大型渠道倒虹吸设计探讨

图 2 胸墙布置示意图
8 其
他
4 控制水闸布置
倒虹吸进出水口均布置有水闸 , 控制 水闸可以 布置在 管身 上游 , 也可布置在 管身 下游。经 过试 验比 较发 现 : 控 制闸 门布 置在上游 , 进水口水 流不 平稳 , 管 内掺 气 , 管内 发生 水跃 ; 而布 置在管道出口 , 既便于工程管理 , 又避 免了上 述不良 水流流 态 , 并可保 证 上 游渠 道 正 常 水 深。设 计 中 控 制 水 闸布 置 在 管 道 出口。
3 闸墩及胸墙设计
墩头形状对水头 损失 有一 定的 影响。流 线 形墩 头在 闸门 全开时水头损失比半 圆形 墩头 要略小 , 但闸 门不 全部 开启 时 , 流线形墩头对进水口水流影响较半圆 形墩头 要大 , 水头损 失显 著增加。例如 : 当流量 Q = 135 m 3/ s, 只开 两侧 两扇 闸门 , 其他 边界条件完全 一样 时 , 流 线形 墩 头比 半圆 形 墩 头水 头 损失 大 12. 4 cm 。西赵河渠道倒 虹吸选 用半 圆形墩 头。该形 式水 头损 失不大 , 受闸门开启影响小 , 水流较为平稳。 胸墙的布置位置 及形 式对 水头 损失 有一 定的 影响。 胸墙 布置与孔口齐平时 [ 见图 2( a) ] 比 胸墙 布置靠 后 [ 见图 2( b) ] 水 头损失要小。例如 : 西赵河渠道倒 虹吸流量 Q = 630 m / s, 其他 边界条件完全一样时 , 胸墙 靠后 布置比 胸墙 靠 前布 置时 水头 损失大 3. 9 cm。 直立式胸墙 [ 图 2( c) ] 比向 后倾斜布置 的胸墙 [ 见图 2( d) ] 水头损失要小。 其原因主要是 水流受到胸 墙的阻 挡 , 易形成 倒转流层而导致漩 涡的产 生 , 增加 水头损失。 西 赵河渠道倒虹 吸胸 墙 布置 为直 立 式胸 墙 , 位 置 与倒 虹 管孔 口 齐平。
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中国农村水利水电 1999 年第 10 期
大型渠道倒虹吸设计探讨
杨国旗
( 长江水利委员会规划处
摘要 关键词
武汉市 430010)
石自堂
( 武汉水利电力大学)
针对大型渠道倒虹吸流量大 、 水头紧 等特点 , 根据实际 情况分别 对进出水口 渐变段进 行了优 化设计 , 以减 少 渠道 倒虹吸 水闸 行探讨。 西赵河渠道倒虹吸为一级建筑物 , 由进口连 接段、 管身段、 出口连接段 三部分组成 , 管身 布置为 6 孔 6. 8 m
大型渠道倒虹吸设计 探讨
杨国旗
石自堂
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的形式。该形式施工较方便 , 亦不需对地基进行特殊处理。
由于南水北调中线总干渠为常年 引水 , 渠道水 深基本 保持 在渠道设计 水位 , 同时为 减少 水头损 失 , 西赵 河 倒虹 吸进 口不 设前池 , 进口底部高程不降低。
6 管身检修
大型渠道倒虹 吸管 身检 修比 一般 倒虹 吸要 复杂。 因为 大 型渠道倒虹 吸上 部 荷载 大 , 单 孔检 修将 导 致较 大 的不 均 匀 沉 降。因此 , 西赵河渠道倒虹吸采用三孔 一联同 时检修 的方法 进 行。检修期为枯水期。
3
7 涌波及掺气
渠道水流进入倒 虹吸 管 , 从无 压流 变为 有压 流 , 渠 道水 流 受到包括胸墙、 闸墙及 上游 渐变 段在内 的边 界条 件 的影 响 , 靠 表层的水流受到了阻挡或干 扰 , 便 产生了 水面波 动。如果渠 道 水流属于缓流 , 那么 水面 波动 将向 上游 传播 , 形 成涌 波。模 型 试验发现 : 小流量 时 , 不 出现 涌波 ; 当 流量 超过 500 m 3/ s 时 , 上 游渠道出现涌 波 , 涌 波高 度为 59 cm; 当 流量 达 630 m3/ s 时 , 涌 波高度为 72 cm。 倒虹吸管的掺气是指进水口 的水流 受到闸 墩、 闸 槽及其 他 边界条件的影响 , 水面 出现 强烈 扰动 , 而 出现 浪花、 气泡、 回流 以及不平顺的水流流态所产生 的漩涡吸 气 , 使 空气随 水流带 入 倒虹吸管内 , 形成管道水流掺气。从西 赵河渠 道倒虹 吸模型 试 验可以发现 : 当管道全开时 , 管内 一般不 掺气 , 但当管 道不全 开 时 , 就会产生掺气。 由于总干渠 为全衬 砌渠 道 , 不存 在渠 道边 坡淘 刷的 问题 , 只须保证在最高水位时 , 涌波不超过渠顶高程即可。 防止或减少 掺 气的 措 施有 : ! 控制 闸 门布 置 在倒 虹 吸 出 口 ; ∀ 设计合理的进水口 , 使进水 口处的 水流平 顺 , 限 制进水 口 处流速 , 进水 口边界尽 可能 采用流 线形 ; # 采 取正 确的 管理 方 式。控制闸门开启 , 要力 求均 匀 , 不 能为 操作 简单 而在 小流 量 时只开启部分闸门。只有将闸门 全部均 匀开启 , 才能 保证进 口 段水流平顺及减少进口处的水 流流速 , 避免水 流方向 与倒虹 吸 管不平行而斜向入流 , 从而防止闸前绕流、 回流 及吸气漩涡。 西赵河渠道倒虹吸上游总干渠堤顶 高程为校 核水位加 1. 5 m, 涌波不超过渠顶。同时为了防止或减少 掺气 , 控制闸门布 置 在倒虹吸出口处 , 倒 虹吸进 口渐 变段 及其 他边 界均 力求 平顺。 工程管理上 , 总干渠水 位基 本保 证在正 常水 位下 运 用 , 控制 闸 门对称均匀开启。
[ 作者简介 ] 杨国旗 , 男 , 30 岁 , 工程师 ( 收稿日期 : 1999- 06- 06)
∃
5 管身形式
管身有圆管、 方管 等形 式。由于 圆管 施工 较复 杂 , 不 宜现 浇制模 , 同时会增 加管座 的工 程量 , 故采 用矩 形 孔口 多孔 一联
( 本文编辑 : 杨
华)
Fra Baidu bibliotek
大型渠道倒虹吸 水力 计算按 逐 段列 出能 量方 程的 方法 推 求水面线 , 但必须考虑闸墩的阻水 作用。结构 设计一 般按弹 性 地基梁上的框架结构计算。 总之 , 大 型渠道倒虹 吸 的设 计比 一般 倒虹 吸设 计更 复杂 , 必须全面考虑 , 统筹兼 顾 , 合理 优化 , 才 能设 计出 既 经济、 安全 又能满足功能的倒虹吸。
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进出口渐变段的设计
对于按照渠系规划给出了一定水 头的倒 虹吸工程 而言 , 渐
2 倒虹吸进水口前池及底部高程
前池指倒虹吸管与渠道连接 的过渡 段 , 通 常认为 前池宽 度 与深度的变化对倒虹吸的影 响不大。但 在模型 试验中 发现 , 对 不同宽度与深度的前池 , 其水头损 失相差 较大。因为 前池宽 度 较大 , 特别是当前池宽 度大 于倒 虹吸管 总过 水宽 度 时 , 渠道 水 流进入前池后 , 水流产生大范围的 回流 , 有时还 出现吸 气漩涡 , 造成较大的水头损失。例如 : 西赵河渠 道倒虹 吸将进 口渐变 段 变为前池 , 流 量 Q = 630 m 3/ s, 其他边 界条 件完 全一 样时 , 两 者 水头损失差 3. 4 cm 。 倒虹吸进口还须满足小流量 淹深的 要求 , 因此进 口底部 高 程需进行适当的降低。
6. 8 m 方管。
河道百年一遇洪峰流量为 1 870 m / s, 倒虹吸管设计流量为 750 m3 / s, 总水头 0. 32 m; 具有流量 大 , 水 头紧等特点 。其纵剖面 布 置示意图见图 1。
图 1 纵剖面示意图 ( 尺寸单位 : cm)
倒虹吸总水头损失计算公式如下 : hw = z + 式中 hw z v1 v2 h 1渐 h 2渐 v2 1/ ( 2 g) v2 2/ ( 2 g) + h 1渐 + h 2渐 倒虹吸总水头损失 ( m ) ; 倒虹吸管道进出口水头差 ( m ) ; 倒虹吸上游渠道的水流平均流速 ( m/ s) ; 倒虹吸下游渠道的水流平均流速 ( m/ s) ; 上游渐变段水头损失 ( m ) ; 下游渐变段水头损失 ( m ) 。
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其水头损失 。 同时对进水口前池 、 底部高程 、 闸墩 、 胸墙 、 控制水闸的布置以及管身形式提出了合理的设计意见 。
倒虹吸 是经过山谷、 河流、 洼地、 道 路或其他 渠道的压力 输 水管道 , 是一种渠 道交 叉建筑 物。由于 倒虹 吸具有 工程 量少、 施工方便、 节省动力及三材、 造价低等特点 , 在各 国农田水利 建 设中得到了广泛的应 用。小 型倒虹 吸各 地应用 较多 , 设 计、 施 工都较为成熟 , 问题不大。下面结合南 水北调中 线西赵河渠 道 倒虹吸工程设计实施 , 对大型渠道倒虹 吸设计中 的几个问题 进
水头损失 , 底坡越大 , 水头损失越大。 例如 : 当进口底 坡分别为 i = 0. 033 和 i = 0. 057, 流量 Q = 630 m 3/ s , 其他边界 条件完全一 样时 , 两者水头损失差 5. 4 cm。所 以当渐变段 进出口 底部高 程 相差较大时 , 宜适当增加渐变段长 度 , 这 样可减 少渐变 段底坡 , 从而减小水头损失。 经过方案比较 , 西赵河渠道倒虹吸 进出口 渐变段 选用直 线 扭曲面 , 该形式具有水头损失小 , 工程量 小 , 便 于施工 放样等 特 点。进出口渐变段底 坡均布 置为 平坡 , 进 口渐变 段长 60 m, 出 口渐变段长 75 m 。
变段消耗水头越多 , 管身允 许消 耗的 水头 将越 少 , 这 将使 管身 断面加大 , 增加建筑 物投资 , 因此 必须对 进出 口 渐变 段进 行优 化设计。 为此 , 对西赵 河渠道倒虹吸作 了模型 试验 , 以寻求 使水 流能平稳过渡 , 又使水头损失较小的连接段形 式。 渐变 段 长 度 不 宜 过 长 , 当 渐 变 段 长 度 达 到 一 定 值 [ L = 2( B 1 - B 2 ) , B 1、 B 2 分别为渐变段始、 末端断面的水面宽 ] 时 , 再增加渐变段长度已对减少水头损失效果 不大。 同时 , 渐变段底坡不宜过大。 从试 验中发 现 , 渐 变段在 铅直 方向的变化所造成的 水头 损失 超过在 水平 方向 变化 所造 成的