羅亞軍，陳萬波，朱殿芳，郭志學(xué)，范鐘軼，李潤(rùn)祥

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.江西贛能股份有限公司，江西 南昌 33009；3.成都市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610065)

虹吸是一種常見的水力學(xué)現(xiàn)象，在水利工程中應(yīng)用廣泛。尤明慶等對(duì)實(shí)現(xiàn)虹吸的條件進(jìn)行了探討，提出了虹吸管最高點(diǎn)壓力小于液面壓力是虹吸現(xiàn)象發(fā)生的必要條件[1]；李紅艷對(duì)倒虹吸工程進(jìn)行了桿端彎矩和桿端剪力的計(jì)算[2]；許史等對(duì)長(zhǎng)距離虹吸管輸水影響因素進(jìn)行了水力學(xué)模型試驗(yàn)，認(rèn)為工程中盡量降低虹吸管的安裝高度，以減小管內(nèi)水流汽化[3]；南水北調(diào)工程中存在大量倒虹吸工程，王海周等以賈魯河倒虹吸工程為例，探討了全段圍堰法和分期分段圍堰法兩種導(dǎo)流方案的特點(diǎn)[4]；虹吸還被應(yīng)用到小型水庫除險(xiǎn)加固中，張健等首次提出將虹吸管應(yīng)用在小型水庫除險(xiǎn)加固中的導(dǎo)流，其方法是利用虹吸管將水抽出水庫，取代小型水庫中的壩下涵管輸水[5]；田云坤以內(nèi)蒙古多倫縣的二號(hào)水庫除險(xiǎn)加固工程為例，給出了虹吸管導(dǎo)流取代小型水庫的壩下涵管施工導(dǎo)流的具體方案[6]。

在河道上施工時(shí)，常常通過修筑圍堰來制造施工所需的干地條件，工程竣工之后，再將圍堰拆除。在圍堰填筑過程中，部分填筑物進(jìn)入水體，對(duì)河道水質(zhì)產(chǎn)生不利影響；竣工之后，清理修筑圍堰的材料，需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力，且對(duì)兩岸人居環(huán)境造成不利影響，若清理不凈，給汛期河道行洪埋下隱患。施工圍堰修筑的工程投資一般較高，工期也較長(zhǎng)，往往成為限制施工方案獲準(zhǔn)的原因之一。

文章針對(duì)存在擋水建筑物(如閘、橡膠壩等)的河段，將虹吸原理應(yīng)用在施工導(dǎo)流上，提出了一種利用虹吸原理進(jìn)行流量自調(diào)節(jié)施工導(dǎo)流的方法。

1 虹吸式流量自調(diào)節(jié)施工導(dǎo)流管設(shè)計(jì)

在擋水建筑物位置處設(shè)置硬質(zhì)倒虹吸管，形態(tài)與擋水建筑物的縱剖面一致，硬質(zhì)虹吸管將擋水建筑物的上下游連通。在擋水建筑物下游水面上鋪設(shè)輸水軟管，硬質(zhì)倒虹吸管末端通過密封閥連接輸水軟管，輸水軟管末端采用出水彎管銜接，出水彎管的出水口朝上，形成U形聯(lián)通出水管。輸水軟管鋪設(shè)到施工區(qū)下游一定長(zhǎng)度，保證施工期本河段發(fā)生最大洪水時(shí)，水流回水末端無法到達(dá)施工區(qū)。硬質(zhì)虹吸管、輸水軟管和出水彎管，三個(gè)部分共同構(gòu)成虹吸式施工導(dǎo)流管，如圖1所示。

圖1 虹吸式施工導(dǎo)流管剖面圖

設(shè)計(jì)的虹吸導(dǎo)流管的主要?jiǎng)?chuàng)新性包括以下幾個(gè)方面。

(1)尾段U形出口設(shè)計(jì)：尾端增加出水U形彎管，可以維持整個(gè)導(dǎo)流管的持續(xù)充水狀態(tài)，避免在不過流的情況下，氣體從尾端進(jìn)入導(dǎo)流管，破壞工作條件。一旦上游繼續(xù)來流，導(dǎo)流管即可連續(xù)過流，無須再次對(duì)硬質(zhì)虹吸管抽真空，二次引流。

(2)U形出水管出口高程控制：若出口彎管的出口高程低于硬質(zhì)倒虹入口高程，上游水位不斷降低，直至倒虹吸入口脫離水面，使得氣體從入口進(jìn)入導(dǎo)流管，破壞導(dǎo)流條件。為保證入口始終在水下，出口彎管的出口高程設(shè)計(jì)高于硬質(zhì)倒虹入口高程。

(3)材質(zhì)選擇：采用兩端硬質(zhì)管道制造連續(xù)過流的工作條件，中段采用軟管輸水，既可更好地適應(yīng)地形條件，又可以節(jié)省成本，靈活安裝。

2 工作原理和過程

2.1 虹吸式施工導(dǎo)流管工作原理

由于擋水建筑物上游水位壅高，與下游河道河床存在高差，為虹吸管工作創(chuàng)造了條件。將出口高程低于上游水位的硬質(zhì)虹吸管內(nèi)空氣排除，上游來流將會(huì)進(jìn)入硬質(zhì)管道并升至管道最高點(diǎn)，而后在水體重力的作用下，流到擋水建筑物下游的比上游水面更低的地方(即虹吸現(xiàn)象)，實(shí)現(xiàn)水流經(jīng)由管道翻越擋水建筑物。水流通過輸水軟管輸送至足夠遠(yuǎn)的下游，河道具有坡降，可以保證施工期河段發(fā)生最大洪水時(shí)，水流回水末端無法到達(dá)施工區(qū)，即隔離出了施工所需的干燥區(qū)域，實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)流。

2.2 虹吸式施工導(dǎo)流管工作過程

首先將密封閥封閉，在排氣孔處抽取硬質(zhì)虹吸管里面的空氣，使硬質(zhì)虹吸管的壓強(qiáng)逐漸小于上游水面壓強(qiáng)(通常為大氣壓強(qiáng))，形成壓差。上游來水逐漸充滿硬質(zhì)虹吸管，并通過虹吸管翻越擋水建筑物。然后打開密閉閥，由于擋水建筑物上下游之間存在水位差，水流會(huì)通過輸水軟管流至下游。當(dāng)導(dǎo)流管過流量大于上游來流量時(shí)，擋水建筑物表面將逐漸停止翻水，即上游來水均由導(dǎo)流管輸送至足夠遠(yuǎn)的下游，緊鄰擋水建筑物的下游河道停止過流，從而制造施工所需要的干燥條件，即形成干燥施工區(qū)，達(dá)到類似圍堰擋水的效果。

2.3 流量自調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

虹吸管安裝之后，影響虹吸管輸水能力的只有上下游水位差。

當(dāng)水位處于最高限制水位時(shí)，虹吸管輸水流量達(dá)到最大，虹吸管設(shè)計(jì)最大輸水流量大于河段施工期最大洪水流量，因此，泄流量大于來流量，上游水位逐漸下降，輸水流量降低，直至與來流量相等，上游水位維持不變。

當(dāng)水位處于最低消落水位時(shí)，虹吸管輸水流量達(dá)到最小，即處于不過流的狀態(tài)。此時(shí)若上游有來水，上游水位抬升，虹吸管輸水流量增大，直至與來流量相等，上游水位維持不變。虹吸管輸水能力可根據(jù)擋水建筑物上下游水位差自動(dòng)調(diào)節(jié)變化，與上游來流量相適應(yīng)。上游水位在最低消落水位與最高限制水位之間變動(dòng)。只要虹吸管設(shè)計(jì)最大輸水流量大于施工期可能的最大洪水流量，即可保證施工安全。

3 虹吸式施工導(dǎo)流管水力計(jì)算以及安裝參數(shù)的確定

為確保虹吸式流量自調(diào)節(jié)施工導(dǎo)流管按照設(shè)計(jì)正常運(yùn)行，需確定輸水軟管長(zhǎng)度、虹吸式施工導(dǎo)流管的進(jìn)出口高程，以及硬質(zhì)虹吸管的安裝高程、虹吸導(dǎo)流管數(shù)量等參數(shù)。

3.1 確定輸水軟管的長(zhǎng)度l2

確定輸水軟管長(zhǎng)度用于確定管道沿程水頭損失，從而計(jì)算單根管道輸水能力，確定導(dǎo)流管數(shù)量。

擋水建筑物上游的來流全部通過虹吸式施工導(dǎo)流管流入下游，因此導(dǎo)流管的總過流能力Q1必須不小于施工期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水流量Qmax。當(dāng)二者相等時(shí)，計(jì)算出水彎管出水口處對(duì)應(yīng)的河道最高水位H2max。按照水平回水原則，根據(jù)河道比降確定最大回水長(zhǎng)度Lmax，輸水軟管須跨越施工干燥區(qū)與回水區(qū)，兩者長(zhǎng)度之和為輸水軟管長(zhǎng)度l2。

3.2 確定虹吸式施工導(dǎo)流管的進(jìn)口高程H3

為避免擋水建筑物上游河道水位過低，定義一個(gè)最低消落水位H1min，H1min由U形管出口高程H4控制。為確保虹吸管進(jìn)水口在上游水面以下，且避免漂浮雜物進(jìn)入管道，進(jìn)口高程H3應(yīng)低于最低消落水位H1min一個(gè)高度h，h通常取為(0.2～0.3)d。

3.3 確定虹吸式施工導(dǎo)流管的出口高程H4

為了維持擋水建筑物前水位不低于最低消落水位H1min，并充分利用上下游水頭差，將虹吸式施工導(dǎo)流管的出口高程H4確定為H1min，即H4=H1min，此時(shí)H4亦滿足大于H3的條件。

3.4 虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝高程HA

(1)

(2)

(3)

當(dāng)H1=H1max時(shí)，計(jì)算得出虹吸式施工導(dǎo)流管的最大安裝高程HAmax，即

(4)

式中，H1max—擋水建筑物前允許的最高水位，m；H1max=H頂部-ΔH，H頂部為擋水建筑物頂部的高程，m；ΔH—擋水建筑物的安全超高，m；μa—虹吸式施工導(dǎo)流管的進(jìn)口到第二彎頭的進(jìn)口端的流量系數(shù)；μ—整根虹吸式施工導(dǎo)流管的流量系數(shù)，μ的計(jì)算方式與虹吸式施工導(dǎo)流管的出流方式有關(guān)。

當(dāng)虹吸式施工導(dǎo)流管的出口高程H4≥H2max時(shí)，為自由出流，此時(shí)μ的計(jì)算式如下所示：

(5)

當(dāng)虹吸式施工導(dǎo)流管的出口高程H4

(6)

式中，μ1—虹吸式施工導(dǎo)流管自由出流時(shí)的流量系數(shù)；μ2—虹吸式施工導(dǎo)流管淹沒出流時(shí)的流量系數(shù)；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4、ξ5、ξ6、ξ7—虹吸式施工導(dǎo)流管系統(tǒng)中的局部損失系數(shù)；l1、l2—硬質(zhì)虹吸管和輸水軟管的長(zhǎng)度，m；λ1、λ2—虹吸式施工導(dǎo)流管的硬質(zhì)管和輸水軟管的沿程阻力系數(shù)。

作為安裝的必要條件，虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝高程應(yīng)高于或等于擋水建筑物高程，即滿足式HA≥H頂部。

虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝高程應(yīng)同時(shí)滿足上述條件，因而虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝高程HA的范圍可表達(dá)為

(7)

3.5 虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝數(shù)量

當(dāng)出流方式為自由出流時(shí)，發(fā)生虹吸現(xiàn)象后，利用伯努利方程建立擋水建筑物前水面與單根虹吸式施工導(dǎo)流管的出水口水面的關(guān)系，忽略擋水建筑物前的行進(jìn)流速，如下所示：

(8)

則單根虹吸式施工導(dǎo)流管的過流能力Qs為

(9)

當(dāng)出流方式為淹沒出流時(shí)，單根虹吸式施工導(dǎo)流管的過流能力Qs為

(10)

當(dāng)H4=H1min，H1=H1max時(shí)，單根虹吸式施工導(dǎo)流管的過流能力最大，為Qsmax，據(jù)此計(jì)算虹吸式施工導(dǎo)流管的必要安裝數(shù)量m。

(11)

(12)

式中，Qmax—施工期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水流量，m3/s；Qsmax—單根虹吸式施工導(dǎo)流管的最大過流能力，m3/s。

虹吸式施工導(dǎo)流管的實(shí)際安裝數(shù)量M大于等于m。

4 實(shí)際工況下案例分析計(jì)算

該方法適用于施工區(qū)上游存在擋水建筑物的河道，下面以成都市府河九眼橋河段施工為實(shí)例，展示虹吸導(dǎo)流管參數(shù)確定的完整過程。

4.1 工況概述

成都九眼橋河段寬80m，河道比降為0.8‰，河道糙率為0.025。該河段有一橡膠壩，橡膠壩壩高3m，橡膠壩下游300m處擬修建一座小型橋梁。按照分期洪水計(jì)算，本河段施工期5年一遇設(shè)計(jì)流量為45m3/s。選擇管徑為2000mm的虹吸管，對(duì)安裝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

4.2 確定輸水軟管長(zhǎng)度

施工期5年一遇設(shè)計(jì)流量為45m3/s，據(jù)此試算出水彎管的出水口處對(duì)應(yīng)的河道最高水位H2max=0.66m；最大回水長(zhǎng)度Lmax=825m。

施工區(qū)距離橡膠壩300m，本次預(yù)留50m施工活動(dòng)區(qū)，則目標(biāo)干燥施工區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)0=350m，干燥施工區(qū)的長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際施工需要確定，輸水軟管長(zhǎng)度l2=L0+Lmax=1175m。

4.3 確定特征高程

有關(guān)高程的數(shù)據(jù)，均以出水彎管出口對(duì)應(yīng)的河床面為基準(zhǔn)面，結(jié)合河道比降、輸水軟管的長(zhǎng)度，計(jì)算出壩底高程H壩底=0.94m；壩頂高程H壩頂=3.94m。

H1min為橡膠壩前最低消落水位，橡膠壩壩基高度一般為0.4m左右。本次工況下最低消落水位取高于壩底0.5m為宜，計(jì)算得H1min=1.44m。

H1max為橡膠壩前允許的最高水位，安全超高一般為0.1～0.2m。本次取0.1m，即低于壩頂0.1m，H1max=3.84m。

4.4 確定虹吸式施工導(dǎo)流管的進(jìn)出口高程

虹吸式施工導(dǎo)流管的進(jìn)口高程H3應(yīng)低于橡膠壩前最低消落水位H1min一個(gè)高度h，本次取h=0.2d=0.4m，計(jì)算得出H3=H1min-h=1.04m。

為了維持橡膠壩前水位不低于最低消落水位H1min，且充分利用上下游水頭差，虹吸式施工導(dǎo)流管的出口高程確定為H1min，即H4=H1min=1.44m。

4.5 確定虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝高程

作為虹吸式施工導(dǎo)流管正常工作的必要條件，虹吸式施工導(dǎo)流管內(nèi)的真空度不大于最大允許真空值hv，取最大允許真空值hv=7m，計(jì)算得出虹吸式施工導(dǎo)流管的最大安裝高程HAmax=7.97m。

作為安裝的必要條件，虹吸式施工導(dǎo)流管的安裝高程應(yīng)高于橡膠壩壩頂高程，即H壩頂≤HA。

綜合得出：3.94m ≤HA≤ 7.97m。

4.6 確定虹吸式施工導(dǎo)流管的必要安裝數(shù)量

硬質(zhì)出水彎管的出水口朝上且出口高程H4=H1min=1.44m，高于下游水位，因此虹吸式施工導(dǎo)流管的出流為自由出流。當(dāng)H1=H1max=3.84m，上游水面與出水彎管出口高程差最大，單根虹吸式施工導(dǎo)流管的最大過流能力Qs=6.3m3/s，據(jù)此計(jì)算出必要安裝數(shù)量m=8，即至少安裝8根管道內(nèi)徑為2m的虹吸管可滿足泄流需求。此時(shí)，管道占據(jù)斷面總寬度16m，河寬為80m，僅占河寬的20%，方案合理。

5 結(jié)語與展望

(1)文章提出的流量自調(diào)節(jié)虹吸式施工導(dǎo)流方法，適合施工區(qū)上游存在擋水建筑物的河段，相較傳統(tǒng)圍堰導(dǎo)流方法，具有節(jié)約成本、更加環(huán)保、對(duì)河道行洪安全隱患更小等優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景。

(2)文章對(duì)方法中設(shè)計(jì)到的水力要素進(jìn)行了計(jì)算，并且給出了導(dǎo)流管安裝高度、進(jìn)出口高程、虹吸管數(shù)量等的推導(dǎo)過程，均給出了取值范圍，具有參考價(jià)值。