倒虹吸管進(jìn)口布置研討

倒虹吸進(jìn)口布置研討

●《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》SL285-2003關(guān)于淹沒深度的有關(guān)規(guī)定●有關(guān)文獻(xiàn)資料對倒虹吸管進(jìn)口布置的意見●湋水倒虹吸設(shè)計運用情況及流態(tài)分析●平原地區(qū)低水頭渠道倒虹吸管進(jìn)口水流流態(tài)分析●渠道倒虹吸水力學(xué)模型試驗研究關(guān)于進(jìn)口布置的試驗成果●長江河渠倒虹吸管設(shè)計運用情況●斜管式進(jìn)口倒虹吸管合理的的進(jìn)口布置型式●斜管式進(jìn)口布置的進(jìn)流特點●結(jié)語一●結(jié)語二

●《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》SL285-2003關(guān)于淹沒深度的有關(guān)規(guī)定

深式進(jìn)水口管頂以上的水深應(yīng)大于最小淹沒深度，最小淹沒深度計算公式為：式中：S

為最小淹沒深度；d為管高；V為斷面平均流速；C

為系數(shù)，對稱進(jìn)水時取C=0.55。圖一深式進(jìn)水口淹沒水深示意圖

●有關(guān)文獻(xiàn)資料對倒虹吸管進(jìn)口布置的意見

有關(guān)倒虹吸管進(jìn)口布置的論述最早是原蘇聯(lián)版的《水工手冊》，后來《水工設(shè)計手冊》、“灌區(qū)水工建筑物叢書”及“取水輸水建筑物叢書”的《倒虹吸管》介紹的內(nèi)容也基本與原蘇聯(lián)版《水工手冊》相同，其主要意見是：倒虹吸管的上下游渠道水位差（設(shè)計水頭）及上下游渠底高差值Z是根據(jù)設(shè)計流量確定的，但通過小流量時，因管內(nèi)流速小于設(shè)計流量時的流速，水頭損失值Z1

也小于設(shè)計水頭值Z，相應(yīng)倒虹吸管進(jìn)口斷面處的水面低于上游渠道水位，使得小流量時渠道水流進(jìn)入倒虹吸管口處發(fā)生水面跌落△Z，并可能在管內(nèi)形成水躍。由于水躍的脈動及摻氣，將引起管身的震動，惡化管道的正常工作條件。上述技術(shù)資料所示通過小流量時倒虹吸進(jìn)口水面銜接示意圖均如圖二所示。圖二大水頭倒虹吸管通過小流量時的進(jìn)口水面銜接示意圖

為了避免在管內(nèi)產(chǎn)生水躍銜接，上述技術(shù)資料提出的倒虹進(jìn)出口結(jié)構(gòu)布置型式為：水面跌落△Z值很大時，可在倒虹吸管出口設(shè)置閘門，利用閘門抬高管進(jìn)口水位使倒虹吸管進(jìn)口淹沒，以消除管內(nèi)的水躍現(xiàn)象；△Z

值較大時，可適當(dāng)降低管道進(jìn)口高程，并在進(jìn)口前設(shè)消力池，池中水躍應(yīng)被管進(jìn)口處的水面淹沒；△Z

值不大時，可略降低管道進(jìn)口高程，并以斜坡與渠底連接?！兜购缥堋愤€明確提出，為消除水躍，應(yīng)將進(jìn)水口頂緣布置在管道通過小流量時進(jìn)口計算水位以下，并保持一定的淹沒深度，以防止急流沖進(jìn)管口并帶入空氣，破壞進(jìn)管水流流態(tài)。●湋水倒虹吸設(shè)計運用情況

實際上，上述小流量時較大的倒虹吸管進(jìn)口水面跌落及水躍現(xiàn)象只會發(fā)生在設(shè)計水頭及上下渠底高差較大的情況下，例如陜西省寶雞峽引渭灌溉工程的湋水倒虹吸就是如此。湋水倒虹吸管身由兩孔直徑為3.25m的鋼筋混凝土管及直徑2.9m的鋼管兩部分組成，校核流量為55m3/s；設(shè)計流量為

52m3/s；校核及設(shè)計流量時的水頭損失計算值分別為3.631m及3.287m，上下游渠底高差為3.23m。該倒虹吸管在實際運行中的情況是，當(dāng)流量小于40

m3/s時，水流即以急流狀態(tài)進(jìn)入管道，在管內(nèi)形成水躍（圖三）。圖三湋水河倒虹吸管通過小流量時的進(jìn)口流態(tài)示意圖

●湋水倒虹吸設(shè)計運用情況及流態(tài)分析湋水倒虹吸管在小流量時出現(xiàn)較大的進(jìn)口水面跌落及水躍現(xiàn)象，其主要原因是由于該倒虹吸管上下游渠底高差較大，小流量時的水頭損失又遠(yuǎn)小于設(shè)計水頭，因而在管道進(jìn)口出現(xiàn)較大的水面跌落及進(jìn)管急流。計算表明，流量30m3/s

時（約相當(dāng)于設(shè)計流量的58%），水頭損失計算值為1.147m，相應(yīng)管進(jìn)口水面約與上游渠底相平，渠道水流進(jìn)入管口的水面落差為△Z=1.9m；當(dāng)流量再小時，管進(jìn)口水面將低于上游渠底，水流進(jìn)入管口的水面落差更大。圖三湋水河倒虹吸管通過小流量時的進(jìn)口流態(tài)示意圖倒虹進(jìn)口一般多設(shè)有閘室或水平連接段，閘室流態(tài)類似于寬頂堰，上游渠道水深為堰上游水深，管進(jìn)口斷面處水面高于閘底的高度為堰下游尾水深，閘下游水流銜接型式及計算方法也與一般閘后帶陡坡的開敞式水閘相似，如果過閘水流落差較大，相當(dāng)于自由式寬頂堰，閘下游躍后水深大于尾水深，就會產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍（圖四）；反之，如果過閘水流落差很小，為淹沒式寬頂堰流態(tài)，其下游尾水深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于躍后水深，就不可能發(fā)生水躍（圖五）。

湋水倒虹吸管進(jìn)口在流量小于40m3/s時出現(xiàn)的較大水面跌落及水躍現(xiàn)象，說其原因是“管道進(jìn)口不淹沒”似不確切，而應(yīng)是“進(jìn)口水流不淹沒”，即進(jìn)口閘下游尾水深偏小，所謂淹沒度也應(yīng)是閘下游尾水的淹沒度。例如湋水倒虹吸管如果不是因為設(shè)計水頭及上下游渠底高差較大，小流量時即使管口水位低于進(jìn)水口頂緣，也不會出現(xiàn)較大的進(jìn)口水面跌落及水躍現(xiàn)象?！衿皆貐^(qū)低水頭渠道倒虹吸管進(jìn)口水流流態(tài)分析

平原地區(qū)的倒虹吸管，設(shè)計水頭及上下游渠底高差均較小，小流量時多不可能出現(xiàn)較大的進(jìn)口水面跌落及水躍現(xiàn)象。有的設(shè)計水頭分配緊張的引水工程，長200～300m的倒虹吸管，設(shè)計水頭僅0.15m左右，管內(nèi)設(shè)計流速僅1.5m/s左右，小流量時流速甚至不足1.0m/s，可以說在任何流量時進(jìn)口水流都是淹沒的，都不會出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，因此似無必要將管進(jìn)口降低。現(xiàn)分別以2座不同長度的倒虹吸為例，分別計算其不同流量時的管進(jìn)口水流銜接情況(上下游渠底的高差等于設(shè)計水頭)。計算成果表明，各種流量時的管進(jìn)口水位落差均很小，躍后水深計算值均遠(yuǎn)小于管進(jìn)口水深（尾水深），進(jìn)口水流都是淹沒的，相應(yīng)的尾水淹沒度為1.7

～2.1，小流量時進(jìn)口水面銜接示意圖如圖六所示，小流量時即使水頭損失為0，管進(jìn)口水面與下游渠道水面相平，進(jìn)口水位最大落差值也就等于設(shè)計水頭，而設(shè)計水頭又如此小，實際上不用計算也可判斷進(jìn)口不可能出現(xiàn)水躍。

圖六低水頭倒虹吸管通過小流量時的進(jìn)口水面銜接示意圖管長及設(shè)計水頭

流量Q(m3/s)

水頭損失

Z1

(m)

上游渠道水深

H

(m)

管道進(jìn)口水位落差

△Z=Z-Z1

(m)

管道進(jìn)口水深hs=h-

△Z

(m)

收縮水深hc

(m)躍后水深

h’’

(m)管長：

L=

137m

設(shè)計水頭：

Z=0.11m500.0012.890.112.780.21.311000.0044.130.1064.0240.341.992000.0295.830.0815.7490.573.052900.0716.960.0396.9210.763.81350(設(shè)計流量)0.117.607.6————管長：

L=1500m設(shè)計水頭：

Z=0.41m500.0082.510.4022.1080.21.21000.0263.730.3843.3460.331.862000.1045.450.3065.1440.552.863200.2737.00.1376.8630.783.82380(設(shè)計流量)0.417.6707.67————平原地區(qū)低水頭大流量倒虹吸管進(jìn)口水流銜接計算成果表

●渠道倒虹吸水力學(xué)模型試驗研究關(guān)于進(jìn)口布置的試驗成果河南省水利勘測設(shè)計院曾于1996年委托鄭州工業(yè)大學(xué)水力學(xué)與河流泥沙研究所進(jìn)行了一座渠倒虹吸的水力學(xué)模型試驗，試驗項目包括倒虹進(jìn)口布置型式及進(jìn)口流態(tài)的試驗研究。模型試驗采用的倒虹設(shè)計資料為：渠道加大流量430m3/s，加大水深6.44m，設(shè)計流量380m3/s，設(shè)計水深6m，管身長370m，設(shè)計水頭0.35m，按加大流量設(shè)計管徑為6孔6×6m矩形斷面，上下游渠底高差與設(shè)計水頭相同為0.35m，進(jìn)口斜管段坡度1：3

。為使水流平順地進(jìn)入管口及減少進(jìn)口水頭損失，管身進(jìn)口采用一段圓弧形頂板，進(jìn)口管底較渠底低1.0m，進(jìn)口閘室底板前段與渠底相平，后段3m按1：3的坡度下降與管口相接。倒虹吸管通過加大流量及設(shè)計流量時，水面均在弧形頂板頂緣以下（圖七）。圖七渠道倒虹吸管水力學(xué)模型試驗的管進(jìn)口流態(tài)示意圖

●渠道倒虹吸水力學(xué)模型試驗研究關(guān)于進(jìn)口布置的試驗成果試驗作了各種流量、不同運用方式時的流態(tài)測試。小流量情況未發(fā)現(xiàn)倒虹進(jìn)口有水躍現(xiàn)象，以50m3/s流量為例，洞口僅有微弱的水波，無水躍和參氣現(xiàn)象。只有當(dāng)流量小于4m3/s時，才有可能在倒虹管口出現(xiàn)數(shù)厘米的水面落差。試驗關(guān)于管身進(jìn)口設(shè)計布置方案的結(jié)論性意見是：倒虹管進(jìn)口邊界較順適，布置合理，在各級流量下可保證渠道水流與倒虹吸管的平穩(wěn)銜接；在6孔全開過流時，無不良流態(tài)；無小流量情況的進(jìn)口水躍問題；基本上無摻氣問題；對于低水頭大流量的倒虹吸管工程，倒虹進(jìn)口頂緣不需要降低至小流量進(jìn)口計算水位以下；倒虹進(jìn)口也會出現(xiàn)惡劣的流態(tài)，但這不是由于進(jìn)口頂緣太高所引起，而是由于不良的運行工況所造成，這在運行操作上需加以注意。

圖七渠道倒虹吸管水力學(xué)模型試驗的管進(jìn)口流態(tài)示意圖

●長江河渠倒虹吸管設(shè)計運用情況

從河南省的梅山灌區(qū)及宿鴨湖灌區(qū)已建的兩座倒虹吸工程實際運用情況看，也不存在因進(jìn)口管頂緣不淹沒而出現(xiàn)小流量產(chǎn)生水躍及管身震動等不良現(xiàn)象。這兩座倒虹吸的設(shè)計水頭及上下游渠底高差相對較大，而且其實際過水流量均比設(shè)計流量小得多，也就是說經(jīng)常在小流量狀態(tài)下運行。據(jù)兩座倒虹的管理單位介紹，在小流量過水時，進(jìn)口均無震動感。梅山灌區(qū)南干渠長江河渠倒虹吸管的設(shè)計運用情況如下（圖八）。長江河渠倒虹吸設(shè)計流量40m3/s，渠道設(shè)計水深2.76m，倒虹吸管長135m，設(shè)計水頭及上下游渠底高差均為Z=0.5m，管身為2孔3×3m的鋼筋混凝土矩形斷面，進(jìn)口斜管段坡度1：6，為使水流平順地進(jìn)入管口及減少進(jìn)口水頭損失，管身進(jìn)口采用半徑為1.2m的圓弧形頂板，進(jìn)口管底較渠底低0.6m，進(jìn)口閘室底板前段與渠底相平，后段降低0.6m與管口相接，倒虹吸管通過設(shè)計流量時的水面在弧形頂板頂緣以下的圓弧形頂板段。

圖六長江河渠道倒虹吸管通過小流量時的進(jìn)口流態(tài)示意圖

圖八長江河倒虹吸管通過小流量時的進(jìn)口流態(tài)示意圖該倒虹吸于1967年建成運用，除建成初期曾通過設(shè)計流量

40m3/s外，經(jīng)常的通水流量為

20m3/s左右。根據(jù)計算，20m3/s

流量時渠道水深為1.98m，倒虹吸管水頭損失

Z1=0.14m，進(jìn)口前水位落差△Z=0.46

m。從水流流態(tài)看，仍相當(dāng)于淹沒式寬頂堰，也就是說，雖然管進(jìn)口水面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于弧形頂板頂緣，但進(jìn)口水流還是淹沒的。此倒虹吸的設(shè)計水位并沒有淹沒管口頂緣，小流量也不產(chǎn)生水躍，自建成至今已正常運用

30余年，未出現(xiàn)因不良流態(tài)引起的管身結(jié)構(gòu)損壞情況。

●斜管式進(jìn)口倒虹吸管合理的進(jìn)口布置型式

綜上所述，對于平原地區(qū)低水頭、小流速、斜管式進(jìn)口的倒虹吸管，進(jìn)口水流都是淹沒的，似不必過多降低管進(jìn)口高程。對于設(shè)計水頭及流速較大的倒虹吸管，例如穿過渠道的河倒虹吸管或山丘地區(qū)的渠道倒虹吸管，為了避免小流量時可能在管進(jìn)口形成水躍，應(yīng)校核小流量時進(jìn)口水流是否淹沒，如水流不淹沒，則需將管進(jìn)口及連接段底部下降。校核方法是根據(jù)小流量時的倒虹下游水位及小流量時的水頭損失，推算出管進(jìn)口斷面處的水位，再計算相應(yīng)的進(jìn)口水位落差△Z=H-hs，式中H為上游渠道水深，hs為以上游渠底為基準(zhǔn)面的管進(jìn)口水深（圖九），然后按寬頂堰進(jìn)行堰下游水流銜接計算，如果管進(jìn)口水深hs大于躍后水深h’’，并有一定的淹沒度，說明進(jìn)口水流淹沒，管進(jìn)口不需降低；反之，如果管進(jìn)口水深hs小于躍后水深h’’，說明進(jìn)口水流不淹沒，就需要將管進(jìn)口及連接段底部下降，如降低后的管進(jìn)口水深hs’大于躍后水深h’’，并有一定的淹沒度(按水躍淹沒要求，淹沒系數(shù)可取1.05～1.1)，則進(jìn)口淹沒滿足要求，相應(yīng)管進(jìn)口降低值為hs’-hs。此時，管進(jìn)口水面可能高于管進(jìn)口頂緣，也可能低于管進(jìn)口頂緣。也就是說淹沒的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是進(jìn)口水流要有一定的淹沒度，而不一定要求進(jìn)口水面在管進(jìn)口頂緣以上有多大的淹沒深度。圖九降低倒虹吸管進(jìn)口使水流淹沒示意圖

●斜管式進(jìn)口倒虹吸管的進(jìn)流特點

對于斜管式的進(jìn)口布置，管進(jìn)口頂緣以上的淹沒深度以何為準(zhǔn)也值得商討，

例如對于園弧喇叭形進(jìn)口布置型式，如何確定進(jìn)口頂緣位置就是個問題。如圖十所示，如果倒虹管進(jìn)口頂板與管頂擋墻呈折線形連接，交點O

為管進(jìn)口頂緣，這時管進(jìn)口設(shè)計水位▽1

在O點以上，可認(rèn)為淹沒了管口。但為了使進(jìn)管水流更加平順及減小進(jìn)口水頭損失，比較合理的布置是管進(jìn)口段采用圓弧形頂板，這樣，管進(jìn)口頂板與管頂擋墻的交點抬高至O′

點，如果認(rèn)為O′點是管進(jìn)口頂緣，則管進(jìn)口設(shè)計水位

▽1變到管進(jìn)口頂緣以下，不再淹沒管口，但顯然這時的水流條件更優(yōu)于交點O在水面以下的折線形連接布置型式。圖十倒虹吸管進(jìn)口頂緣不同布置型式示意圖●斜管式進(jìn)口倒虹吸管的進(jìn)流特點

如前所述的作水力學(xué)模型試驗的倒虹吸及長江河渠倒虹吸均采用這種布置及進(jìn)流方式，各種流量時的進(jìn)口水位也均低于管進(jìn)口頂緣(O′點），水力學(xué)模型試驗成果及實際運用情況均表明不會因為沒有淹沒進(jìn)口頂緣產(chǎn)生不良流態(tài)，而是進(jìn)口水流均為比較順暢的淹沒流。圖十倒虹吸管進(jìn)口頂緣不同布置型式示意圖

有關(guān)深式進(jìn)水口淹沒深度計算的經(jīng)驗公式附圖均類似于圖一所示，其進(jìn)口管段為平管，淹沒水深的計算基點為管頂面，顯然，上游水位超過了管頂面就淹沒了管口。但是對于進(jìn)口管段為斜管的倒虹吸管，哪里算管口？特別是進(jìn)口段頂板頂面為圓弧形布置時，又如何確定淹沒水深的計算基點？都值得考慮。平管與斜管的進(jìn)口流態(tài)應(yīng)該是有區(qū)別的，壓力流的平管進(jìn)口如果淹沒度不夠，還可能出現(xiàn)明滿流交替的不良流態(tài)。對倒虹吸斜管段的進(jìn)管水流來說，進(jìn)水口或壓力流管口實際上是變動的，可認(rèn)為水面與斜管頂面的交點處即為壓力管的進(jìn)口，如圖八所示，當(dāng)進(jìn)口水位為▽1

時，壓力管進(jìn)口為A點處，當(dāng)進(jìn)口水位為▽2

時，管進(jìn)口為A′點處，交點以后為壓力管流，交點以前為具有自由水面的明流。斜管段并不存在平管段那樣的明滿流交替問題，對于斜管式進(jìn)口的倒虹吸來說，其后的平管段在任何流量情況下的淹沒水深均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過要求值。

●結(jié)語一

（一）過去倒虹吸管的設(shè)計沒有相應(yīng)的規(guī)范，一般在設(shè)計中都沒有按深式進(jìn)水口臨界淹沒水深的要求來布置管進(jìn)口高程。由于原《水電站進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》SD303-88

經(jīng)過修編后成為《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》SL285-2003，作為水利工程的倒虹吸管進(jìn)水口，似理所當(dāng)然地也應(yīng)執(zhí)行該規(guī)范有關(guān)進(jìn)口布置的規(guī)定，但從一般平原地區(qū)低水頭、斜管式進(jìn)水口倒虹吸管的工程特點、總體布置型式等方面考慮，是有別于水電站的進(jìn)水口的，倒虹吸的斜管式進(jìn)水口流態(tài)不同于如圖一所示的平管進(jìn)水口流態(tài)，圖一所示的管頂淹沒水深是從平管頂面算起的，斜管式進(jìn)水口倒虹吸管如也從平管段頂面算起，則斜管進(jìn)口管底與渠底相平時，其平管段完全能滿足淹沒深度要求。（二）對于孔徑較大的倒虹吸管，如按深式進(jìn)水口臨界淹沒水深公式計算，管進(jìn)口可能降低過多，例如當(dāng)管高7m左右時，管進(jìn)口及進(jìn)口閘底板需較渠底降低3m

左右，相應(yīng)上游數(shù)十米長的漸變段也需逐漸降低；由于進(jìn)口閘底降低較多，不僅增加了施工難度，也對閘室的穩(wěn)定帶來不利因素，為滿足穩(wěn)定要求，還要增加閘室長度及結(jié)構(gòu)尺寸；同樣由于閘底降低較多，也要加大閘門尺寸及