管道水力學效仿實驗探索范文

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作者：李娟韓明軒牧振偉張陽張庚單位：新疆農業大學水利與土木工程學院

模型設計

倒虹吸水力學試驗中為了便于觀察流態，進出口采用有機玻璃板制作，管身段采用有機玻璃管制作。由試驗測定：管道沿程阻力系數λ和粗糙系數n隨著流量的減小而減小，取值偏大時對倒虹吸過流能力驗證更有利。選取設計流量Q＝18m3／s時，模型管道沿程水頭損失系數λ＝0．01756。依據重力相似準則長度比尺為16，管道直徑為20cm。

其他相應比尺見表1。照此比尺，模型總長度約有137m。而現有試驗場地條件不能滿足要求，因此采用縮短管長的模型設計方法，將整體模型進行了縮短處理。形體阻力雖有類似的經驗公式計算，但遠不足作為設計的依據，目前仍依靠水力學模型試驗來確定其局部水頭損失系數。

等效損失替代法［7］，即用阻力環來保證局部水頭損失等效縮短段的總水頭損失。由試驗測得的流量Q＝18m3／s時，單個阻力環的局部阻力系數ζ＝0．47。選用16個直徑為17cm的阻力環，22m的模型管道（不包括進出口段）等效代替管長1935m與實際管長1928m基本相符。縮短后的模型總長度約32m。為確保流態相似要在阻力閥的前后留足夠的過渡段。整體模型包括以下3部分：進口模擬段（樁號2＋100～2＋202），等效損失替代段（樁號2＋202～4＋100），出口模擬段（樁號4＋100～4＋200）。

試驗成果與分析

1管道水頭損失

水頭損失是設計人員關心的主要問題之一，沿程水頭損失根據渠道的糙率計算，局部水頭損失則與流態、邊界條件、流速等密切相關。在長倒虹吸模型試驗中，沿程水頭損失占總水頭損失的絕大部分，只有在設計初選糙率與原型管道糙率完全一致時，試驗結果才有意義。而糙率是反映邊界各種影響因素的一個綜合性系數，其值不易準確確定，工程上一般是根據邊壁的狀況，邊界的整齊程度，參照多年來的經驗來確定，而且糙率也隨著工程運行的時間有所變化。因此，可以結合原型觀測，為設計初選n值提供可靠的依據。考慮到安全問題，試驗依據的糙率值采用三個泉倒虹吸原型實測值［8］（n＝0．0135）與設計計算分兩種不同糙率值進行比較。由表2可知，PCCP管試驗值與糙率為0．0135時設計計算值較接近，且低于設計允許水頭3．5m，能較好滿足設計要求。

2水位流量關系

下游明渠水深由渠道處尾門控制，流量控制通過三角堰進行測量。不同水位差所對應的流量見圖1，通過流量調至設計流量Q＝18m3／s：PCCP管倒虹吸上游進口水位（645．007m）低于設計水位（645．955m），試驗值比設計水位低0．948m，當上游進口為設計水位時，管道過流量為Q＝19．21m3／s，即試驗實測管道的過流能力大于設計值。

3最大壓力

對于PCCP管道能承受高的內壓和外荷載：我國產品的標準工作壓力為0．4～2．0MPa［9］。管道承受壓力設計值為0．6MPa，試驗量測倒虹吸在不同流量下沿程管道的壓力分布。表3為試驗測得不同流量下管道最大壓力值。在設計流量Q＝18m3／s情況下，管道最大壓力都小于0．5MPa，最大壓力位置位于倒虹吸管最低段末端。因此，管道承受壓力設計滿足要求。

4管道進出口流態

倒虹吸主要分為3個運行工況：初期充水流量在0．5m3／s以內，正常運行控制流量在0．5～18m3／s以內，放空排砂流量控制在0～0．5m3／s。通過試驗觀測，當流量從0．5m3／s增加至12m3／s時，水面稍有波動，進口水面基本平穩；流量由13m3／s增至15m3／s時，進口處水面波動劇烈并有間歇性立軸漩渦形成；當流量大于16m3／s時，立軸漩渦消失，進口水面波動減弱，逐漸恢復到較平穩的狀態。倒虹吸管道出口流態不受流量大小的影響，水面基本沒有波動。原因分析：由試驗現象可以看出，上游沉沙池與消力池之間的渠段在過流時形成寬頂堰流。當流量在Q＝0．5～12m3／s之間，堰下游為自由出流，消力池中無水躍形成。隨著流量的增加，消力池與前池中水深增加，當流量Q＝13～15m3／s時，消力池中首先形成波狀水躍，并且水躍的位置隨著流量的增加逐漸向上游移動，直至整個寬頂堰形成淹沒出流。即在流量Q＝13～15m3／s過程中，上游渠道與前池之間形成波狀水躍→臨界水躍→淹沒水躍→淹沒出流的過渡流。由于過渡流水流流態極不穩定，從而導致管道進口水面劇烈波動的現象。前池流態對倒虹吸的正常運行有著重要影響。

建議對進口段進行優化，進水口旋渦可通過合理設計、改善進口水流邊界條件、修建專門的建筑物或安裝專門的結構物予以消除；對于已建成的進水口，也可以通過合理的運行方式進行調整。工程上常用以下方法來減小和消除漩渦［10－11］：①加大淹沒深度或降低流速，降低流速可采用在進口前設置隔欄或者排筏；②對于河道倒虹吸可加長引水渠道的長度或加高進口兩側翼墻阻斷橫向水流以減小進水口周圍環量，但會增加工程量；③分流墩應呈流線性，使邊界層分離點向后移；④胸墻圓弧化或向上游傾斜，可起到擠壓漩渦區的作用，引導水流平順下泄，達到消減漩渦的功效。建議本工程選用降低流速的方法更為經濟合理。

結論

①通過水力學模型試驗，得到倒虹吸的流量水位關系、水頭損失、最大壓力以及水流流態，滿足設計要求。

②進口當流量Q＝0．5～12m3／s時，隨著流量的增加，水面稍有波動，但管道進口水面基本平穩。發現流量在13～15m3／s時有水躍產生使管道進水口面劇烈波動，建議對上游沉沙池與消力池之間渠道進行優化，使流態平穩。

③工程建成運行后，建議加強對倒虹吸進出口水位、管道沿程壓力等參數進行原型觀測，確保工程安全有效運行。為了避免進水口出現漩渦，倒虹吸管道應盡量在高水位情況下運行，在進口前設置隔欄或者漂浮式的排筏等，減小進口處的水流流速，降低水流的紊動動能，有效的減少漩渦產生，更好的保護建筑物的安全。