鞏維屏，李美玲，張石磊

（內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

0 引言

在平原地區(qū)長(zhǎng)距離大型輸水渠道交叉建筑物設(shè)計(jì)中，多孔倒虹吸工程因具有流量適應(yīng)范圍寬、調(diào)度靈活、工程投資經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用［1，2］。多孔倒虹吸進(jìn)出口布置型式是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。除了進(jìn)口水深需滿足最小淹沒(méi)深度要求外，還需要在不同運(yùn)行條件下孔間流量分配均勻，否則會(huì)影響其過(guò)流能力及流態(tài)，甚至出現(xiàn)因水位波動(dòng)過(guò)大而誘發(fā)建筑物振動(dòng)［3-6］。本文以某大型三孔倒虹吸工程設(shè)計(jì)為例，通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究分析了多孔調(diào)度過(guò)程中進(jìn)出口流態(tài)變化、水位波動(dòng)特征，提出了優(yōu)化解決方案；在此基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)出口消能布置方案、糙率變化及下游渠道閘門(mén)調(diào)度等因素對(duì)工程運(yùn)行的影響進(jìn)行了探討。

1 工程背景

1.1 設(shè)計(jì)方案

某倒虹吸工程線路總長(zhǎng)72.08 km，高差60 m，由進(jìn)出口段、溝埋PCCP 管段和跨河管橋段組成，埋管段和管橋段由3 根DN3800 mm的PCCP管并排同槽布置，設(shè)計(jì)流量38.0 m3/s。

工程進(jìn)口段由漸變段、閘室和消能段組成，總長(zhǎng)127.2 m。進(jìn)口分三孔，單孔凈寬5.0 m，底板高程為139.08 m。閘室后設(shè)兩級(jí)消力池，總長(zhǎng)66.7 m。一級(jí)消能池前端斜坡坡比為1∶2.5，池底板高程為130.08 m，池末端設(shè)置胸墻底孔，其孔口尺寸為5.5 m×3.5 m（寬×高，下同）；二級(jí)消力池斜坡段坡比為1∶4，池底板高程為126.78 m，池末端設(shè)深式進(jìn)水口分別與三根直徑3.8 m的PCCP管道相接。

工程出口段由出口閘室、消力池段、漸變段組成，總長(zhǎng)82 m。出口閘室段長(zhǎng)17.0 m，分隔為三孔與PCCP 管道相接，孔口尺寸3.8 m×3.8 m，底板高程為119.84 m。消力池段長(zhǎng)30.0 m，底板高程為119.34 m。倒虹吸工程進(jìn)口段及出口段平面及縱剖面布置見(jiàn)圖1。

圖1 某三孔倒虹吸工程平面及縱剖面布置圖（注：圖中高程單位為m，標(biāo)注尺寸單位為cm，樁號(hào)單位為m，下同）Fig.1 The horizontal and longitudinal section layout drawing of a three-hole Inverted Siphon Project

1.2 模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為正態(tài)模型，長(zhǎng)度比尺為1∶15.2，模型布置見(jiàn)圖2。模擬范圍包括上游明渠段至下游明渠段。由于倒虹吸工程及其上下游渠道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，如果按照正態(tài)整體模型設(shè)計(jì)，模型總長(zhǎng)度將有4.74 km，而一般的試驗(yàn)場(chǎng)地顯然無(wú)法滿足要求?？紤]到本工程研究重點(diǎn)在倒虹吸進(jìn)口和出口體型布置，因此按照恒定流情況下水面坡降相似原理，在閘室模型進(jìn)口和出口有壓段的壓力管道之間設(shè)阻力調(diào)節(jié)段，通過(guò)安裝阻力閥來(lái)調(diào)節(jié)模型進(jìn)口有壓段與出口有壓段之間的水頭損失。這種研究方法在以往類(lèi)似工程中應(yīng)用廣泛［7-9］，并且通過(guò)原型觀測(cè)資料證明是可行的。

圖2 某三孔倒虹吸工程進(jìn)、出口模型布置圖Fig.2 The model layout of the inlet and outlet of a three-hole Inverted Siphon Project

上游明渠至下游出口消能段均采用有機(jī)玻璃制作，其他部位采用水泥砂漿制。模型所用有機(jī)玻璃糙率約0.008，換算到原型糙率為0.012 6，略大于PCCP管設(shè)計(jì)糙率0.011 9。

本倒虹吸工程調(diào)度運(yùn)行方式遵循對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟原則，即單孔運(yùn)行開(kāi)啟中孔，兩孔運(yùn)行開(kāi)啟兩邊孔，三孔運(yùn)行則全開(kāi)；管道運(yùn)行為有壓流，出口敞泄；當(dāng)流量不能滿足管道滿管運(yùn)行要求時(shí)，通過(guò)下游渠末節(jié)制閘調(diào)控。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)出口閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，單孔、雙孔及三孔設(shè)計(jì)最大流量分別為12.67、25.33 和38.00 m3/s；上游渠道過(guò)流平穩(wěn)，各斷面平均流速為0.50～2.82 m/s，而倒虹吸進(jìn)口段各部位流態(tài)隨著流量變化與運(yùn)行調(diào)度方式調(diào)整呈現(xiàn)不同的特征。

當(dāng)中間孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，研究了不同過(guò)流流量下的水流特征。當(dāng)流量在6～7 m3/s時(shí)，上游渠道至閘前呈急流狀態(tài)，主流居中行進(jìn)，中間孔閘室過(guò)流基本平穩(wěn)，壓力管道進(jìn)口為明流。隨著流量增大，漸變段首端水面跌落高度逐漸減小，中間孔進(jìn)口墩頭出現(xiàn)繞流現(xiàn)象；一級(jí)消力池斜坡處形成水躍，躍首所在位置從坡底逐漸上移至其首端，胸墻底孔處由明流轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎](méi)孔流；二級(jí)消力池內(nèi)未形成水躍，壓力管道進(jìn)口均為有壓流。當(dāng)流量達(dá)到12.67 m3/s 時(shí)，閘前呈緩流狀態(tài)，中間孔閘室進(jìn)口墩頭處略見(jiàn)繞流現(xiàn)象，一級(jí)消力池內(nèi)水流平緩，胸墻上游觀察到間歇性淺表漩渦出現(xiàn)，二級(jí)消力池內(nèi)及壓力管道進(jìn)口上游水流平緩。

當(dāng)兩邊孔運(yùn)行及流量在12.67～13.50 m3/s區(qū)間時(shí)，上游渠道至閘前為急流狀態(tài)，主流居中行進(jìn)，兩側(cè)孔閘室略有分流不均勻現(xiàn)象；一級(jí)消力池斜坡末端形成水躍，胸墻底孔處為明流；二級(jí)消力池首段形成水躍，躍尾位于壓力管道進(jìn)口上游約6 m處，壓力管道進(jìn)口為明流。隨著流量的增加，主流受其兩側(cè)不穩(wěn)定回流擠壓而左右擺動(dòng)，導(dǎo)致閘室兩側(cè)孔分流不穩(wěn)定且不均勻。兩邊孔的一級(jí)消力池斜坡中部形成水躍，水面波動(dòng)最大變幅約0.75 m，周期約8～12 min。當(dāng)過(guò)流流量為25.33 m3/s 時(shí)，上游渠道至閘前為緩流狀態(tài)，一級(jí)消力池內(nèi)胸墻上游觀察到間歇性淺表漩渦出現(xiàn)，二級(jí)消力池內(nèi)及壓力管道進(jìn)口上游水流平緩，流態(tài)分布見(jiàn)圖3（a）。

當(dāng)三孔同時(shí)運(yùn)行及過(guò)流流量為25.33 m3/s 時(shí)，上游渠道至閘前為急流狀態(tài)，中間孔過(guò)流量遠(yuǎn)大于兩側(cè)孔，分流不均現(xiàn)象嚴(yán)重。中間孔壓力管道進(jìn)口為有壓流，兩側(cè)孔壓力管道進(jìn)口為明流。當(dāng)過(guò)流流量為38m3/s 時(shí)，上游渠道至閘前呈緩流狀態(tài)，三孔閘室過(guò)流平穩(wěn)，三孔分流均勻，一級(jí)消力池胸墻上游觀察到間歇性表面漩渦，流態(tài)分布見(jiàn)圖3（b）。

圖3 不同運(yùn)行方式下進(jìn)口段不均勻流態(tài)Fig.3 The non-uniform flow distribution in the inlet part by the different operating mode

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著過(guò)流流量增加消力池下游水深也相應(yīng)增加，壓力管道進(jìn)口由明流過(guò)渡到淹沒(méi)狀態(tài)，進(jìn)口流態(tài)趨于平緩；試驗(yàn)中未見(jiàn)氣泡進(jìn)入管道進(jìn)口現(xiàn)象。壓力管道出口均呈淹沒(méi)出流，消力池內(nèi)未形成水躍，尾坎處、漸變段及下游渠道水流平穩(wěn)，未見(jiàn)不良流態(tài)。消力池尾坎處最大流速為1.13 m/s，下游渠道最大流速為0.59 m/s。

2 方案優(yōu)化與討論

針對(duì)兩邊孔和三孔運(yùn)行方式下孔間分流出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，對(duì)閘室上游布置形式進(jìn)行優(yōu)化，分別為增設(shè)整流池和增設(shè)底坎+整流池兩個(gè)方案。

2.1 增設(shè)整流池方案

原方案進(jìn)口漸變段與閘室直接相接，漸變段急流未經(jīng)分散調(diào)整就直接進(jìn)入閘室，閘室進(jìn)流的均勻性很差，為此在閘室上游設(shè)置下挖式整流池用于平穩(wěn)均化水流。

將進(jìn)口漸變段由25.50 m 縮短為15 m 并上移，在下游設(shè)置長(zhǎng)度為18.03 m 的下挖式整流池與閘室段相接，整流池深分別為1.2、2.0和3.0 m。將進(jìn)口閘室墩頭修改為半圓形［圖4（a）］。

圖4 優(yōu)化方案平面和縱剖面布置圖Fig.4 The horizontal and longitudinal section layout drawing of the optimization plan

增設(shè)整流池后，當(dāng)兩側(cè)孔開(kāi)啟及過(guò)流流量為19 m3/s 時(shí)，漸變段首端仍可見(jiàn)明顯水面跌落；主流居中集中進(jìn)入整流池，在整流池兩側(cè)形成回流，主流受其擠壓在池內(nèi)左右擺動(dòng)，左、右側(cè)孔分流仍不均勻；壓力管道進(jìn)口可見(jiàn)水面波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)整流池深為1.2 m 時(shí)，兩側(cè)孔壓力管道進(jìn)口前最大水位變幅為0.65 m，較原方案減小0.10 m；當(dāng)整流池深為2.0和3.0 m時(shí)，兩側(cè)孔壓力管道進(jìn)口前最大水位變幅分別減小至0.56和0.50 m。

當(dāng)三孔開(kāi)啟及過(guò)流流量為25.33 m3/s 時(shí)，漸變段首端水面跌落明顯，主流居中行進(jìn)，其兩側(cè)形成回流；三孔分流不均，中間孔分流大且壓力管道為壓力流，兩側(cè)孔壓力管道為明流?？傮w來(lái)看三孔分流不均現(xiàn)象仍較嚴(yán)重，主要原因是閘室上游來(lái)流過(guò)于集中。

2.2 增設(shè)底坎+整流池組合方案

本方案在漸變段尾部布置高度為0.76 m、頂寬0.91 m 的底坎，在其下游布置長(zhǎng)度為18.03 m、深度為1.20 m 的整流池與閘室段相接，用以均化和平穩(wěn)閘室進(jìn)流，方案布置見(jiàn)圖4（b）。

增設(shè)底坎＋整流池方案下的流態(tài)見(jiàn)圖5所示。試驗(yàn)資料表明，該方案兼顧滿足兩側(cè)孔和三孔開(kāi)啟時(shí)各孔進(jìn)流均勻穩(wěn)定的要求，消除了兩側(cè)孔過(guò)流時(shí)主流左右擺動(dòng)及三孔過(guò)流時(shí)中間孔集中進(jìn)流的流態(tài)，且對(duì)工程過(guò)流能力沒(méi)有影響，故可作為閘室上游布置形式的設(shè)計(jì)推薦方案。

圖5 增設(shè)底坎＋整流池方案下流態(tài)Fig.5 The flow distribution of the plan of the bottom sill and flow rectifying pool

2.3 降低水位波動(dòng)的措施

進(jìn)口消能段低水位工況的胸墻上游和壓力管道進(jìn)口水面波動(dòng)最大波幅值見(jiàn)表1。從表1 可以看出，當(dāng)消能段水面高程低于胸墻底孔頂高程時(shí)，胸墻底孔為明流，此時(shí)一級(jí)消力池內(nèi)水躍產(chǎn)生的水面波動(dòng)傳播到壓力管道進(jìn)口處后沿程衰減幅度較小。同一開(kāi)啟方式下，隨著流量加大，胸墻底孔由明流轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎](méi)孔流后，導(dǎo)流孔發(fā)揮整流功能，加之胸墻隔板的阻隔作用，壓力管道進(jìn)口水面波動(dòng)較胸墻上游減幅明顯。

表1 壓力管道進(jìn)口水面最大波幅值Tab.1 The maximum wave amplitude of the water level at the inlet of the pressure piping

為進(jìn)一步減小壓力管道進(jìn)口水面波動(dòng)，試驗(yàn)中將胸墻底孔口高度由3.5 m 減小為1.7 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，中間孔過(guò)流流量為8.5 m3/s 時(shí)，胸墻底孔由明流轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎](méi)孔流，壓力管道進(jìn)口水面波動(dòng)為0.21 m，較原方案減小了0.17 m，說(shuō)明減小胸墻底孔口高度可增強(qiáng)其平抑水面波動(dòng)的功能。但三孔開(kāi)啟過(guò)流流量為38 m3/s 時(shí)該方案的上游渠道水位較原方案升高了0.07 m，表明減小胸墻底孔孔口高度會(huì)降低進(jìn)口段在設(shè)計(jì)最大流量下的過(guò)流能力。

考慮到壓力管道進(jìn)口處水面波動(dòng)幅值對(duì)該處流態(tài)及壓力管道運(yùn)行的不利影響總體較小，維持原方案的胸墻底孔口布置形式不變。

3 糙率變化對(duì)工程安全運(yùn)行的敏感性分析

本倒虹吸工程壓力管道全長(zhǎng)71.87 km，埋管段長(zhǎng)度為70.85 km，占?jí)毫艿揽傞L(zhǎng)度的98.58%，因此管道糙率變化對(duì)工程運(yùn)行的影響不容忽視［10，11］。目前國(guó)內(nèi)已建工程中，大口徑PCCP 管糙率一般在0.011 0～0.012 5 之間，鋼管糙率為0.009 5～0.011 5。若實(shí)際糙率大于設(shè)計(jì)糙率，可能引起工程過(guò)流能力不足；若實(shí)際糙率小于設(shè)計(jì)糙率，可能引起壓力管道進(jìn)口淹沒(méi)深度不滿足要求。

3.1 糙率變化對(duì)過(guò)流能力的影響

為核定最大過(guò)流能力，管材按可能最大糙率取值，其中PC?CP 管糙率按0.012 5 取值，鋼管糙率取0.011 5。當(dāng)設(shè)計(jì)最大過(guò)流流量38 m3/s 時(shí)，總水頭損失為16.01 m，較總水頭損失設(shè)計(jì)值14.99 m 大1.02 m，此時(shí)上游渠道水位值為144.36 m，仍低于上游渠道頂高程144.60 m，說(shuō)明即使在最大糙率條件下管道過(guò)流能力依然滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 糙率變化對(duì)壓力管道進(jìn)口淹沒(méi)深度的影響

當(dāng)兩邊孔開(kāi)啟及過(guò)流流量為15.5 m3/s時(shí)，PCCP管采用設(shè)計(jì)糙率0.011 9 時(shí)，壓力管道進(jìn)口淹沒(méi)深度大于最小淹沒(méi)深度；若PCCP 管糙率減小為0.011 0，管道水頭損失較設(shè)計(jì)值減小0.89 m，此時(shí)壓力管道進(jìn)口淹沒(méi)深度小于最小淹沒(méi)深度，不滿足工程安全運(yùn)行要求。

在實(shí)際工程中，當(dāng)在糙率取值范圍內(nèi)選取合適的值進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，管道過(guò)流能力和進(jìn)口淹沒(méi)水深均可滿足設(shè)計(jì)要求。由糙率變化引起的不確定性是很多類(lèi)似工程難點(diǎn)所在［12，13］，本工程PCCP 管道糙率細(xì)微變化都可能導(dǎo)致壓力管道水頭損失較設(shè)計(jì)值出現(xiàn)較大差異，從而帶來(lái)工程過(guò)流能力不足或壓力管道進(jìn)口處淹沒(méi)深度不夠等問(wèn)題，設(shè)計(jì)應(yīng)予以足夠重視，加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)分析。

4 下游渠末節(jié)制閘緊急關(guān)閉對(duì)上游水位的影響

倒虹吸工程穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)遭遇突發(fā)事件時(shí)下游渠道末端節(jié)制閘緊急關(guān)閉后，渠道內(nèi)壅水波引起的涌浪是否漫過(guò)渠頂亦為設(shè)計(jì)所關(guān)注的重點(diǎn)之一［14，15］。試驗(yàn)選取三孔全開(kāi)工況，設(shè)計(jì)最大過(guò)流量流量38 m3/s時(shí)，觀測(cè)了下游渠末端節(jié)制閘緊急關(guān)閉后的壅水波傳播及爬坡高程。下游渠道內(nèi)布設(shè)的4支波高傳感器分別沿渠道中心線布設(shè)于節(jié)制閘上游23、68、146 和226 m。

試驗(yàn)結(jié)果表明，下游渠道末端節(jié)制閘緊急關(guān)閉后，該處形成的壅水波向上游傳播，同時(shí)渠道水位波動(dòng)上升，側(cè)堰由間歇性過(guò)流轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)過(guò)流直至穩(wěn)定過(guò)流。圖6給出了節(jié)制閘關(guān)閉時(shí)間為6.5 s時(shí)上游226 m（距離倒虹吸出口斷面84 m）斷面波高過(guò)程線。

圖6 節(jié)制閘關(guān)閉時(shí)間為6.5 s時(shí)上游226 m斷面波高過(guò)程線Fig.6 The wave height at the upstream section 226 m for the closure time 6.5 s of the controlling gate

從圖6 中可以看，壅水波首波的波高隨節(jié)制閘關(guān)閉時(shí)間的加長(zhǎng)而減小，其爬坡高程亦隨之降低，但渠內(nèi)波浪爬坡最高高程變化不大。節(jié)制閘關(guān)閉時(shí)間分別為6.5 和40 s 時(shí)，渠內(nèi)首波波高分別為0.22、0.12 m，波浪爬坡最高高程分別為129.02 和129.01 m，均低于渠頂高程129.31 m，未見(jiàn)漫堤現(xiàn)象。節(jié)制閘關(guān)閥過(guò)程中，由于傳播到倒虹吸部位的水位最大波幅值不超過(guò)0.2 m，除了沿程壓力略有變化外，對(duì)流態(tài)和流速等影響不明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)平原地區(qū)長(zhǎng)距離大型輸渠道三孔倒虹吸工程關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

（1）在三孔不同調(diào)度方式條件下，倒虹吸進(jìn)口段各部位隨流量變化與運(yùn)行調(diào)度方式調(diào)整呈現(xiàn)不同的流態(tài)。當(dāng)過(guò)流流量小于設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，中間孔過(guò)流量遠(yuǎn)大于兩邊孔，分流不均現(xiàn)象嚴(yán)重，一級(jí)消力池胸墻上游觀察到間歇性表面漩渦出現(xiàn)。

（2）通過(guò)在閘前漸變段采取底坎+整流池方案，可兼顧滿足兩側(cè)孔和三孔開(kāi)啟時(shí)各孔進(jìn)流均勻穩(wěn)定的要求，消除了兩側(cè)孔過(guò)流時(shí)主流左右擺動(dòng)和三孔過(guò)流時(shí)中間孔集中進(jìn)流的流態(tài)，對(duì)工程過(guò)流能力沒(méi)有影響。

（3）長(zhǎng)距離PCCP 管道輸水工程實(shí)際糙率相與設(shè)計(jì)糙率即使發(fā)生細(xì)微變化均可導(dǎo)致壓力管道水頭損失較設(shè)計(jì)值出現(xiàn)較大差異，進(jìn)而帶來(lái)工程過(guò)流能力不足或壓力管道進(jìn)口處淹沒(méi)深度不夠等問(wèn)題，設(shè)計(jì)應(yīng)予以足夠重視，加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)分析?！?/p>