某排洪倒虹吸淤堵規(guī)律研究

劉克浩，田鵬偉，齊 銳，郭 爽

(河北工程大學 水電學院，河北 邯鄲 056000)

1 概 述

某排洪倒虹吸的淤積，主要發(fā)生在降雨強度較大的夏季，汛期易發(fā)生時段。洞內淤積量的多少取決于上游來沙量，上游來沙越多，洞內淤積越嚴重；相反，來沙少，洞內淤積不影響倒虹吸正常排洪輸沙。此地來水量主要是地面徑流，近些年平均降雨量增大，常以暴雨形式出現(xiàn)。上游岸坡植被稀疏，加上雨季降水強度大，導致水土流失嚴重，水流攜帶大量泥沙匯入到倒虹吸入口，形成泥沙水流，從而進入管內。上游水流含沙量的大小，也是造成淤積的重要因素[1]。

目前，對排洪倒虹吸整體管內部泥沙運動情況研究較少。本文通過物理模型試驗，探討排洪倒虹吸在不同水流條件下，管內泥沙運動與沖淤變化規(guī)律。

2 模型設計

本物理模型實驗遵循重力相似準則(弗勞德準則)設計模型。考慮幾何比尺、流量比尺、時間比尺、流速比尺、糙率比尺。還需要滿足起動相似、懸移相似、挾沙相似，主要控制比尺泥沙粒徑比尺。結合試驗場地選擇合適比尺，采用整體正態(tài)模型，進行模型實驗[2]。模型比尺為1∶30，相應比尺見表1。

表1 模型主要比尺

根據(jù)糙率比尺，計算出模型糙率為0.007 6。為此選擇糙率相近，便于觀察管內運動情況的有機玻璃作為管身段模型材料。模型倒虹吸進出口采用水泥砂漿抹面。

天然沙的比重為2.65 t/m3,在物理模型實驗中，需要選用輕質沙(γs<2.65 t/m3)為模型沙，為此本模型采用黃色的塑料沙做為模型沙。塑料沙為圓球狀，表面光滑，能較好地復演泥沙沖淤變化，是一種很好的模型沙材料[3]。

為探討倒虹吸的淤堵規(guī)律，首先在模型大廳對倒虹吸的校核與設計水流條件進行預實驗。試驗結束后，并沒有發(fā)現(xiàn)在倒虹吸內部有塑料沙的存在，只看到幾個零星的沙粒在進口端。因此對于這兩個流量下的淤堵問題不再進一步研究，可以得出這兩個流量下倒虹吸不會發(fā)生淤積問題。為此通過調整流量級別和查閱相關資料，將流量調小進行試驗研究。

通過以上試驗得出的結論，將模型倒虹吸的流量調到原型10年一遇及以下流量級別，試驗工況見表2。

表2 試驗工況

3 試驗分析

3.1 清水無沙管內流速對比分析

首先將清水測得的試驗結果進行對比分析，對于管內的流速分布情況進行初步的了解，見圖1、圖2。

圖1 工況一模型倒虹吸管內流速分布

圖2 工況五模型倒虹吸管內流速分布

圖1和圖2是工況一和工況五清水無沙時，模型倒虹吸左右兩管整體的流速分布。模型倒虹吸整體流速呈對稱分布，隨著流量的增加，管內的流速也在增大。倒虹吸在進水口斜面底端到中間管段流速情況來看，速度由大減小。從等值線分布來看，中間水平段流速相對進水口斜面段波動較小。由于這幾種工況的流量不是很大，不能使模型倒虹吸的斜面完全充滿水，而且在進水口斜面產生水流翻滾，無法測得較為準確的斷面流速，為此對于管內斷面1整個的流速無法進行測量，只是測得一個較近的進水口流速作為中間流速。為此取各斷面中間流速進行比較，以右管為例，見圖3。

圖3 不同工況清水時流速變化分布圖

圖3為調整后流量在清水時模型倒虹吸順水流方向各斷面中間流速的變化圖，以右管為例。對于工況一到工況五，流速整體隨著流量的增大也在跟著增大，并且對于斷面9之前也就是進水口斜管段上的各斷面中間流速有逐漸減小的趨勢。按照能量守恒定律，斜面底端的流速應該增大。為此分析流速減小是由于折彎處水流受中間段滿管水流的緩沖影響，使得此處的流速變小。斷面9到斷面13，流速又開始增加，很好的說明折彎及中間管段的滿水水流對斜面底部流速有一定的影響。順水流方向向下，斷面13到斷面21這部分流速由大減小，符合能量守恒定律，對于接近出水口流速的斷面還受到后面排水渠道水位頂托的影響，也使得出水口流速變小。

上述出現(xiàn)流速減小的現(xiàn)象可能就是倒虹吸發(fā)生淤積的原因。初步認定在斜面的底端可能是易于產生淤積的位置，出水口的斜面底端也是易于發(fā)生淤積的地方，主要是因為出水口流速的減小，使得底端不斷地淤積，在后期投沙試驗中將繼續(xù)驗證這個問題。

3.2 不同工況下倒虹吸試驗結果分析

投沙實驗是本試驗研究泥沙淤積的重點，也是為了驗證倒虹吸在小流量、大含沙量的情況下是否發(fā)生大面積的淤積，分析在這種條件下倒虹吸的排洪能力。通過倒虹吸管內流速的變化、淤積深度的變化、進出口水位變化進行分析倒虹吸的過流能力。見圖4。

圖4 不同工況渾水時流速分布變化圖

圖4為工況一到工況五在模型倒虹吸投沙情況下沿順水流方向，各斷面管內的中間流速變化圖。從圖4中大致可以看出，此時的流速要比清水時管內的流速要有所增加，流速變大。從倒虹吸進水口位置流速到斜面底部中間管段流速，表現(xiàn)為由大變小的規(guī)律性變化。出現(xiàn)這種結果跟前面清水時測量的結果現(xiàn)象一致，都是在斜面底部流速變小。主要還是由于在小流量泄流時，水流首先充滿中間管段，而后才能從出口排出，由于中間段過流斷面增大，使得流速減小。而斷面13的流速要比斷面9的流速略微增大，主要是由于此時塑料沙已經在管內前面有少量的淤積，使得斷面13前的過流斷面積減小，流速增加。對于斷面17和斷面21流速有所下降，主要是由于在出水口段斜面上水流能量的減小及下游排水渠道水位調控的影響。

總的來看，在整個倒虹吸模型上的流速分布呈現(xiàn)進水口到斜面底部流速減小，中間流速向后略有增加，到出口段的流速也是由大變小的規(guī)律。這種流速的變化現(xiàn)象使得塑料沙易于淤積在倒虹吸的折彎處及中間管段，這些位置由于流速小，使得管內的挾沙能力與推移力都相對減弱。見圖5、圖6。

圖5 工況一模型倒虹吸管內淤積深度

圖6 工況五模型倒虹吸管內淤積深度

從圖5可以看出淤積比較嚴重，在折彎處最厚深度達到9.5 cm，已經使管內淤滿。折彎處的淤積深度相對較厚，中間段淤積相對于另外兩者來說，中間段的水流更加趨于平穩(wěn)，波動不大，再加上洪水歷時時間短，不會攜帶更多的泥沙出去，造成淤積。這證實了此處流速變小，造成淤積增加。對于工況七(表3)，管內的塑料整體淤積量減少，進水口段淤積量范圍減小的較明顯，折彎處出現(xiàn)淤積量明顯較大，其他部位隨著水流輸移到下游，管內存留較少。通過對比分析可以說明，在小流量、大含沙量的情況下，管內淤積隨著流量的減小，淤積深度增加，這是倒虹吸發(fā)生淤積的條件。

表3 不同工況進水口水深變化

根據(jù)表3可以看出，工況三到工況七模型倒虹吸進水口的水深在不斷地減小，也說明倒虹吸受含沙量及來流量的影響，使得倒虹吸管內有效過水斷面減小，倒虹吸管上游水位壅高現(xiàn)象明顯。

根據(jù)表4可以看出，倒虹吸斷面CS5、折彎處及CS9在不同工況下管內淤積量的變化。在上游來流量最小的工況一，與其他幾個工況對比的情況下，折彎處的淤積深度明顯較大，已達到近乎滿管的位置。從其他幾個工況也能看出，折彎處的淤積深度要高于其他兩個的斷面，這也證實了倒虹吸發(fā)生淤積的位置在折彎處。而對于CS9斷面淤積深度要比CS5斷面的深度大，但小于折彎處，說明中間管段也易于淤積。通過前面的流速表明，此段的過流斷面面積增大，流速減小，挾沙能力減小。

表4 斷面淤積量變化

4 結 論

總的來說，倒虹吸管內的淤積受來流量、含沙量的影響，管內流速、淤積深度變化不同。但通過對不同工況的試驗結果分析，倒虹吸受折彎處及中間管段流速減小的影響，在這兩個位置易于發(fā)生管內的淤積。而出水口斜面折彎處的淤積主要與出水口流速減小有關。