南水北調淇河水力學模型試驗觀測綜述

1、南水北調淇河水力學模型試驗觀測綜述陳然（華北水利水電學院，鄭州450046）【摘要】倒虹吸模型試驗，是依據(jù)相似原理把倒虹吸的原型按一定比例縮小制成模型，模 擬與天然情況相似的水流進行觀測和分析研究，然后將模型試驗的成果換算和應用到原型 中，分析判斷原型的情況。對倒虹吸的模型試驗研究，通過水流重力相似，水流阻力相似、 泥沙起動相似、水流輸沙相似、河床變形相似、水流運動時間相似模型，實驗洪水過程中對 河道的充數(shù)影響情況，從而為倒虹吸的設計和防護提供依據(jù)。【關鍵詞】倒虹吸抗刷措施動床模型水躍平面光彈試驗1概述南水北調中線工程橫跨江、淮、黃、海四大流域，是一項特大型調水工程，倒虹吸工程 是該調水工程中

2、數(shù)量最多的一種河渠交叉建筑物。其特點是流量大、水頭小、規(guī)模空前、投 資巨大。通過水工模型試驗研究，探索倒虹吸工程合理的布置型式、運行方式，揭示大型倒 虹吸工程特有的水力學問題，提出解決的措施，使工程設計建立在可靠的技術基礎上，具 有重大的工程意義和理論價值。根據(jù)設計要求，倒虹吸工程的水力學試驗研究以淇河渠倒虹吸為背景以淇河渠倒虹 吸初步設計資料為依據(jù)。淇河渠倒虹吸進口右側布置有退水閘，漸變段為不對稱型式。倒虹 吸洞身長370m，設計流量380m3/ s，加大流量430m3/ s，分配水頭0.35m，按加大流量計算 洞徑為6孑L6X6m矩形斷面。通過設計流量時，計算相應的總水頭損失為0.273m

3、。設計中各項水力參數(shù)為：上、下游渠道比降./ 30000，渠道底寬46m，邊坡系數(shù)為2,渠 道設計水深6m，相應流速1.09m/ s，加大水深6. 44m，相應流速1.13m/ s。渠道混凝土襯砌 糙率0. 015，洞身混凝土糙率0. 014。各項阻力系數(shù)為：上游不對稱漸變段損失系數(shù)0. 35m，出口漸變段損失系數(shù)0. 25，攔 污柵損失系數(shù)0. 25，門槽損失系數(shù)0. 1，進口損失系數(shù)0. 15，彎道損失系數(shù)每個0. 05。根 據(jù)要求，為使試驗研究成果準確可靠，要求盡可能采用較大的模型比尺，整體正態(tài)模型比 尺不小于1 Z。，并嚴格做到邊界幾何相似及模型糙率相似。對整體模型要求與倒虹吸吸相 連

4、的上、下游渠道有足夠的長度。2倒虹吸水力學觀測倒虹吸觀測包括：在各級流量和各種運用情況下對進、出口流態(tài)，渦流特點及危害以及 其他水力學問題以及平面光彈模型進行綜合研究。2.1模型總干渠若假定原型和模型均在紊流粗糙區(qū)，模型以水泥沙漿抹制，一般認為糙率可達到nm =0. 0090.011。然而，根據(jù)本水力學模型的特點，總干渠部分僅主要涉及倒虹吸進出口漸 變段及其一部分前后延伸部分，最大有效長度僅約200m，由于原、模型阻力系數(shù)的差值所 產生的量測結果的偏差最大為0. 2mm，該值十分微小，幾乎接近水位測針的量測精度，故可以認為，雖然原、模型總干渠 阻力系數(shù)不能做到完全相同，但對本研究的具體問題而言

5、不產生實質性影響，且量測結果 偏于安全。2.2非對稱漸變段水流均勻的渠道水流進入非對稱漸變段后，退水閘前出現(xiàn)大片靜水區(qū)，漸變段右側順鐘向回流范圍和強度均較弱，該側水位明顯高于左側。左側水流受右側回流和靜水區(qū)壓縮，水深 變小，流速增大。在Q加時，左、右岸水位差最大達0. 035m左右。退水閘前是未來的淤積區(qū) 應予注意。退水閘進口的邊界情況對倒虹吸運行無明顯不利影響，但其最終體型應由退水閘 的運用條件決定。漸變段內縱向水面變化分為三個區(qū)域：前區(qū)，水面變化十分微小，部分地 區(qū)由動能恢復產生水面雍高。中區(qū)，漸變段內水面均勻下降區(qū)。后區(qū)，閘墩影響區(qū)，該區(qū)域 水面下降較大。該區(qū)范圍不大，但水力分析時十分重

6、要。2.3閘室水流閘室水流受閘墩頭繞流影響，橫向收縮，流速加快，水面降低，加以離解渦作用和閘槽 對水流的干擾，此處水流較亂，尤其是在大流量情況和小流量局部洞孔過流情況。過閘槽后, 底部水流受進口下緣影響，流線擴散，頂部受進口頂曲面壁阻礙產生駐波區(qū) 水面雍高， 且有波浪，波高沿曲面約0.4m0.5m，局部洞孔過流時，波高可達lm左右。洞進口水流， 高水位時表現(xiàn)為收縮效應的增速流，低水位時表現(xiàn)為擴散效應的減速流。相反，倒虹吸出口 水流，低水位時表現(xiàn)為收縮增速流，而高水位時擴散減速效應不甚明顯。門槽的影響受門槽 的位置、墩頭離解渦的強度、門槽水流的流態(tài)特性（Re表征）、斷面特性等的制約，十分復 雜。

7、實測分析表明，門槽對水流的影響甚小，有時可以分辨，有時難于分辨。洞身水流洞身水流狀態(tài)可有以下情況：始流狀態(tài)，表現(xiàn)為水流開始入洞所產生的不穩(wěn)定的始流水躍。隨著水躍位置向前推移，始 流狀態(tài)又分為初始水躍狀態(tài)，封頂水躍狀態(tài)和斜坡水躍狀態(tài)。滿流狀態(tài)，該狀態(tài)對應于大流量運行情況。明、滿流銜接狀態(tài)，該狀態(tài)對應于小流量情況。此處所指的明、滿流問題是淇河倒虹吸洞坡度為】 25的洞身段特有的水力現(xiàn)象。2. 4. 1壓力脈動洞身水流的壓力脈動是明顯的。觀測表明，這種壓力脈動，在倒虹吸洞入口斜坡段和彎 道區(qū)最大，而倒虹吸洞出口斜坡段則較小，從上游至下游沿洞線逐漸衰減。經(jīng)測壓管衰減后的壓力脈動幅值，洞首及彎道區(qū)最大為

8、0.2m，在洞尾部僅約0.03m0.05m。2. 4. 2挾氣挾氣現(xiàn)象是進口水流由于波浪、下沉水流和微弱的立軸渦將空氣裹挾入洞的現(xiàn)象。挾氣現(xiàn) 象在六洞全開過流時，不是發(fā)生在最大流量，也不是發(fā)生在小流量時的進口水躍，可以證 明，對南水北調這種低水頭大流量倒虹吸工程，基本不存在小流量情況的進口水躍。挾氣現(xiàn)象發(fā)生在某個敏感的水位和流量。據(jù)試驗觀察這一水位約在9.m92m左右。當水 位接近這一水位區(qū)，洞口水面波動逐漸加大，沿洞口曲線壁最大斜波高約0. 6m，加上下沉 水流與微弱立軸渦作用，空氣挾持入洞，氣泡直徑0.06m0.2m不等。氣泡進入洞中后首先 在./3斜洞段作原位顫動、群移、徊旋少數(shù)逆流上溯

9、，更多的則通過順流向的橫掃進 入平洞段，然后被水流帶向下游的1。25坡度的斜洞段逸出。氣泡的集聚，有可能生成直徑d =2.0m的形狀不規(guī)則的氣團。挾氣的特點是洞中氣泡全都沿洞頂邊壁運動,水流無摻氣現(xiàn) 象。當上游水位升高，進口波動減弱，挾氣現(xiàn)象隨之消失。當上游水位下降，進口流速變小， 也不構成水流挾持空氣的情況。由于挾氣現(xiàn)象不是發(fā)生在最大控制流量，且挾氣量很小，不 會對倒虹吸洞的正常運行產生有害影響。洞出口水流在Q = 430m3 / s時，洞口水位僅95.25m，Q= 380m5/ s時洞口水位僅達94.77m，這時， 出口流速除方向有2.29。之差外，速度幾乎與洞內流速相同或更大些。出口水流

10、已不同于一 般意義上的出口，出口水頭損失是可以忽略的。水流出洞后，緊接著是閘墩繞流。這里，有 兩個現(xiàn)象，在洞軸線上，水流出閘室后，流速減小，動能恢復水位抬高。水流在墩尾解離脫 流，壓強降低，水位降落。加上卡門渦街的影響，水流左右擺動，上、下波動構成十分復雜 的情況，水頭損失也是明顯的。出口漸變段水流出口漸變段經(jīng)歷了動能恢復與摩阻損失的共同作用，在各級流量下，無脫流與回流、水流 擴散效應較好，但漸變段水流的水頭損失與出口墩頭的水頭損失往往糾纏在一起要將其 分離需要對水流現(xiàn)象的深刻認識和處理技巧。作為設計需要，可靠的辦法仍是將兩者合并考 慮。2. 7 小流量及局部過流六孔過流時，小流量情況末發(fā)現(xiàn)倒

11、虹吸進口水躍情況，以Q = 5Om3/ s為例，此時下游 水深1.86m，上游水深1.57m，上、下游水面落差7= 0. 06m，洞口僅有微弱的水波，無水 躍和摻氣現(xiàn)象。局部洞孔過流時，主要出現(xiàn)以下問題。進口繞閘墩渦嚴重，閘室水流紊亂，水面有繞流渦激水浪形成挾氣，挾氣水流運行至進 口曲壁時，激起波浪，加之下沉水流與微弱立軸渦的作用，氣泡進入洞中，經(jīng)歷運移，結 合，分裂，順水流帶到下游，這種挾氣狀況從數(shù)量上說只限水面與洞頂，對洞的正常運用 無大影響。出口漸變段大范圍大尺度擺動水流這種大尺度擺動水流來源于水流擴散時的不穩(wěn)定性 特別發(fā)生在兩孔開啟情汛況，如開2、5孑L，開1、6孑L，均發(fā)生倒虹吸出口

12、大范圍不穩(wěn)定 水流，這種不穩(wěn)定水流誘發(fā)波浪導致洞內瞬時壓強變化形成下游局部流速增大對工程不利， 需采取工程措施（如做低隔水墻等）解決。至于對洞內的影響可用關閉下游疊梁閘門來解決。 2.8上游通氣孔設置實側倒虹吸進口曲面壓強分布，均為正壓，無法正常通氣。一般通氣孔設置主要用于穩(wěn) 定水流、防止氣蝕，這些問題對南水北調中線倒虹吸工程-低水頭、大流量倒虹吸，均不存 在?，F(xiàn)有的進口曲面無不良水力狀態(tài)。底部進口的邊界形式，其壓強也均為正壓。試驗中觀 察到上游斜管段較大的壓強脈動，這除與來流閘墩頭等影響因素有關外，肯定與進口底 部折線形邊界有關，若能將折線邊界修園、水力效果更好。此處通過1 /20的大型水工

13、模型試驗和廣泛的資料分析論證，內容涉及到倒虹吸水力 學的所有方面，取得大量成果，為南水北調中線工程中倒虹吸工程的設計提供了大量有價 值的設計和參考資料。3倒虹吸平面光彈模型試驗觀測平面光彈模型試驗的主要目的是：模擬河道有水、管道無水情況進行加載試驗，并將試 驗結果與結構力學和二維有限元結果進行比較分析。對于光彈模型試驗，為了保持其應力狀態(tài)與原型一致，要求倒虹結構模型與地基的彈模 比與原型倒虹結構與地基的彈模比一致。原型倒虹結構為鋼筋混凝土，其彈性模量 E1=3.0 x104MPa，地基為粘土巖，其彈性模量E2=30MPa，則E1/E2=1 000。對于平面光彈模型， 試驗是在室溫條件下進行的，

14、倒虹結構材料為環(huán)氧樹脂，其室溫彈性模量E=3.4x103MPa， 模型地基材料選用彈性橡膠，其彈性模量鳥=3.7 MPa，則Ej/E2=919e1 000，能夠滿足試驗 要求。3.1.3模型的邊界條件為了充分保證地基對結構的影響，地基深度為模型高度的1.5倍，左邊地基長度為模 型長度的1.5倍。在倒虹結構計算中取一聯(lián)計算，其地基邊界條件為，倒虹結構右邊為對稱 面，地基不產生側向位移，但可以產生垂直位移；而倒虹結構左邊地基長度為1.5倍的倒虹 結構長，可以認為增載引起的應力趨于0;而地基深度為1.5倍的倒虹結構高度，可以認為 該處的水平變位和垂直邊位均為0。為了達到上述的邊界要求，在地基模型左側

15、和底部采用 厚木板強制約束，并將地基模型的左側與厚木板粘牢。在地基模型右側留一小縫與固定的厚 木板分開，在微小縫內鋪上光滑的塑料薄膜，保證地基模型的右側水平位移受到右邊厚木板 的約束，但可以產生垂直位移3.2平面光彈試驗模型本次試驗模擬河道有水、管內無水工況進行加載試驗。模型具體尺寸如上圖示，模型用 環(huán)氧樹脂板在銑床上加工而成，模型頂部和兩側所承受的分布力勺口列于下表1中。表1模型頂部和四側所承受分布力汨MPa/CqgJMPa垂直水至、土匝0.3380.70.237右側外水壓、土壓Q 6卜0.1620.70.114Q 6卜0.2020.70.142Oh0.1820.70.128左側外水壓、土壓

16、Q 卜0.1800.70.126Q中卜0.2370.70.1660.0.2090.70.146然后，對實體有限元進行分析得到的結果如下表2。表2有限元分析所得的應力分布面、內力件NKNQKNMKN-m123412341234左左端-830-798-698-567474437686362357292791151跨中-830-798-698-81517-18-408-320-291-396-110梁右端-830-798-630-630-336-410-712-30237320586486中左端-849-840-617-62736833169332732812187750).跨中-849-840-6

17、17-8213740-2019-242-218-392-195梁右端-849-840-617-616-394-419-705-333449349881190右左端-826-796-636-61550045170925635127784468).跨中-826-796-636-786-30-610-10-356-349-399-176梁右端-826-796-636-540-462-442-710-320386227860164上端-1079-950-783-516-415-454-684-367-398-239-791-146邊跨中-1079-950-783-768-67-1010-5-30729

18、6396209柱卜端-1079-950-783-579480488859297-307-209-1032-123上端-1406-1301-1500-1011806126161708299-12中跨中-1406-1301-1500193278柱下端-1406-1301-1500-10708057267-105-80-69-3上表數(shù)據(jù)比較可以得跨中彎矩試驗結果與有限元結果一致;而端部彎矩試驗結果與結構 力學計算結果較接近。通過試驗說明，對于多跨大型框架結構，采用平面有限元進行計算較 為合理。4結語水流形態(tài)模擬和平面光彈模型模擬試驗，內容涉及到倒虹吸水力學的所有方面，取得大 量成果，為南水北調中線工程中倒虹吸工程的設計提供了大量有價值的參考資料。另外，對 于大型箱形框架結構，由于其橫向尺寸較大，