虹吸式施工導流管的進口到第二彎頭的進口端的流量系數(shù)；μ—整根虹吸式施工導流管的流量系數(shù)，μ的計算方式與虹吸式施工導流管的出流方式有關(guān)。

當虹吸式施工導流管的出口高程H4≥H2max時，為自由出流，此時μ的計算式如下所示：

(5)

當虹吸式施工導流管的出口高程H4

(6)

式中，μ1—虹吸式施工導流管自由出流時的流量系數(shù)；μ2—虹吸式施工導流管淹沒出流時的流量系數(shù)；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4、ξ5、ξ6、ξ7—虹吸式施工導流管系統(tǒng)中的局部損失系數(shù)；l1、l2—硬質(zhì)虹吸管和輸水軟管的長度，m；λ1、λ2—虹吸式施工導流管的硬質(zhì)管和輸水軟管的沿程阻力系數(shù)。

作為安裝的必要條件，虹吸式施工導流管的安裝高程應高于或等于擋水建筑物高程，即滿足式HA≥H頂部。

虹吸式施工導流管的安裝高程應同時滿足上述條件，因而虹吸式施工導流管的安裝高程HA的范圍可表達為

(7)

3.5 虹吸式施工導流管的安裝數(shù)量

當出流方式為自由出流時，發(fā)生虹吸現(xiàn)象后，利用伯努利方程建立擋水建筑物前水面與單根虹吸式施工導流管的出水口水面的關(guān)系，忽略擋水建筑物前的行進流速，如下所示：

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則單根虹吸式施工導流管的過流能力Qs為

(9)

當出流方式為淹沒出流時，單根虹吸式施工導流管的過流能力Qs為

(10)

當H4=H1min，H1=H1max時，單根虹吸式施工導流管的過流能力最大，為Qsmax，據(jù)此計算虹吸式施工導流管的必要安裝數(shù)量m。

(11)

(12)

式中，Qmax—施工期設(shè)計標準洪水流量，m3/s；Qsmax—單根虹吸式施工導流管的最大過流能力，m3/s。

虹吸式施工導流管的實際安裝數(shù)量M大于等于m。

4 實際工況下案例分析計算

該方法適用于施工區(qū)上游存在擋水建筑物的河道，下面以成都市府河九眼橋河段施工為實例，展示虹吸導流管參數(shù)確定的完整過程。

4.1 工況概述

成都九眼橋河段寬80m，河道比降為0.8‰，河道糙率為0.025。該河段有一橡膠壩，橡膠壩壩高3m，橡膠壩下游300m處擬修建一座小型橋梁。按照分期洪水計算，本河段施工期5年一遇設(shè)計流量為45m3/s。選擇管徑為2000mm的虹吸管，對安裝參數(shù)進行計算。

4.2 確定輸水軟管長度

施工期5年一遇設(shè)計流量為45m3/s，據(jù)此試算出水彎管的出水口處對應的河道最高水位H2max=0.66m；最大回水長度Lmax=825m。

施工區(qū)距離橡膠壩300m，本次預留50m施工活動區(qū)，則目標干燥施工區(qū)長度為L0=350m，干燥施工區(qū)的長度可根據(jù)實際施工需要確定，輸水軟管長度l2=L0+Lmax=1175m。

4.3 確定特征高程

有關(guān)高程的數(shù)據(jù)，均以出水彎管出口對應的河床面為基準面，結(jié)合河道比降、輸水軟管的長度，計算出壩底高程H壩底=0.94m；壩頂高程H壩頂=3.94m。

H1min為橡膠壩前最低消落水位，橡膠壩壩基高度一般為0.4m左右。本次工況下最低消落水位取高于壩底0.5m為宜，計算得H1min=1.44m。

H1max為橡膠壩前允許的最高水位，安全超高一般為0.1～0.2m。本次取0.1m，即低于壩頂0.1m，H1max=3.84m。

4.4 確定虹吸式施工導流管的進出口高程

虹吸式施工導流管的進口高程H3應低于橡膠壩前最低消落水位H1min一個高度h，本次取h=0.2d=0.4m，計算得出H3=H1min-h=1.04m。

為了維持橡膠壩前水位不低于最低消落水位H1min，且充分利用上下游水頭差，虹吸式施工導流管的出口高程確定為H1min，即H4=H1min=1.44m。

4.5 確定虹吸式施工導流管的安裝高程

作為虹吸式施工導流管正常工作的必要條件，虹吸式施工導流管內(nèi)的真空度不大于最大允許真空值hv，取最大允許真空值hv=7m，計算得出虹吸式施工導流管的最大安裝高程HAmax=7.97m。

作為安裝的必要條件，虹吸式施工導流管的安裝高程應高于橡膠壩壩頂高程，即H壩頂≤HA。

綜合得出：3.94m ≤HA≤ 7.97m。

4.6 確定虹吸式施工導流管的必要安裝數(shù)量

硬質(zhì)出水彎管的出水口朝上且出口高程H4=H1min=1.44m，高于下游水位，因此虹吸式施工導流管的出流為自由出流。當H1=H1max=3.84m，上游水面與出水彎管出口高程差最大，單根虹吸式施工導流管的最大過流能力Qs=6.3m3/s，據(jù)此計算出必要安裝數(shù)量m=8，即至少安裝8根管道內(nèi)徑為2m的虹吸管可滿足泄流需求。此時，管道占據(jù)斷面總寬度16m，河寬為80m，僅占河寬的20%，方案合理。

5 結(jié)語與展望

(1)文章提出的流量自調(diào)節(jié)虹吸式施工導流方法，適合施工區(qū)上游存在擋水建筑物的河段，相較傳統(tǒng)圍堰導流方法，具有節(jié)約成本、更加環(huán)保、對河道行洪安全隱患更小等優(yōu)點，具有實用價值與應用前景。

(2)文章對方法中設(shè)計到的水力要素進行了計算，并且給出了導流管安裝高度、進出口高程、虹吸管數(shù)量等的推導過程，均給出了取值范圍，具有參考價值。