管道水力學(xué)效仿實(shí)驗(yàn)探索范文

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作者：李娟韓明軒牧振偉張陽(yáng)張庚單位：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

模型設(shè)計(jì)

倒虹吸水力學(xué)試驗(yàn)中為了便于觀察流態(tài)，進(jìn)出口采用有機(jī)玻璃板制作，管身段采用有機(jī)玻璃管制作。由試驗(yàn)測(cè)定：管道沿程阻力系數(shù)λ和粗糙系數(shù)n隨著流量的減小而減小，取值偏大時(shí)對(duì)倒虹吸過(guò)流能力驗(yàn)證更有利。選取設(shè)計(jì)流量Q＝18m3／s時(shí)，模型管道沿程水頭損失系數(shù)λ＝0．01756。依據(jù)重力相似準(zhǔn)則長(zhǎng)度比尺為16，管道直徑為20cm。

其他相應(yīng)比尺見表1。照此比尺，模型總長(zhǎng)度約有137m。而現(xiàn)有試驗(yàn)場(chǎng)地條件不能滿足要求，因此采用縮短管長(zhǎng)的模型設(shè)計(jì)方法，將整體模型進(jìn)行了縮短處理。形體阻力雖有類似的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，但遠(yuǎn)不足作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，目前仍依靠水力學(xué)模型試驗(yàn)來(lái)確定其局部水頭損失系數(shù)。

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

試驗(yàn)成果與分析

1管道水頭損失

水頭損失是設(shè)計(jì)人員關(guān)心的主要問(wèn)題之一，沿程水頭損失根據(jù)渠道的糙率計(jì)算，局部水頭損失則與流態(tài)、邊界條件、流速等密切相關(guān)。在長(zhǎng)倒虹吸模型試驗(yàn)中，沿程水頭損失占總水頭損失的絕大部分，只有在設(shè)計(jì)初選糙率與原型管道糙率完全一致時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果才有意義。而糙率是反映邊界各種影響因素的一個(gè)綜合性系數(shù)，其值不易準(zhǔn)確確定，工程上一般是根據(jù)邊壁的狀況，邊界的整齊程度，參照多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，而且糙率也隨著工程運(yùn)行的時(shí)間有所變化。因此，可以結(jié)合原型觀測(cè)，為設(shè)計(jì)初選n值提供可靠的依據(jù)。考慮到安全問(wèn)題，試驗(yàn)依據(jù)的糙率值采用三個(gè)泉倒虹吸原型實(shí)測(cè)值［8］（n＝0．0135）與設(shè)計(jì)計(jì)算分兩種不同糙率值進(jìn)行比較。由表2可知，PCCP管試驗(yàn)值與糙率為0．0135時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算值較接近，且低于設(shè)計(jì)允許水頭3．5m，能較好滿足設(shè)計(jì)要求。

2水位流量關(guān)系

下游明渠水深由渠道處尾門控制，流量控制通過(guò)三角堰進(jìn)行測(cè)量。不同水位差所對(duì)應(yīng)的流量見圖1，通過(guò)流量調(diào)至設(shè)計(jì)流量Q＝18m3／s：PCCP管倒虹吸上游進(jìn)口水位（645．007m）低于設(shè)計(jì)水位（645．955m），試驗(yàn)值比設(shè)計(jì)水位低0．948m，當(dāng)上游進(jìn)口為設(shè)計(jì)水位時(shí)，管道過(guò)流量為Q＝19．21m3／s，即試驗(yàn)實(shí)測(cè)管道的過(guò)流能力大于設(shè)計(jì)值。

3最大壓力

對(duì)于PCCP管道能承受高的內(nèi)壓和外荷載：我國(guó)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工作壓力為0．4～2．0MPa［9］。管道承受壓力設(shè)計(jì)值為0．6MPa，試驗(yàn)量測(cè)倒虹吸在不同流量下沿程管道的壓力分布。表3為試驗(yàn)測(cè)得不同流量下管道最大壓力值。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)滿足要求。

4管道進(jìn)出口流態(tài)

倒虹吸主要分為3個(gè)運(yùn)行工況：初期充水流量在0．5m3／s以內(nèi)，正常運(yùn)行控制流量在0．5～18m3／s以內(nèi)，放空排砂流量控制在0～0．5m3／s。通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，當(dāng)流量從0．5m3／s增加至12m3／s時(shí)，水面稍有波動(dòng)，進(jìn)口水面基本平穩(wěn)；流量由13m3／s增至15m3／s時(shí)，進(jìn)口處水面波動(dòng)劇烈并有間歇性立軸漩渦形成；當(dāng)流量大于16m3／s時(shí)，立軸漩渦消失，進(jìn)口水面波動(dòng)減弱，逐漸恢復(fù)到較平穩(wěn)的狀態(tài)。倒虹吸管道出口流態(tài)不受流量大小的影響，水面基本沒(méi)有波動(dòng)。原因分析：由試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，上游沉沙池與消力池之間的渠段在過(guò)流時(shí)形成寬頂堰流。當(dāng)流量在Q＝0．5～12m3／s之間，堰下游為自由出流，消力池中無(wú)水躍形成。隨著流量的增加，消力池與前池中水深增加，當(dāng)流量Q＝13～15m3／s時(shí)，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(dòng)，直至整個(gè)寬頂堰形成淹沒(méi)出流。即在流量Q＝13～15m3／s過(guò)程中，上游渠道與前池之間形成波狀水躍→臨界水躍→淹沒(méi)水躍→淹沒(méi)出流的過(guò)渡流。由于過(guò)渡流水流流態(tài)極不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致管道進(jìn)口水面劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象。前池流態(tài)對(duì)倒虹吸的正常運(yùn)行有著重要影響。

建議對(duì)進(jìn)口段進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)水口旋渦可通過(guò)合理設(shè)計(jì)、改善進(jìn)口水流邊界條件、修建專門的建筑物或安裝專門的結(jié)構(gòu)物予以消除；對(duì)于已建成的進(jìn)水口，也可以通過(guò)合理的運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整。工程上常用以下方法來(lái)減小和消除漩渦［10－11］：①加大淹沒(méi)深度或降低流速，降低流速可采用在進(jìn)口前設(shè)置隔欄或者排筏；②對(duì)于河道倒虹吸可加長(zhǎng)引水渠道的長(zhǎng)度或加高進(jìn)口兩側(cè)翼墻阻斷橫向水流以減小進(jìn)水口周圍環(huán)量，但會(huì)增加工程量；③分流墩應(yīng)呈流線性，使邊界層分離點(diǎn)向后移；④胸墻圓弧化或向上游傾斜，可起到擠壓漩渦區(qū)的作用，引導(dǎo)水流平順下泄，達(dá)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(jīng)濟(jì)合理。

結(jié)論

①通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，得到倒虹吸的流量水位關(guān)系、水頭損失、最大壓力以及水流流態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

②進(jìn)口當(dāng)流量Q＝0．5～12m3／s時(shí)，隨著流量的增加，水面稍有波動(dòng)，但管道進(jìn)口水面基本平穩(wěn)。發(fā)現(xiàn)流量在13～15m3／s時(shí)有水躍產(chǎn)生使管道進(jìn)水口面劇烈波動(dòng)，建議對(duì)上游沉沙池與消力池之間渠道進(jìn)行優(yōu)化，使流態(tài)平穩(wěn)。

③工程建成運(yùn)行后，建議加強(qiáng)對(duì)倒虹吸進(jìn)出口水位、管道沿程壓力等參數(shù)進(jìn)行原型觀測(cè)，確保工程安全有效運(yùn)行。為了避免進(jìn)水口出現(xiàn)漩渦，倒虹吸管道應(yīng)盡量在高水位情況下運(yùn)行，在進(jìn)口前設(shè)置隔欄或者漂浮式的排筏等，減小進(jìn)口處的水流流速，降低水流的紊動(dòng)動(dòng)能，有效的減少漩渦產(chǎn)生，更好的保護(hù)建筑物的安全。