深沟大跨度倒虹吸工程中的若干问题
摘要：流量大、深沟大跨度的倒虹吸工程在丘陵山区长距离输水工程中经常出现。此类工程水力学问题很复杂，不可忽视。本文主要反映引黄工程中北干渠源子河1#倒虹吸水力学试验中出现的一些主要问题以及处理措施。其中（1）倒虹吸口前池的水流波动及稳定措施；（2）倒虹吸空管时不同充水流量的流态及其安全措施；（3）倒虹吸管的水头损失。
关键词：倒虹吸工程 水力学问题 水工模型试验
1 概述
丘陵山区长距离输程中，跨沟跨河的渡槽或倒虹吸工程是相当多的。对于流量大、深沟大跨度的倒工吸工程，有些水力学问题很复杂，也不可忽视。引黄入晋工程中北干渠源子河1#倒虹吸工程就是一例。
该工程设计过水能力Q=16m3/s，管径φ=2.6m，进口前池与宽2.8m、高3.7m的门洞式涵洞相连接，出口经消力池后接2.8m×3m的埋涵。倒虹吸全长330m，进口轴线高程1125.31m，出口断面轴线高程1124.133m，平管底高程1079.5m，底坡i=1/550。如图1。倒虹吸采用预制钢筋混凝土管，糙率取n=0.014。
图1 源子河1#倒虹吸工程布置图
由于该工程跨度大，且充水时最大水头近50m，问题进行了长度比尺为Ly=21.4的整体正态水工模型试验。通过试验对设计运行中的有关水力学问题进行了研究与改进。
2 进口前池中的水力学问题
倒虹吸进口要求水流稳定，流速分布均匀，一般要设前池。对于大型工程更是必要的。
2.1 原方案及存在问题
由于前池扩散段底坡比较陡，i=0.533，涵洞出口流速比较大（v=2m/s），故在前池入口陡坡上水流发生与底板分离现象，表层流速大，底部流速小，且近底处为负流速，负值最大达0.66m/s。由于表层流速大，至倒虹吸进口处，水流受胸墙阻挡，引起了前池水面波动及侧向回流，流量越大、波动越大，当流量Q=9~15m3/s时，波高达0.3m以上。两侧形成连通立轴漩涡，直径约0.5m，前池流速分布如图2（1）所示。
图2 前池流速分布图
由于前池中水流波动，流态不稳定，引起倒虹吸及其出口消力池中水流也不稳定。为此，进行了修改及消波处理。
2.2 修改方案
为改善前池中流速分布，减少倒虹吸管进气及水面波动，将前池长度由6m增加至10m，池与管口底改为1：1斜坡。
试验表明 ，前池底部负流速有所减少，但流速分布仍是主流在上部，水面波动及漩涡情况改善不大。
为调整流速分布，改善流态，在前池进口扩散段近水面高度位置加二层整流板，迫使主流下移。如图2（2）。修改后断面流速垂线分布有了很大改善，主流下潜，消除了池底及胸墙处的负流速，水面波动明显减小，在过设计流量时（Q=15m3/s），水面波高减小到0.1m以下，水面平稳，漩涡消失，出口消力池中流态也得到了改善。
3 倒虹吸管中流态
3.1 恒定流运行时的流态
倒虹吸管在正常运行状态时，管内呈满流承压状态，水平管承压近500kPa。
但若采用某级流量充水，且维持该水流量运行时，在管内某一部位出现残留的气囊或气泡。如Q=4~5m3/s时，在水平管顶部残留有细长气囊；Q=7~8m3/s时，在竖管中残留有大量的直径约0.1m~0.03m的气泡,上下飘移，难以排出，。这些气泡或气囊，主要是由于空管充水时残留的气体所形成，两端压力接近时不易排出。而当增大或减小运行流量即打破其平衡时气囊或气泡即消失。因此，当用某级流量充水后，应改变流量，使气泡排出倒虹吸管外再转入正常运行流量。
3.2 空管充水时流态
3.2.1 当大流量充水时
当充水流量大于2/3设计流量时（Q＞9m3/s），水流经上90度弯管进入竖管后，渐成散开状下跌，除散开的水股互相撞击外也直接击打管壁，竖管出现严重的振动现象。约50m高差的水流在下90度弯道底部汇集而成高速水流，贴管底部流动，流速达20m/s以上，直至平管末端，当管末端充满水后，满管段逐渐自后向前推移，在满管前部和高速水流相接处出现自下向上平稳上升，上游竖管内由于水股跌落掺进大量空气及充水过程中排出之空气，形成了水气混合体，这样减小了实际过水断面，减小了进入竖管的流量，若前池无控制水位的溢流堰，则水位随之升高，如若用11m3/s流量充管时，则可使涵洞变成压力流。由于前池水位的升高及竖管中空气的排出，逐渐增加了过水能力，当倒虹吸水能力达到上游来水时，前池水位达到最高，之后随着过水能力的增加而前池水位逐渐回落，直至恢复到正常稳定过水状态。
3.2.2 当小流量充水时
当充水流量小于1/3设计流量时（Q＜6m3/s），水流入竖管后分散较充分，对管壁冲刷力小，由于充水速度慢，管中空气能随充水过程而由进口和排气孔中排出。因而，前池基本不产生严重雍水现象，对涵洞安全也不必耽心。
3.2.3 当中等流量水时
中等流量（Q=6~9m3/s）充水时，流态介于上述二者之间，对倒虹吸管道及前池安全不太有利，同时，在竖管气水混合体，其气泡难以排出。
以上可以看出，空管充水时，必须注意其充水流量的选择，试验证明，充水流量不宜过大，最好采用小于1/3设计流量为宜。为防止明流涵洞出现承压流现象，在前池设限制水位的溢流堰是必要的。同时，为保证管道在正常运行时管内流态稳定，最好在充水完毕后，再改变一下流量以排出管内残留气体。
4 倒虹吸管的水头损失
倒虹吸管中的水头损失对于工程的运行有着很大的影响，如设计时损失考虑过大，则会在运行时前池水位降低，影响其进口流态，若考虑过小，则会在运行时前池水位抬高。通过整体模型试验发现水平管的沿程水头损失与设计考虑值比较接近。设计条件时，误差仅3%，而局部损失则模型中实测值与按手册给出的系数值有着较大的差别。现将几个主要部分的局部水头损失与流量的关系绘于图3。图3中也给出经验系数计算值。
图3 局部水头与流量关系
由图3看出：（1）模型实测值与经验系数值有一定差别，特别是进口与出口判别较大，流量越小判别越大；（2）由水工设计手册和给排水手册所查得之90度弯头损失系数判别也很大，给排水手册所查值接近于模型实测值；（3）倒虹吸上弯头损失与下弯头损失值有一定差别。上弯头损失大于下弯头损失，说明二者流态有着一定的差别。
5 束语
(1)对于大跨度、大落差、大流量的倒虹吸管，其 与流态都是十分复杂的，尤其是上游为直立竖管的情况更为复杂。因此，在有条件时，尽力避免采用，最好将上游管考虑一定坡度。
(2)空管充水方式及充水流量对倒虹吸管中流态十分重要，根据试验，当空管充水时，其充水流量不宜过大，最好控制在小于设计流量的1/3为宜。
(3)前池态对倒虹吸的正常运行有着重要影响。在本工程中，当试验提出加导流板改善池中流态及流速分布的措施，可供有关工程。
(4)各部位的水头损失随结构及管中流态而有所不同，在选择其经验系数时应十分注意，重要工程最好通过模型试验确定为好。
(5)鉴于大型倒虹工程的地形地质条件及水力学条件的复杂性,其工程结构的布置设计都有其本身的特点。为保证工程做到合理可靠的目的,最好能通过水工模型试验加以论证及优化。