南水北調(diào)中線小莊溝倒虹吸流態(tài)優(yōu)化和沖刷試驗(yàn)

李松平 趙玉良 何芳嬋 趙雪萍 王建華 袁群

摘 要：南水北調(diào)中線總干渠左岸排水倒虹吸眾多，倒虹吸布置合理與否直接關(guān)系左岸防洪和總干渠安全。為驗(yàn)證小莊溝倒虹吸布置的合理性，采用1∶25的正態(tài)模型，系統(tǒng)研究了倒虹吸的過(guò)流能力、進(jìn)出口布置合理性、管內(nèi)淤積情況等。通過(guò)對(duì)進(jìn)出口體形的優(yōu)化修改，有效規(guī)避了四面進(jìn)流不利流態(tài)，減少了進(jìn)口旋渦，減輕了下游沖刷，大大提升了倒虹吸的過(guò)流能力，解決了左岸防洪問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：倒虹吸;水工模型;沖刷淤積;小莊溝;南水北調(diào)中線

中圖分類號(hào)：TV131.61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.024

引用格式：李松平，趙玉良，何芳嬋，等.南水北調(diào)中線小莊溝倒虹吸流態(tài)優(yōu)化和沖刷試驗(yàn)[J].人民黃河，2021，43（4）：131-133，146.

Abstract： There are many inverted siphons on the left bank of the main canal in the Middle Route of South to North Water Transfer Project. Whether the arrangement of inverted siphons is reasonable or not is directly related to the outlet of the flood on the left bank and the safety of the main canal. In order to verify the rationality of the arrangement of inverted siphon in Xiaozhuanggou， a normal model of scale 1∶25 was used to systematically study the overflow capacity， the arrangement of inlet and outlet and the deposition in the pipe. The optimization and modification for the shape of the inlet and outlet can only effectively avoid the adverse flow pattern of the four sides of the inflow and reduce the inlet vortex and downstream scour， but also greatly improve the flow capacity of the inverted siphon and solve the problem of flood outlet on the left bank， which have a great reference value for the design of similar projects.

Key words： inverted siphon; hydraulic model; erosion and deposition; Xiaozhuanggou; South to North Water Diversion Project

南水北調(diào)中線總干渠左岸排水工程是總干渠與河流交叉工程的組成部分，排水倒虹吸是左岸排水建筑物中數(shù)量最多的建筑物，分布廣泛，工程規(guī)模差別較大。小莊溝排水倒虹吸工程位于河南省鶴壁市淇縣北陽(yáng)鎮(zhèn)小莊村北約0.4 km處，倒虹吸工程中心線與總干渠中心線交角為115°。河道交叉斷面以上集水面積11.55 km2，干流長(zhǎng)7.1 km，溝道平均比降為6.06%，溝內(nèi)雜草較少，河床為沙卵石洪積物，主要成分是黃土狀重粉質(zhì)壤土、重壤土、沙質(zhì)土及大小不等的卵石等，上下游均無(wú)控制工程[1]。

倒虹吸布置合理與否直接關(guān)系左岸防洪和南水北調(diào)中線總干渠安全[2-9]。研究和確定合理的工程布置和防護(hù)措施，可以驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)的合理性及防洪安全性，為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型比尺與范圍

依據(jù)水工模型試驗(yàn)規(guī)程，按照水流運(yùn)動(dòng)重力、阻力和管道輸沙相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和制作。根據(jù)試驗(yàn)要求和測(cè)試內(nèi)容，模型上邊界始于設(shè)計(jì)樁號(hào)0-085.000，下邊界到樁號(hào)0+309.008，共394.008 m。經(jīng)綜合考慮，采用幾何比尺為1∶25的正態(tài)模型，并由此確定其他比尺。同時(shí)還考慮了泥沙懸浮相似、水流挾沙能力相似、泥沙在管內(nèi)懸浮相似等[9-10]。

1.2 模型制作

倒虹吸工程進(jìn)口、出口建筑物為漿砌石結(jié)構(gòu)，主河道糙率為0.04，灘地糙率為0.06，倒虹吸管道糙率為0.014。模型主河槽部分采用水泥粗沙漿抹面拖毛，灘地部分用粗沙漿抹面后在垂直水流方向每隔40～50 mm劃深5～10 mm進(jìn)行加糙。建筑物漿砌石部分采用水泥砂漿粉面抹光，倒虹吸混凝土管糙率np=0.014，采用有機(jī)玻璃制作，模型糙率nm=np/251/6=0.008 19，接近有機(jī)玻璃糙率（0.008 3），模型各部位可滿足糙率相似。

1.3 進(jìn)出口體形設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在水工模型定床基礎(chǔ)上進(jìn)行，試驗(yàn)工況見表1。在5個(gè)工況下，開展了3種進(jìn)出口體形研究。

（1）體形1。小莊溝倒虹吸工程主要由進(jìn)口連接段、管身段、出口消能防沖段等部分組成，見圖1。進(jìn)口連接段包括引渠段和斜坡連接段兩部分。引渠長(zhǎng)31.32 m，底寬17.5 m，底部高程94.80 m，前端以斜坡與原河道連接，兩側(cè)以圓弧翼墻和斜坡與河岸連接;為減少清淤工作，圓弧墻前沿渠底布置攔沙坎，坎高0.5 m。管身由進(jìn)口斜管段、水平管段和出口斜管段三部分組成，其中：進(jìn)口斜管段水平投影長(zhǎng)31.88 m，水平管段長(zhǎng)26.80 m，出口斜管段水平投影長(zhǎng)38.32 m。進(jìn)口底板頂面高程91.83 m，水平管段管底高程83.86 m，出口底板頂面高程90.25 m。管身由4孔4.0 m×4.0 m的鋼筋混凝土箱涵構(gòu)成，橫向四孔一聯(lián)。倒虹吸出口以下緊接消力池、海漫及防沖槽。兩岸為八字墻，八字墻末端銜接圓弧直墻;為防止海漫段底部遭受沖刷，在漿砌石尾部設(shè)長(zhǎng)9.1 m、深3.0 m的梯形防沖槽。

（2）體形2。在體形1基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)口體形進(jìn)行如下修改：將進(jìn)口連接段由原來(lái)的引渠段和斜坡段修改為斜坡段和水平段。斜坡段高程由96.30 m以1∶5縱坡下降至進(jìn)口底板高程91.83 m，底寬由46.83 m縮至20.00 m，斜坡兩側(cè)以1∶3坡比與兩側(cè)圓弧直墻連接，兩側(cè)圓弧直墻半徑均為52.5 m，墻頂高程97.76 m;水平段長(zhǎng)20.00 m，高程91.83 m。為減少清淤工作，進(jìn)口連接段前3.00 m處布置攔沙坎，坎頂高程96.80 m，體形布置見圖2。

（3）體形3。在體形2的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次修改。擴(kuò)寬進(jìn)口上游寬度，將進(jìn)口頂面斜坡改為半徑2.0 m的圓弧面;將消力池出口圓弧直墻改為扭曲面，其他布置同體形2，見圖3。

2 試驗(yàn)概況及結(jié)果分析

2.1 泄流能力

200 a一遇Q=468 m3/s時(shí)，體形1、體形2倒虹吸進(jìn)口上游水位均高出總干渠左邊堤頂（堤頂高程為99.93 m），其他工況下，上游水位比設(shè)計(jì)水位高0.63～2.91 m。按水位控制流量，當(dāng)上游水位為設(shè)計(jì)水位99.43 m時(shí)，體形1倒虹吸泄流量為394 m3/s（比設(shè)計(jì)流量減小了74 m3/s），體形2倒虹吸泄流量為448 m3/s（比設(shè)計(jì)流量減小了20 m3/s），體形3倒虹吸泄流量為468 m3/s。體形3過(guò)流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 水流流態(tài)

（1）體形1。200 a一遇水位時(shí)，倒虹吸進(jìn)口處左、右兩邊各有一個(gè)固定的立軸旋渦，左邊旋渦直徑3.0～6.5 m，右邊旋渦直徑1.5～4.0 m，轉(zhuǎn)速快、強(qiáng)度大，進(jìn)入洞后，有轟轟響聲，手摸洞進(jìn)口管頂有振感，流態(tài)極惡劣。另外，有少量水流越過(guò)圓弧墻頂流入喇叭口，還有極少量繞過(guò)倒虹吸進(jìn)口，從倒虹吸進(jìn)口下游的總干渠邊坡逆流而上，倒流入倒虹吸進(jìn)口內(nèi)，形成四面進(jìn)水。

（2）體形2。200 a一遇水位時(shí)，倒虹吸進(jìn)口左邊孔有一個(gè)不定時(shí)的立軸旋渦，呈彎曲漏斗狀，旋渦直徑隨其轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快而增大，其旋渦直徑一般為2～3 m，最大可達(dá)4.5 m，旋渦自上而下吸入大量空氣，因摩阻加大而發(fā)出轟轟的響聲，手摸倒虹吸上游斜洞上段有明顯振感，其響聲和振動(dòng)強(qiáng)度均較體形1弱，立軸旋渦從產(chǎn)生到消失，周期性重復(fù)。右邊孔水面也存在一連串不定時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的較小立軸旋渦，自右邊孔旋轉(zhuǎn)至左邊孔，匯入左邊孔大旋渦內(nèi)消失。另外，左右兩邊有少量水流，從圓弧直墻頂面斜流入喇叭口內(nèi)，還有極少量水繞過(guò)倒虹吸進(jìn)口，從倒虹吸進(jìn)口下游的總干渠堤坡逆流而上，倒流入倒虹吸進(jìn)口內(nèi)，形成四面進(jìn)水。進(jìn)口左右岸均有較大的回流區(qū)。

（3）體形3。由于河道擴(kuò)寬，因此上游來(lái)水較為平順且集中。200 a一遇工況時(shí)，在左右邊孔均有一個(gè)旋渦，左邊孔旋渦直徑一般為1.75～3.00 m，較體形1減小很多，轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)度減弱，基本聽不到旋渦因摩阻而發(fā)出明顯響聲，倒虹吸洞身段有輕微的振動(dòng)，應(yīng)引起重視，長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)造成倒虹吸管身下沉和渠堤開裂，影響工程安全。右邊孔旋渦時(shí)而出現(xiàn)，強(qiáng)度有所降低，中間兩孔流態(tài)較好。50、20 a一遇工況時(shí)，左右邊孔分別出現(xiàn)一個(gè)較小的不穩(wěn)定的立軸旋渦，其余工況無(wú)旋渦。

由于體形3過(guò)流能力滿足設(shè)計(jì)要求，流態(tài)較好，因此進(jìn)一步的流速、壓力分布、沖刷淤積試驗(yàn)研究均基于體形3進(jìn)行。

2.3 水流流速

水流出倒虹吸管后，在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍。因尾水位低，200 a一遇工況在海漫段形成二次水躍，50 a一遇工況在海漫段形成不完全二次水躍，其余工況水流出消力池后比較平順地進(jìn)入下游河道。具體流速見表2。

2.4 壓力分布

進(jìn)口段、斜坡段及水平段的測(cè)壓計(jì)顯示，在200 a一遇洪水工況下，除進(jìn)口右邊孔出現(xiàn)小于1.36 m的負(fù)壓水頭外，其余各處均未出現(xiàn)負(fù)壓，按照以往的經(jīng)驗(yàn)，管道產(chǎn)生氣蝕破壞的可能性較小。

2.5 沖刷淤積研究

在體形3基礎(chǔ)上，將上、下游的定床改為動(dòng)床模型。選用1～2 mm、2～3 mm、3～5 mm三種不同粒徑的粗沙作為模型沙，填入模型河槽中，然后用10、50、200 a一遇工況對(duì)應(yīng)流量進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。

2.5.1 防沖槽以下沖刷試驗(yàn)

10 a一遇工況當(dāng)河床粒徑為5.0～7.5 cm時(shí)，沖坑最深達(dá)3.07 m;粒徑為7.5～12.5 cm時(shí)，最大沖坑深度為1.20 m，左右岸均有不同程度的淤積。50 a一遇工況當(dāng)原型粒徑為5.0～7.5 cm時(shí)，左右岸坡腳淤積，沖坑最深達(dá)4.94 m;河床粒徑為7.5～12.5 cm時(shí)，右岸坡腳淤積，淤積厚度1.3～1.8 m，沖坑有所減小，最大深度為3.45 m。200 a一遇工況當(dāng)河床粒徑為5.0～7.5 cm時(shí)，下游河道沖刷比較嚴(yán)重，沖坑最深達(dá)5.5 m;河床粒徑為7.5～12.5 cm時(shí)，最大沖坑深度為4.72 m，右岸坡腳處有不同程度的淤積。建議管理單位及時(shí)做好水毀修復(fù)。

2.5.2 管內(nèi)沙粒起動(dòng)流速研究

從倒虹吸管頂部天窗處，把選好的模型沙投入管內(nèi)，平鋪在水平段管內(nèi)，鋪沙厚度2.0 cm，然后關(guān)閉天窗和尾門，從模型尾水池徐徐灌水（倒灌），待管內(nèi)灌滿水后，再開啟模型進(jìn)口閘門，向模型放水。對(duì)于模型沙粒徑1～2 mm，流速為1.19 m/s時(shí)沙粒緩慢移動(dòng)，流速為1.26 m/s時(shí)沙粒明顯移動(dòng);對(duì)于模型沙粒徑2～3 mm，流速為1.99 m/s時(shí)沙粒開始緩慢移動(dòng);對(duì)于模型沙粒徑3～5 mm，流速為2.59 m/s時(shí)沙粒緩慢移動(dòng)，流速為2.79 m/s時(shí)沙粒明顯移動(dòng)。

2.5.3 管內(nèi)淤積試驗(yàn)

封堵三孔留側(cè)邊孔進(jìn)行試驗(yàn)，首先放一股水流，待流量計(jì)上、下游水位穩(wěn)定后，通過(guò)加沙設(shè)備，把不同比例的泥漿攪拌均勻，加入倒虹吸管內(nèi)，控制加沙時(shí)間為50～150 s，待管內(nèi)泥漿基本均勻后，在同一時(shí)間分別取上、中、下試樣沉淀后烘干稱重，測(cè)定不同流量水中的含沙量。試驗(yàn)研究表明，倒虹吸管內(nèi)56%～89%的泥沙隨水流被帶走，見表3（Qm為模型流量，Vm為模型流速，Sλ為含沙量，S浮為懸沙含量）。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)模型試驗(yàn)研究了小莊溝倒虹吸水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)體形進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了合理的進(jìn)出口布置體形，滿足泄流能力要求。對(duì)推薦體形開展了下游河道沖刷和管內(nèi)沙粒起動(dòng)流速、管內(nèi)淤積研究，為工程防護(hù)和運(yùn)行管理提供了理論依據(jù)。

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【責(zé)任編輯 張華巖】