南水北調(diào)淇河水力學(xué)模型試驗(yàn)觀測(cè)綜述

1、南水北調(diào)淇河水力學(xué)模型試驗(yàn)觀測(cè)綜述陳然（華北水利水電學(xué)院，鄭州450046）【摘要】倒虹吸模型試驗(yàn)，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(jìn)行觀測(cè)和分析研究，然后將模型試驗(yàn)的成果換算和應(yīng)用到原型 中，分析判斷原型的情況。對(duì)倒虹吸的模型試驗(yàn)研究，通過(guò)水流重力相似，水流阻力相似、 泥沙起動(dòng)相似、水流輸沙相似、河床變形相似、水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間相似模型，實(shí)驗(yàn)洪水過(guò)程中對(duì) 河道的充數(shù)影響情況，從而為倒虹吸的設(shè)計(jì)和防護(hù)提供依據(jù)。【關(guān)鍵詞】倒虹吸抗刷措施動(dòng)床模型水躍平面光彈試驗(yàn)1概述南水北調(diào)中線工程橫跨江、淮、黃、海四大流域，是一項(xiàng)特大型調(diào)水工程，倒虹吸工程 是該調(diào)水工程中

2、數(shù)量最多的一種河渠交叉建筑物。其特點(diǎn)是流量大、水頭小、規(guī)模空前、投 資巨大。通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究，探索倒虹吸工程合理的布置型式、運(yùn)行方式，揭示大型倒 虹吸工程特有的水力學(xué)問(wèn)題，提出解決的措施，使工程設(shè)計(jì)建立在可靠的技術(shù)基礎(chǔ)上，具 有重大的工程意義和理論價(jià)值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，倒虹吸工程的水力學(xué)試驗(yàn)研究以淇河渠倒虹吸為背景以淇河渠倒虹 吸初步設(shè)計(jì)資料為依據(jù)。淇河渠倒虹吸進(jìn)口右側(cè)布置有退水閘，漸變段為不對(duì)稱(chēng)型式。倒虹 吸洞身長(zhǎng)370m，設(shè)計(jì)流量380m3/ s，加大流量430m3/ s，分配水頭0.35m，按加大流量計(jì)算 洞徑為6孑L6X6m矩形斷面。通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，計(jì)算相應(yīng)的總水頭損失為0.273m

3、。設(shè)計(jì)中各項(xiàng)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(shè)計(jì)水深6m，相應(yīng)流速1.09m/ s，加大水深6. 44m，相應(yīng)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(xiàng)阻力系數(shù)為：上游不對(duì)稱(chēng)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(mén)槽損失系數(shù)0. 1，進(jìn)口損失系數(shù)0. 15，彎道損失系數(shù)每個(gè)0. 05。根 據(jù)要求，為使試驗(yàn)研究成果準(zhǔn)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(yán)格做到邊界幾何相似及模型糙率相似。對(duì)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(zhǎng)度。2倒虹吸水力學(xué)觀測(cè)倒虹吸觀測(cè)包括：在各級(jí)流量和各種運(yùn)用情況下對(duì)進(jìn)、出口流態(tài)，渦流特點(diǎn)及危害以及 其他水力學(xué)問(wèn)題以及平面光彈模型進(jìn)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(rèn)為糙率可達(dá)到nm =0. 0090.011。然而，根據(jù)本水力學(xué)模型的特點(diǎn)，總干渠部分僅主要涉及倒虹吸進(jìn)出口漸 變段及其一部分前后延伸部分，最大有效長(zhǎng)度僅約200m，由于原、模型阻力系數(shù)的差值所 產(chǎn)生的量測(cè)結(jié)果的偏差最大為0. 2mm，該值十分微小，幾乎接近水位測(cè)針的量測(cè)精度，故可以認(rèn)為，雖然原、模型總干渠 阻力系數(shù)不能做到完全相同，但對(duì)本研究的具體問(wèn)題而言

5、不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，且量測(cè)結(jié)果 偏于安全。2.2非對(duì)稱(chēng)漸變段水流均勻的渠道水流進(jìn)入非對(duì)稱(chēng)漸變段后，退水閘前出現(xiàn)大片靜水區(qū)，漸變段右側(cè)順鐘向回流范圍和強(qiáng)度均較弱，該側(cè)水位明顯高于左側(cè)。左側(cè)水流受右側(cè)回流和靜水區(qū)壓縮，水深 變小，流速增大。在Q加時(shí)，左、右岸水位差最大達(dá)0. 035m左右。退水閘前是未來(lái)的淤積區(qū) 應(yīng)予注意。退水閘進(jìn)口的邊界情況對(duì)倒虹吸運(yùn)行無(wú)明顯不利影響，但其最終體型應(yīng)由退水閘 的運(yùn)用條件決定。漸變段內(nèi)縱向水面變化分為三個(gè)區(qū)域：前區(qū)，水面變化十分微小，部分地 區(qū)由動(dòng)能恢復(fù)產(chǎn)生水面雍高。中區(qū)，漸變段內(nèi)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(shí)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(duì)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(guò)流情況。過(guò)閘槽后, 底部水流受進(jìn)口下緣影響，流線擴(kuò)散，頂部受進(jìn)口頂曲面壁阻礙產(chǎn)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(guò)流時(shí)，波高可達(dá)lm左右。洞進(jìn)口水流， 高水位時(shí)表現(xiàn)為收縮效應(yīng)的增速流，低水位時(shí)表現(xiàn)為擴(kuò)散效應(yīng)的減速流。相反，倒虹吸出口 水流，低水位時(shí)表現(xiàn)為收縮增速流，而高水位時(shí)擴(kuò)散減速效應(yīng)不甚明顯。門(mén)槽的影響受門(mén)槽 的位置、墩頭離解渦的強(qiáng)度、門(mén)槽水流的流態(tài)特性（Re表征）、斷面特性等的制約，十分復(fù) 雜。

7、實(shí)測(cè)分析表明，門(mén)槽對(duì)水流的影響甚小，有時(shí)可以分辨，有時(shí)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(kāi)始入洞所產(chǎn)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(mǎn)流狀態(tài)，該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于大流量運(yùn)行情況。明、滿(mǎn)流銜接狀態(tài)，該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于小流量情況。此處所指的明、滿(mǎn)流問(wèn)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(dòng)洞身水流的壓力脈動(dòng)是明顯的。觀測(cè)表明，這種壓力脈動(dòng)，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(cè)壓管衰減后的壓力脈動(dòng)幅值，洞首及彎道區(qū)最大為

8、0.2m，在洞尾部?jī)H約0.03m0.05m。2. 4. 2挾氣挾氣現(xiàn)象是進(jìn)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(kāi)過(guò)流時(shí)，不是發(fā)生在最大流量，也不是發(fā)生在小流量時(shí)的進(jìn)口水躍，可以證 明，對(duì)南水北調(diào)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(jìn)口水躍。挾氣現(xiàn)象發(fā)生在某個(gè)敏感的水位和流量。據(jù)試驗(yàn)觀察這一水位約在9.m92m左右。當(dāng)水 位接近這一水位區(qū)，洞口水面波動(dòng)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(jìn)入洞中后首先 在./3斜洞段作原位顫動(dòng)、群移、徊旋少數(shù)逆流上溯

9、，更多的則通過(guò)順流向的橫掃進(jìn) 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(tuán)。挾氣的特點(diǎn)是洞中氣泡全都沿洞頂邊壁運(yùn)動(dòng),水流無(wú)摻氣現(xiàn) 象。當(dāng)上游水位升高，進(jìn)口波動(dòng)減弱，挾氣現(xiàn)象隨之消失。當(dāng)上游水位下降，進(jìn)口流速變小， 也不構(gòu)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(huì)對(duì)倒虹吸洞的正常運(yùn)行產(chǎn)生有害影響。洞出口水流在Q = 430m3 / s時(shí)，洞口水位僅95.25m，Q= 380m5/ s時(shí)洞口水位僅達(dá)94.77m，這時(shí)， 出口流速除方向有2.29。之差外，速度幾乎與洞內(nèi)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(gè)現(xiàn)象，在洞軸線上，水流出閘室后，流速減小，動(dòng)能恢復(fù)水位抬高。水流在墩尾解離脫 流，壓強(qiáng)降低，水位降落。加上卡門(mén)渦街的影響，水流左右擺動(dòng)，上、下波動(dòng)構(gòu)成十分復(fù)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(dòng)能恢復(fù)與摩阻損失的共同作用，在各級(jí)流量下，無(wú)脫流與回流、水流 擴(kuò)散效應(yīng)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(duì)水流現(xiàn)象的深刻認(rèn)識(shí)和處理技巧。作為設(shè)計(jì)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(guò)流六孔過(guò)流時(shí)，小流量情況末發(fā)現(xiàn)倒

11、虹吸進(jìn)口水躍情況，以Q = 5Om3/ s為例，此時(shí)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(wú)水 躍和摻氣現(xiàn)象。局部洞孔過(guò)流時(shí)，主要出現(xiàn)以下問(wèn)題。進(jìn)口繞閘墩渦嚴(yán)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(yùn)行至進(jìn) 口曲壁時(shí)，激起波浪，加之下沉水流與微弱立軸渦的作用，氣泡進(jìn)入洞中，經(jīng)歷運(yùn)移，結(jié) 合，分裂，順?biāo)鲙У较掠?，這種挾氣狀況從數(shù)量上說(shuō)只限水面與洞頂，對(duì)洞的正常運(yùn)用 無(wú)大影響。出口漸變段大范圍大尺度擺動(dòng)水流這種大尺度擺動(dòng)水流來(lái)源于水流擴(kuò)散時(shí)的不穩(wěn)定性 特別發(fā)生在兩孔開(kāi)啟情汛況，如開(kāi)2、5孑L，開(kāi)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(dǎo)致洞內(nèi)瞬時(shí)壓強(qiáng)變化形成下游局部流速增大對(duì)工程不利， 需采取工程措施（如做低隔水墻等）解決。至于對(duì)洞內(nèi)的影響可用關(guān)閉下游疊梁閘門(mén)來(lái)解決。 2.8上游通氣孔設(shè)置實(shí)側(cè)倒虹吸進(jìn)口曲面壓強(qiáng)分布，均為正壓，無(wú)法正常通氣。一般通氣孔設(shè)置主要用于穩(wěn) 定水流、防止氣蝕，這些問(wèn)題對(duì)南水北調(diào)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(jìn)口曲面無(wú)不良水力狀態(tài)。底部進(jìn)口的邊界形式，其壓強(qiáng)也均為正壓。試驗(yàn)中觀 察到上游斜管段較大的壓強(qiáng)脈動(dòng)，這除與來(lái)流閘墩頭等影響因素有關(guān)外，肯定與進(jìn)口底 部折線形邊界有關(guān)，若能將折線邊界修園、水力效果更好。此處通過(guò)1 /20的大型水工

13、模型試驗(yàn)和廣泛的資料分析論證，內(nèi)容涉及到倒虹吸水力 學(xué)的所有方面，取得大量成果，為南水北調(diào)中線工程中倒虹吸工程的設(shè)計(jì)提供了大量有價(jià) 值的設(shè)計(jì)和參考資料。3倒虹吸平面光彈模型試驗(yàn)觀測(cè)平面光彈模型試驗(yàn)的主要目的是：模擬河道有水、管道無(wú)水情況進(jìn)行加載試驗(yàn)，并將試 驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)和二維有限元結(jié)果進(jìn)行比較分析。對(duì)于光彈模型試驗(yàn)，為了保持其應(yīng)力狀態(tài)與原型一致，要求倒虹結(jié)構(gòu)模型與地基的彈模 比與原型倒虹結(jié)構(gòu)與地基的彈模比一致。原型倒虹結(jié)構(gòu)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(duì)于平面光彈模型， 試驗(yàn)是在室溫條件下進(jìn)行的，

14、倒虹結(jié)構(gòu)材料為環(huán)氧樹(shù)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(niǎo)=3.7 MPa，則Ej/E2=919e1 000，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn) 要求。3.1.3模型的邊界條件為了充分保證地基對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，地基深度為模型高度的1.5倍，左邊地基長(zhǎng)度為模 型長(zhǎng)度的1.5倍。在倒虹結(jié)構(gòu)計(jì)算中取一聯(lián)計(jì)算，其地基邊界條件為，倒虹結(jié)構(gòu)右邊為對(duì)稱(chēng) 面，地基不產(chǎn)生側(cè)向位移，但可以產(chǎn)生垂直位移；而倒虹結(jié)構(gòu)左邊地基長(zhǎng)度為1.5倍的倒虹 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，可以認(rèn)為增載引起的應(yīng)力趨于0;而地基深度為1.5倍的倒虹結(jié)構(gòu)高度，可以認(rèn)為 該處的水平變位和垂直邊位均為0。為了達(dá)到上述的邊界要求，在地基模型左側(cè)

15、和底部采用 厚木板強(qiáng)制約束，并將地基模型的左側(cè)與厚木板粘牢。在地基模型右側(cè)留一小縫與固定的厚 木板分開(kāi)，在微小縫內(nèi)鋪上光滑的塑料薄膜，保證地基模型的右側(cè)水平位移受到右邊厚木板 的約束，但可以產(chǎn)生垂直位移3.2平面光彈試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅敬卧囼?yàn)?zāi)M河道有水、管內(nèi)無(wú)水工況進(jìn)行加載試驗(yàn)。模型具體尺寸如上圖示，模型用 環(huán)氧樹(shù)脂板在銑床上加工而成，模型頂部和兩側(cè)所承受的分布力勺口列于下表1中。表1模型頂部和四側(cè)所承受分布力汨MPa/CqgJMPa垂直水至、土匝0.3380.70.237右側(cè)外水壓、土壓Q 6卜0.1620.70.114Q 6卜0.2020.70.142Oh0.1820.70.128左側(cè)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(duì)實(shí)體有限元進(jìn)行分析得到的結(jié)果如下表2。表2有限元分析所得的應(yīng)力分布面、內(nèi)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(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果一致;而端部彎矩試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu) 力學(xué)計(jì)算結(jié)果較接近。通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)于多跨大型框架結(jié)構(gòu)，采用平面有限元進(jìn)行計(jì)算較 為合理。4結(jié)語(yǔ)水流形態(tài)模擬和平面光彈模型模擬試驗(yàn)，內(nèi)容涉及到倒虹吸水力學(xué)的所有方面，取得大 量成果，為南水北調(diào)中線工程中倒虹吸工程的設(shè)計(jì)提供了大量有價(jià)值的參考資料。另外，對(duì) 于大型箱形框架結(jié)構(gòu)，由于其橫向尺寸較大，