泥石流虹吸排水分流池自清淤能力分析

張文君，孫紅月，潘 攀，魏振磊

（1.浙江大學 海洋學院，浙江 杭州310058；2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州310058）

充沛的水源、豐富的松散固體物質、有利的流域形態和溝床縱坡是泥石流形成的基本條件，其中水動力因素是泥石流爆發的必要條件［1］.目前我國對泥石流災害的防治手段主要有攔擋工程、排導工程、護坡固底工程、生物工程等［2］.這些防治技術多為針對保護對象或泥石流松散物源.

消除洪峰水流，限制超強水動力條件出現，可從根本上遏制泥石流的發生.但針對地表流水進行攔截疏引而采取的防治方法在工程實踐中較少被采用，目前只在少數治理工程中應用，如文家溝特大泥石流治理的引水隧洞分流工程［3-4］.

目前泥石流防治中的截排水技術，均采用重力流形式，雖然能起到一定的削弱水動力條件的作用，但是排水效率低，更為嚴重的問題是泥石流溝洪水動力條件的強烈變化及高泥石含量，常使截排水工程堵塞和失效.

針對泥石流治水方案中存在的弊端和不足，以及暴雨來臨時快速排水的需要，通過系統的調查研究，本文提出一種溝內水石分離虹吸排水防治泥石流方法，即通過在泥石流形成區或流通區溝谷內布設分流池進行水石分離，利用虹吸排水管將池內分離出的洪水快速排泄到下游安全區，以降低泥石流溝內的水動力條件.在此技術方案中，分流池的淤積問題成為虹吸分流系統長期有效的基礎，也是推廣應用該方法的前提條件.

1 泥石流治理溝谷分流方法

水石分離和虹吸排水相結合技術方案的技術核心在于消除暴雨產生的洪峰水流，限制超強水動力條件的出現.典型的泥石流溝可劃分為形成區、流通區和堆積區.將形成區或流通區內匯聚的地表水引離溝谷內主要物源區，避免流水沖刷深切沖溝溝底和岸坡，則可以避免流水沖刷導致溝道下切、岸坡滑塌進而產生泥石流.

溝谷內的泥沙石塊是否啟動，取決于水流的流速和流量.針對泥石流固液兩相流體物性特征，在泥石流的形成區或流通區溝谷內布設分流池，進行水石分離（如圖1所示），在分流池接虹吸排水管，將泥石流溝內分離出的洪水排泄到下游安全溝道內，達到減小泥石流溝的水動力條件的目的.

圖1 虹吸分流防治泥石流示意圖Fig.1 Sketch of siphon drainage method in debris flow

排水溝和分流池剖面關系如圖2所示.在強降雨條件下，當池內水位上升至虹吸管頂點時，引發虹吸作用，經攔污格柵進入虹吸分流池的泥沙顆粒隨虹吸作用產生的高速水流攜帶出分流池，由虹吸排水管直接排泄到堆積區.在分流結構中，如果攔污格柵孔隙過小，則容易堵塞失效，導致溝谷洪水無法順利進入分流池；如果攔污格柵孔隙過大，進入分流池的石塊無法虹吸帶走，則分流池就會被淤積.因此，為合理設計分流系統，需要虹吸分流池的水動力學特征.

圖2 排水溝和分流池剖面示意圖Fig.2 Profile of drain and siphon drainage pool

2 虹吸分流池水動力特征分析

2.1 計算模型

本文基于流體力學數值軟件FLUENT 模擬虹吸分流池在不同水頭差下，不同虹吸管管徑的虹吸抽排泥沙能力.虹吸分流池模型采用軸對稱結構，在滿足計算精度和效率的條件下采取半結構為研究對象進行模擬.計算模擬100、200、300mm 這3種不同虹吸排水管直徑分別在2、5、8、10m 水頭差下的工況.虹吸分流池模型尺寸如圖3所示，虹吸管頂點距底面1.2m，高出進水面0.2m；虹吸管入口平面至池底的懸空高度均取0.1m.

2.2 控制方程及邊界條件

圖3 虹吸分流池水動力特征計算模型圖Fig.3 Hydrodynamic characteristics computing model of siphon drainage pool

虹吸管壁、分流池壁的邊界條件按固壁函數處理，并通過修改壁面定律的粗糙度考慮池底面粗糙度的影響.壁面處為無滑移邊界，靠近池底面區域則采用標準壁面函數方法處理.進口邊界設置為速度入口，速度大小依據分流池分流量所計算的斷面平均流速，為盡可能排除外界邊界條件對虹吸作用的影響，取較小的流速v＝0.1m／s.虹吸管出口處設為壓力出口，并根據不同水位差附加相應的相對壓強.排水溝及虹吸分流池上部與大氣接觸，設置為一個大氣壓的壓力入口.標準k-ε湍流模型考慮平均流動中的旋轉及旋流流動情況，可以較好地處理虹吸作用下高應變率及流線彎曲程度較大的流動.不可壓非定常流的張量形式控制方程如下［5-8］：

動量方程：

湍動能k方程：

耗散率ε方程：

2.3 計算結果分析

1）虹吸分流池內流場速度分布

在一個虹吸周期內，分流池內的水流速度隨水頭差變化.當虹吸剛啟動時，速度達到最大，之后隨著虹吸周期結束而平穩下降.不同管徑D 和水頭差H 下的分流池XZ 平面時均速度場基本相似.如圖4表示在D＝200mm，H＝5m 時的XZ 平面（y＝0）的速度場（靠近池底部分為重點研究范圍，故Z方向取0～0.5m）.虹吸作用下在豎直面上形成以-Z方向為主的速度場，在水平面上產生以虹吸管口為中心的向心速度場，其速度值在虹吸口附近最大并沿-X 和-Y 方向遞減.這樣的速度場有利于池底泥沙顆粒的起動和抽排.

圖4 XZ 平面（y＝0mm）的速度流場圖Fig.4 Velocity fields in xz-plan（y＝0mm）

分流池內的水流速度靠近虹吸管口時最大，隨著距虹吸管口的水平距離增大，速度值起先明顯減小并逐漸穩定，見圖5.圖5（a）～（d）分別為D＝200 mm、H ＝2、5、8、10 m 時XZ 平面上橫坐標位置0.2、0.4、0.6、0.8m 處的速度大小分布圖（圖中速度比例尺分別表示各自橫坐標上各點的速度大?。?，由圖可知，分流池內的水流速度靠近虹吸管口時最大，隨著距虹吸管口的水平距離增大，速度值起先明顯減小并逐漸穩定.速度相比于虹吸作用在近似無限水域下的速度分布［9］，虹吸作用在具有一定斷面的分流池內所形成的速度分布更有利于池內泥沙顆粒的起動.

2）虹吸分流池底面切應力分布

圖5 XZ 平面的時均流速豎向分布Fig.5 Vertical distribution of time-averaged velocity in XZ-plane

圖6 當D＝200mm 時池底面切應力分布（XY 平面）Fig.6 Bed shear stress（XY-plan，z＝0mm）of siphon pool under different water head

池底切應力相比于速度因素更能衡量泥沙顆粒的起動與沉積［10］.如圖6所示為虹吸管徑D＝200 mm 時不同高差H 下，分流池底（XY 平面，z＝0 mm）的切應力分布.由圖可知，池底切應力的分布規律表現為分流池四周向虹吸管口增大；隨著水頭差H 增大池底切應力大小由四周的0.1～1.5Pa提高到虹吸管口中心處的9.2～45.4Pa；當D＝100mm時，由0.07～0.30Pa提高到0.9～8.9Pa；當D＝300mm 時，由0.3～2.7Pa提高到20.8～109.5 Pa.水頭差H 對池底切應力大小分布影響較敏感即水頭差H 越大，池底切應力越大，越有利于底面泥沙顆粒起動及清除.

3 自清淤能力分析

3.1 虹吸分流池底泥沙顆粒起動判據

虹吸分流池底泥沙顆粒的起動本質上是其運動狀態的改變——如果虹吸啟動下的流場作用于池底的切應力大于或等于泥沙顆粒的臨界起動切應力，則泥沙將被起動或處于運動狀態之中.切應力是判斷泥沙在外動力作用下是否發生運動的根本依據［11］.虹吸作用下的自清淤能力可以池底的切應力表征［12-13］.綜合數值分析結果得到不同D 和H 下的虹吸管口處的最大切應力見圖7，可知，在同一水頭下，隨著管徑D 的增大，切應力相應增大；在相同管徑下，底面切應力τ隨水頭差H 增大而增大且呈一定線性關系（其中各直線的相關系數r2分別為0.98，0.98，0.99，截距均為0即當水頭差H＝0時，切應力為0，這與物理事實相符）.具體的函數關系式為：當D＝100mm 時，τmax＝0.87 H 、當D＝200 mm 時，τmax＝4.63 H 、當D＝300 mm 時，τmax＝11.12 H，其中0.87、4.63、11.12單位為N／m3.

圖7 不同管徑D 下池底最大切應力與H 關系圖Fig.7 Relationship betweenτmaxand Hfor different D

根據工程上常用的Shields參數與底面切應力之間的關系，泥沙顆粒臨界起動公式：

式中：τc為臨界起動切應力，γs和γ 分別為泥沙和水的重度，d 為泥沙粒徑.當獲得τ和τc之后，即可根據兩者之間的大小關系對池底泥沙的穩定性進行評價，如管徑D＝100 mm 的虹吸管在水頭差H＝10m（虹吸管口距池底面的懸空高度h＝100 mm）下底面虹吸管口處能起動的臨界泥沙顆粒粒徑dmax＝10.1mm.隨著虹吸管直徑、虹吸管進出口水頭差的增大，則可起動更大粒徑的泥沙顆粒.

3.2 虹吸管口所對池底面負壓分布

由于上述的工況均是在虹吸管口距池底面的懸空高度h＝100mm 條件下所模擬得到.為進一步了解懸空高度h對虹吸分流池清淤能力的影響程度，模擬了同一虹吸管在懸空高度h＝1 D，h＝0.75 D，h＝0.5 D，h＝0.25 D 下的工況.如圖8所示表示當管徑D＝200mm，水頭差H＝5m 時，不同懸空高度h下虹吸管口附近底面的負壓水頭R.

圖8 不同虹吸管口懸空高度h下底面負壓分布圖Fig.8 Negative pressure distribution on siphon pool bed with different distances（h）

由圖可知：虹吸管口越靠近底面，其所對底面的負壓水頭越大；在h＝50mm 時負壓水頭最大，隨著h增大至200mm 時，負壓水頭減小了94.5%；虹吸管口內周圍的負壓水頭大于管中心的負壓水頭；由負壓水頭快速減小的速率表明，當h 在25%虹吸管徑的范圍內變化時，虹吸自清淤的效果最好，且h在25% 虹吸管徑時，其負壓水頭已經具備很強的清淤能力.因此，在工程實踐中，可依據清淤顆粒的粒徑起動要求選取適當的懸空高度.

4 結 論

分流池的虹吸自清淤能力是水石分離虹吸排水治理泥石流方案的基礎條件之一，通過對虹吸分流池水動力特性計算分析，得出以下結論.

（1）虹吸分流池在虹吸作用下，內部的流場特征表現為：在豎直平面上產生以-Z 方向為主的速度場，在水平面上產生以虹吸管口為中心的向心速度場；分流池內的水流速度在靠近虹吸管口時最大，隨著距虹吸管口的水平距離增大，速度值逐漸減小并逐漸趨于穩定.

（2）虹吸分流池池底切應力大小隨虹吸管徑和水頭差的增大而增大；在相同管徑下，底面切應力隨水頭差H 呈線性增加，并據此擬合出兩者間的具體線性關系，為分流池的攔污格柵孔徑大小設置提供了計算依據.

（3）虹吸管口所對應池底面的負壓水頭，隨著虹吸管口至池底面距離h 的減小而增大，但當虹吸口過于接近池底時，可能影響進水的流暢性，且虹吸管口懸空高度h在25% 虹吸管徑時，其負壓水頭已經具備很強的清淤能力，在工程實踐中，可依據清淤顆粒的粒徑起動要求選取適當的懸空高度.

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