周永林，楊青遠(yuǎn)，程子兵 ，黃曉勇

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，昆明 650021； 2.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 工程概況

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，可從根本上解決滇中地區(qū)的水資源短缺問題，具有顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。滇中引水工程分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段、紅河段，引水線路總長664.236 km。大理Ⅱ段共有3座倒虹吸，分別是甸頭、麻栗園和下莊倒虹吸，總長5.167 km，占線路總長的5.0%。

下莊倒虹吸全長4 460 m，管道選用管徑D=4.9 m的C30鋼筋混凝土管，3管并排布置，單根管長4 334 m，管道最大流量120 m3/s。如圖1所示，下莊倒虹吸進口段為小青坡暗涵與鋼筋混凝土管段的連接段，總長67 m，由進口漸變段、進水池、進口閘室和方變圓漸變段組成。進口漸變段長22 m，寬度由11.1 m漸變?yōu)?9.7 m，平面擴散角為11.06°。進水池長23 m，底板采用坡比為1∶3.061的斜坡型式。進口閘室段長12 m，分三孔，單孔凈寬4.9 m，底板高程為1 951.80 m，每孔均設(shè)檢修閘門，采用深式進水口經(jīng)長度10 m的方變圓漸變段分別與三根直徑4.9 m的鋼筋混凝土管道相接。進水池左側(cè)布置了下莊分水閘、中河退水閘及溢流側(cè)堰。下莊分水閘底板高程1 961.40 m，工作閘孔口尺寸為2.0 m×2.0 m(寬×高)，分水流量5 m3/s。中河退水閘底板高程1 957 m，工作閘孔口尺寸為5.0 m×4.5 m(寬×高)，退水流量120 m3/s。溢流側(cè)堰長9.5 m，堰頂高程為1 966.139 m。

圖1 下莊倒虹吸進口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of Xiazhuang inverted siphon inlet

如圖2所示，下莊倒虹吸出口段為鋼筋混凝土管段與下莊暗涵的連接段，由圓變方漸變段、出口閘室、出水池、溢流堰及下游消能段組成。出口閘室長10 m，分隔為三孔經(jīng)長度10 m的漸變段與鋼筋混凝土管道相接，各孔均設(shè)一個檢修閘門和一個工作閘門，孔口尺寸4.9 m×4.9 m，底板高程為1 952.80 m。出水池長15 m，底板采用坡比為1∶3的斜坡型式。溢流堰及下游消能段長24.5 m，底寬由19.7 m收縮為11.1 m，平面收縮角為9.95°；為保證倒虹吸管內(nèi)始終為滿管流，在出口設(shè)保水堰，溢流堰頂上游采用橢圓與出水池底部斜坡相接，下游采用WES曲線(方程為y=0.18x1.85)與坡比為1∶1.2的斜坡段相接，斜坡段下游為半徑3 m的反弧段。

圖2 下莊倒虹吸出口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of Xiazhuang inverted siphon outlet

倒虹吸管是交叉建筑物的主要型式，在調(diào)水工程中廣泛應(yīng)用。受供水流量、沿線分水、管材造價、管線運行調(diào)度等因素影響，倒虹吸管常為多管倒虹吸，各倒虹吸管平行布置，根據(jù)輸水流量的變化或檢修的需要開啟單管或多管，調(diào)度運行具有較大的彈性。

分水口是調(diào)水工程重要過水建筑物，分水口位置直接影響分水線路的長度，對調(diào)水工程投資有較大影響。若分水口與沿線的倒虹吸工程合二為一布置往往可以降低工程造價，因此越來越多的調(diào)水工程開始采用這種布置模式。但由于分水口與倒虹吸緊密連接，無論是明流分水[1-2]還是有壓管道分水[3]均會對倒虹吸內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，甚至誘發(fā)一些不利流態(tài)，從而對工程的安全產(chǎn)生影響。此外，水面振蕩在水利工程中十分常見，如水流紊動誘發(fā)的振蕩[4-7]，水力過渡過程引起的振蕩[8-11]，淺水波衍射誘發(fā)的振蕩[12]等。水面振蕩往往伴隨著復(fù)雜的水力與結(jié)構(gòu)互饋過程[8]和水力振蕩過程[10]。對振蕩過程進行分析，找出振蕩的誘因是工程運行安全的重要保障。

下莊倒虹吸在分水口結(jié)構(gòu)布置和出口閘室布置上具有較強典型性，本文即通過水工模型試驗對采用分水口和倒虹吸進口合一布置的下莊倒虹吸進行了研究，對進口漩渦、分水口對進口流態(tài)影響和出口閘室水面振蕩等問題進行了系列研究，并根據(jù)不利流態(tài)誘因提出了優(yōu)化建議。研究成果可供類似工程參考。

2 模型設(shè)計及模擬工況

2.1 模型設(shè)計

模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計成正態(tài)模型，比尺為1∶20[13]。模型模擬范圍包括上游暗涵(100 m)、漸變段與進水池(45 m)、進口閘室段(含方變圓漸變段共22 m)、進口壓力管道(70 m)、出口壓力管道(70 m)、出口閘室段(含圓變方漸變段共20 m)、出水池(15 m)、溢流堰及消能段(24.5 m)、下游暗涵(120 m)。模型進口段還模擬了分水閘及分水渠(40 m)、退水閘閘室。

制作模型所用有機玻璃糙率約為0.008，換算到原型糙率為0.013 2，與鋼筋混凝土管及建筑物過流面設(shè)計糙率0.014接近，可滿足試驗研究的需要。模型進口有壓段的壓力管道和出口有壓段的壓力管道之間設(shè)阻力調(diào)節(jié)段，安裝阻力閥來調(diào)節(jié)模型進口有壓段與出口有壓段之間的水頭損失。

模型流量采用電磁流量計量測，水位采用測針量測，流速采用旋槳流速儀量測，時均壓力采用測壓管量測，水面波動采用波高儀量測。

2.2 模擬工況

下莊倒虹吸的調(diào)度原則為：

(1)上游來流量<10 m3/s時，工程進口段分水閘關(guān)閉。上游來流量為10～125 m3/s時，分水閘分水流量5 m3/s。

(2)倒虹吸管道流量Q管道<40 m3/s時，開啟1根管道過流；40 m3/s≤Q管道<80 m3/s時，開啟2根管道過流；80 m3/s≤Q管道<120 m3/s時，開啟3根管道過流。

(3)倒虹吸工程管道采用壓力流方式運行，且有壓段進口淹沒深度需滿足有關(guān)要求。

因此，各工況下，倒虹吸出口節(jié)制閘依據(jù)分水口取水要求進行調(diào)節(jié)。模型試驗工況見表1。

表1 模擬工況Table 1 Simulated working conditions

3 研究結(jié)果

3.1 倒虹吸進口水力特性

根據(jù)試驗結(jié)果，倒虹吸進口的流態(tài)特征見表2。

表2 下莊倒虹吸進口流態(tài)特征Table 2 Characteristics of flow patterns at Xiazhuang inverted siphon inlet

倒虹吸進口原設(shè)計方案存在的主要問題有：

(1)受分水閘水流牽引作用，進水池存在主流偏左，右側(cè)形成回流的流態(tài)，易使有壓進口前沿形成水面橫比降而導(dǎo)致管道分流不勻。

(2)總流量在單管和雙管過渡區(qū)間(45～55 m3/s)或雙管向三管過渡區(qū)間(85～95 m3/s)時，倒虹吸出口節(jié)制閘若敞泄，進口水位可能不滿足分水口取水要求。

由于進口不良流態(tài)均由分水口分水引起，因此優(yōu)化方案對分水口體型進行了調(diào)整(見圖3)：分水口進口底板高程降低2.6 m至1 958.80 m，采用有壓短管布置形式，工作閘孔口尺寸為2 m×2 m(寬×高)，閘后接分水渠；退水閘軸線維持不變，其進口采用有壓短管布置形式，進口底板高程與原方案一致。

圖3 下莊倒虹吸進口優(yōu)化方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimization scheme of Xiazhuang inverted siphon inlet

優(yōu)化方案通過降低分水口高程并將明流分水改為有壓分水，減小了分水對進口流態(tài)的影響，同時有壓分水口降低，增加了分水閘的過流能力。

3.2 倒虹吸出口水力特性

根據(jù)試驗結(jié)果，倒虹吸進口的流態(tài)特征見表3。倒虹吸出口原設(shè)計方案存在的主要問題為：三管敞泄工況下，兩側(cè)管和中管出口閘門井內(nèi)出現(xiàn)水面交替振蕩現(xiàn)象(圖4)，且升降幅度較大，對工程結(jié)構(gòu)安全不利。為探究水面交替振蕩現(xiàn)象，開展了3個方案研究：

圖4 下莊倒虹吸出口閘室水面振蕩Fig.4 Water surface oscillation in chambers at Xiazhuang inverted siphon outlet chamber

表3 下莊倒虹吸出口流態(tài)特征Table 3 Characteristics of flow pattern at Xiazhuang inverted siphon outlet

方案一：在出水池內(nèi)增設(shè)兩道厚度為0.8 m的隔墩，其頭部與出口閘室閘墩尾部相接，其末端位于溢流堰頂，將出水池分隔為三區(qū)，以實現(xiàn)三管出口過流自行其道，具體布置參見圖5(a)。

圖5 下莊倒虹吸出口優(yōu)化方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of optimization schemes for Xiazhuang inverted siphon outlet

方案二：在中管和兩側(cè)管出口檢修閘門井和工作閘門井之間上部各設(shè)置一道厚度1 m的隔板，在不影響三管出口流道過流情況下將這兩個閘門井分隔開來，具體布置參見圖5(b)。

方案三：在中管和兩側(cè)管出口檢修閘門井和工作閘門井之間流道頂部各設(shè)置一道高度0.6 m、寬度1 m的隔梁，具體布置參見圖5(c)。

方案一將出水池分隔為三區(qū)，使三管出流自行其道，避免了出口水流之間的相互干擾，出口閘門井內(nèi)水面升降幅度與原方案相比由1.4 m減小至0.7 m。方案二將出口檢修閘門井和工作閘門井之間流道以上區(qū)域完全分隔，強迫水流僅沿流道行進，有效抑制了水流在閘門井內(nèi)的豎向擴散，出口閘門井內(nèi)水面升降幅度減小為0.06 m。方案三在出口檢修閘門井和工作閘門井之間流道頂部布置了隔梁，盡管兩個閘門井上部水體保持連通，但由于水流沿閘門井豎向的擴散受到有效抑制，閘門井內(nèi)水體擾動很弱，水面升降幅度減小為0.10 m。

由此可見，原方案三管敞泄時，出口閘門井內(nèi)出現(xiàn)明顯水面升降現(xiàn)象主要由水流沿閘門井豎向的擴散運動對井上部水體形成擾動以及各管出口水流之間的相互干擾所致。方案二和方案三均有效抑制了水流在閘門井內(nèi)的豎向擴散，基本消除了閘門井內(nèi)的水體擾動。方案三的工程量相對較小，故后續(xù)優(yōu)化方案布置中采用該方案。

4 結(jié) 論

(1)分水口設(shè)置于倒虹吸進口附近易誘發(fā)主流偏轉(zhuǎn)、吸氣漩渦等不利流態(tài)，優(yōu)化方案將分水口高程降低，改無壓分水為有壓分水，有利于減小分水對流態(tài)的影響。同時降低分水口底高程又增加分水口的過流能力，保證了支線供水。

(2)閘室水流的豎向擴散在某些工況下誘發(fā)水位振蕩過程，持續(xù)的低頻大幅振蕩對結(jié)構(gòu)安全較為不利，在檢修門井和工作門井間設(shè)置隔梁或隔板可以擬制水流豎向擴散，從而減小了水面振蕩，但是設(shè)置隔梁方案工程量相對較小，比較經(jīng)濟，故后續(xù)優(yōu)化方案布置中采用該方案。

(3)分水口與沿線的倒虹吸工程合二為一布置，分水口高程降低，采用有壓短管布置形式，改善倒虹吸進口水流流態(tài)，降低工程造價。今后需進一步加強倒虹吸進出口水力特性模型試驗、數(shù)值模擬的研究，更有效地模擬倒虹吸進出口水力學(xué)運動規(guī)律，解決現(xiàn)有的模型試驗無法模擬的難題。