基于虹吸原理流量自调节无围堰施工导流的方法

罗亚军，陈万波，朱殿芳，郭志学，范钟轶，李润祥

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.江西赣能股份有限公司，江西 南昌 33009；3.成都市政工程设计研究院，四川 成都 610065)

虹吸是一种常见的水力学现象，在水利工程中应用广泛。尤明庆等对实现虹吸的条件进行了探讨，提出了虹吸管最高点压力小于液面压力是虹吸现象发生的必要条件[1]；李红艳对倒虹吸工程进行了杆端弯矩和杆端剪力的计算[2]；许史等对长距离虹吸管输水影响因素进行了水力学模型试验，认为工程中尽量降低虹吸管的安装高度，以减小管内水流汽化[3]；南水北调工程中存在大量倒虹吸工程，王海周等以贾鲁河倒虹吸工程为例，探讨了全段围堰法和分期分段围堰法两种导流方案的特点[4]；虹吸还被应用到小型水库除险加固中，张健等首次提出将虹吸管应用在小型水库除险加固中的导流，其方法是利用虹吸管将水抽出水库，取代小型水库中的坝下涵管输水[5]；田云坤以内蒙古多伦县的二号水库除险加固工程为例，给出了虹吸管导流取代小型水库的坝下涵管施工导流的具体方案[6]。

在河道上施工时，常常通过修筑围堰来制造施工所需的干地条件，工程竣工之后，再将围堰拆除。在围堰填筑过程中，部分填筑物进入水体，对河道水质产生不利影响；竣工之后，清理修筑围堰的材料，需要耗费大量的人力、财力，且对两岸人居环境造成不利影响，若清理不净，给汛期河道行洪埋下隐患。施工围堰修筑的工程投资一般较高，工期也较长，往往成为限制施工方案获准的原因之一。

文章针对存在挡水建筑物(如闸、橡胶坝等)的河段，将虹吸原理应用在施工导流上，提出了一种利用虹吸原理进行流量自调节施工导流的方法。

1 虹吸式流量自调节施工导流管设计

在挡水建筑物位置处设置硬质倒虹吸管，形态与挡水建筑物的纵剖面一致，硬质虹吸管将挡水建筑物的上下游连通。在挡水建筑物下游水面上铺设输水软管，硬质倒虹吸管末端通过密封阀连接输水软管，输水软管末端采用出水弯管衔接，出水弯管的出水口朝上，形成U形联通出水管。输水软管铺设到施工区下游一定长度，保证施工期本河段发生最大洪水时，水流回水末端无法到达施工区。硬质虹吸管、输水软管和出水弯管，三个部分共同构成虹吸式施工导流管，如图1所示。

图1 虹吸式施工导流管剖面图

设计的虹吸导流管的主要创新性包括以下几个方面。

(1)尾段U形出口设计：尾端增加出水U形弯管，可以维持整个导流管的持续充水状态，避免在不过流的情况下，气体从尾端进入导流管，破坏工作条件。一旦上游继续来流，导流管即可连续过流，无须再次对硬质虹吸管抽真空，二次引流。

(2)U形出水管出口高程控制：若出口弯管的出口高程低于硬质倒虹入口高程，上游水位不断降低，直至倒虹吸入口脱离水面，使得气体从入口进入导流管，破坏导流条件。为保证入口始终在水下，出口弯管的出口高程设计高于硬质倒虹入口高程。

(3)材质选择：采用两端硬质管道制造连续过流的工作条件，中段采用软管输水，既可更好地适应地形条件，又可以节省成本，灵活安装。

2 工作原理和过程

2.1 虹吸式施工导流管工作原理

由于挡水建筑物上游水位壅高，与下游河道河床存在高差，为虹吸管工作创造了条件。将出口高程低于上游水位的硬质虹吸管内空气排除，上游来流将会进入硬质管道并升至管道最高点，而后在水体重力的作用下，流到挡水建筑物下游的比上游水面更低的地方(即虹吸现象)，实现水流经由管道翻越挡水建筑物。水流通过输水软管输送至足够远的下游，河道具有坡降，可以保证施工期河段发生最大洪水时，水流回水末端无法到达施工区，即隔离出了施工所需的干燥区域，实现施工导流。

2.2 虹吸式施工导流管工作过程

首先将密封阀封闭，在排气孔处抽取硬质虹吸管里面的空气，使硬质虹吸管的压强逐渐小于上游水面压强(通常为大气压强)，形成压差。上游来水逐渐充满硬质虹吸管，并通过虹吸管翻越挡水建筑物。然后打开密闭阀，由于挡水建筑物上下游之间存在水位差，水流会通过输水软管流至下游。当导流管过流量大于上游来流量时，挡水建筑物表面将逐渐停止翻水，即上游来水均由导流管输送至足够远的下游，紧邻挡水建筑物的下游河道停止过流，从而制造施工所需要的干燥条件，即形成干燥施工区，达到类似围堰挡水的效果。

2.3 流量自调节的实现

虹吸管安装之后，影响虹吸管输水能力的只有上下游水位差。

当水位处于最高限制水位时，虹吸管输水流量达到最大，虹吸管设计最大输水流量大于河段施工期最大洪水流量，因此，泄流量大于来流量，上游水位逐渐下降，输水流量降低，直至与来流量相等，上游水位维持不变。

当水位处于最低消落水位时，虹吸管输水流量达到最小，即处于不过流的状态。此时若上游有来水，上游水位抬升，虹吸管输水流量增大，直至与来流量相等，上游水位维持不变。虹吸管输水能力可根据挡水建筑物上下游水位差自动调节变化，与上游来流量相适应。上游水位在最低消落水位与最高限制水位之间变动。只要虹吸管设计最大输水流量大于施工期可能的最大洪水流量，即可保证施工安全。

3 虹吸式施工导流管水力计算以及安装参数的确定

为确保虹吸式流量自调节施工导流管按照设计正常运行，需确定输水软管长度、虹吸式施工导流管的进出口高程，以及硬质虹吸管的安装高程、虹吸导流管数量等参数。

3.1 确定输水软管的长度l2

确定输水软管长度用于确定管道沿程水头损失，从而计算单根管道输水能力，确定导流管数量。

挡水建筑物上游的来流全部通过虹吸式施工导流管流入下游，因此导流管的总过流能力Q1必须不小于施工期设计标准洪水流量Qmax。当二者相等时，计算出水弯管出水口处对应的河道最高水位H2max。按照水平回水原则，根据河道比降确定最大回水长度Lmax，输水软管须跨越施工干燥区与回水区，两者长度之和为输水软管长度l2。

3.2 确定虹吸式施工导流管的进口高程H3

为避免挡水建筑物上游河道水位过低，定义一个最低消落水位H1min，H1min由U形管出口高程H4控制。为确保虹吸管进水口在上游水面以下，且避免漂浮杂物进入管道，进口高程H3应低于最低消落水位H1min一个高度h，h通常取为(0.2～0.3)d。

3.3 确定虹吸式施工导流管的出口高程H4

为了维持挡水建筑物前水位不低于最低消落水位H1min，并充分利用上下游水头差，将虹吸式施工导流管的出口高程H4确定为H1min，即H4=H1min，此时H4亦满足大于H3的条件。

3.4 虹吸式施工导流管的安装高程HA

(1)

(2)

(3)

当H1=H1max时，计算得出虹吸式施工导流管的最大安装高程HAmax，即

(4)

式中，H1max—挡水建筑物前允许的最高水位，m；H1max=H顶部-ΔH，H顶部为挡水建筑物顶部的高程，m；ΔH—挡水建筑物的安全超高，m；μa—虹吸式施工导流管的进口到第二弯头的进口端的流量系数；μ—整根虹吸式施工导流管的流量系数，μ的计算方式与虹吸式施工导流管的出流方式有关。

当虹吸式施工导流管的出口高程H4≥H2max时，为自由出流，此时μ的计算式如下所示：

(5)

当虹吸式施工导流管的出口高程H4

(6)

式中，μ1—虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；μ2—虹吸式施工导流管淹没出流时的流量系数；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4、ξ5、ξ6、ξ7—虹吸式施工导流管系统中的局部损失系数；l1、l2—硬质虹吸管和输水软管的长度，m；λ1、λ2—虹吸式施工导流管的硬质管和输水软管的沿程阻力系数。

作为安装的必要条件，虹吸式施工导流管的安装高程应高于或等于挡水建筑物高程，即满足式HA≥H顶部。

虹吸式施工导流管的安装高程应同时满足上述条件，因而虹吸式施工导流管的安装高程HA的范围可表达为

(7)

3.5 虹吸式施工导流管的安装数量

当出流方式为自由出流时，发生虹吸现象后，利用伯努利方程建立挡水建筑物前水面与单根虹吸式施工导流管的出水口水面的关系，忽略挡水建筑物前的行进流速，如下所示：

(8)

则单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs为

(9)

当出流方式为淹没出流时，单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs为

(10)

当H4=H1min，H1=H1max时，单根虹吸式施工导流管的过流能力最大，为Qsmax，据此计算虹吸式施工导流管的必要安装数量m。

(11)

(12)

式中，Qmax—施工期设计标准洪水流量，m3/s；Qsmax—单根虹吸式施工导流管的最大过流能力，m3/s。

虹吸式施工导流管的实际安装数量M大于等于m。

4 实际工况下案例分析计算

该方法适用于施工区上游存在挡水建筑物的河道，下面以成都市府河九眼桥河段施工为实例，展示虹吸导流管参数确定的完整过程。

4.1 工况概述

成都九眼桥河段宽80m，河道比降为0.8‰，河道糙率为0.025。该河段有一橡胶坝，橡胶坝坝高3m，橡胶坝下游300m处拟修建一座小型桥梁。按照分期洪水计算，本河段施工期5年一遇设计流量为45m3/s。选择管径为2000mm的虹吸管，对安装参数进行计算。

4.2 确定输水软管长度

施工期5年一遇设计流量为45m3/s，据此试算出水弯管的出水口处对应的河道最高水位H2max=0.66m；最大回水长度Lmax=825m。

施工区距离橡胶坝300m，本次预留50m施工活动区，则目标干燥施工区长度为L0=350m，干燥施工区的长度可根据实际施工需要确定，输水软管长度l2=L0+Lmax=1175m。

4.3 确定特征高程

有关高程的数据，均以出水弯管出口对应的河床面为基准面，结合河道比降、输水软管的长度，计算出坝底高程H坝底=0.94m；坝顶高程H坝顶=3.94m。

H1min为橡胶坝前最低消落水位，橡胶坝坝基高度一般为0.4m左右。本次工况下最低消落水位取高于坝底0.5m为宜，计算得H1min=1.44m。

H1max为橡胶坝前允许的最高水位，安全超高一般为0.1～0.2m。本次取0.1m，即低于坝顶0.1m，H1max=3.84m。

4.4 确定虹吸式施工导流管的进出口高程

虹吸式施工导流管的进口高程H3应低于橡胶坝前最低消落水位H1min一个高度h，本次取h=0.2d=0.4m，计算得出H3=H1min-h=1.04m。

为了维持橡胶坝前水位不低于最低消落水位H1min，且充分利用上下游水头差，虹吸式施工导流管的出口高程确定为H1min，即H4=H1min=1.44m。

4.5 确定虹吸式施工导流管的安装高程

作为虹吸式施工导流管正常工作的必要条件，虹吸式施工导流管内的真空度不大于最大允许真空值hv，取最大允许真空值hv=7m，计算得出虹吸式施工导流管的最大安装高程HAmax=7.97m。

作为安装的必要条件，虹吸式施工导流管的安装高程应高于橡胶坝坝顶高程，即H坝顶≤HA。

综合得出：3.94m ≤HA≤ 7.97m。

4.6 确定虹吸式施工导流管的必要安装数量

硬质出水弯管的出水口朝上且出口高程H4=H1min=1.44m，高于下游水位，因此虹吸式施工导流管的出流为自由出流。当H1=H1max=3.84m，上游水面与出水弯管出口高程差最大，单根虹吸式施工导流管的最大过流能力Qs=6.3m3/s，据此计算出必要安装数量m=8，即至少安装8根管道内径为2m的虹吸管可满足泄流需求。此时，管道占据断面总宽度16m，河宽为80m，仅占河宽的20%，方案合理。

5 结语与展望

(1)文章提出的流量自调节虹吸式施工导流方法，适合施工区上游存在挡水建筑物的河段，相较传统围堰导流方法，具有节约成本、更加环保、对河道行洪安全隐患更小等优点，具有实用价值与应用前景。

(2)文章对方法中设计到的水力要素进行了计算，并且给出了导流管安装高度、进出口高程、虹吸管数量等的推导过程，均给出了取值范围，具有参考价值。