CN110378024B - 利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法 - Google Patents

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CN110378024B CN201910659678.3A CN201910659678A CN110378024B CN 110378024 B CN110378024 B CN 110378024B CN 201910659678 A CN201910659678 A CN 201910659678A CN 110378024 B CN110378024 B CN 110378024B
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Abstract

本发明提供了一种利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，步骤如下：将待制造河道干地施工条件的河道区域记作施工干燥区，施工干燥区位于河道的挡水建筑物的下游；在施工干燥区下游确定回水区，回水区紧邻施工干燥区；在挡水建筑物处安装用于将挡水建筑物上游的水输送至回水区下游的虹吸式施工导流管；给虹吸式施工导流管制造真空条件以将挡水建筑物前的水通过虹吸式施工导流管输送至回水区下游，当目标区域的水流出目标区域后，即在施工干燥区形成河道干地施工条件。该方法能显著降低工程投资、简化河道干地施工条件的制造操作、避免造成行洪隐患，还具有更加环保的特点。

Description

利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法
技术领域
本发明属于水利工程领域，涉及利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，适用于需要在河道挡水建筑物下游制造河道干地施工条件的工程情况。
背景技术
在河道上施工时，常规的方案是通过修筑施工围堰来制造施工所需的干地条件，在工程竣工之后，再将施工围堰拆除。施工围堰修筑的工程投资较高，工期也较长，常成为城市河道内工程建设的限制性因素。竣工后，清理修筑施工围堰的材料，例如弃石废渣等，不但需要耗费大量的人力财力，而且会对两岸居民造成不便、对人居环境造成不利影响，若清理不净，废渣则会占用河道，给汛期河道行洪埋下隐患。施工围堰填筑过程中，因填筑物进入水体，会对河道水质产生不利影响，在当前对河道水质要求提高的背景下，也常成为导致施工方案无法获准的原因之一。基于上述技术现状，目前迫切需要比修筑施工围堰成本更低、更环保、对河道行洪安全隐患更小，以及操作性更强的河道干地施工条件的制造方法。
发明内容
针对现有技术通过修筑施工围堰来创造河道干地施工条件的方法存的修建及拆除成本过高、工期长、废渣占用河道带来行洪安全隐患，以及会对河道水质和两岸环境造成不利影响的不足，本发明提供了一种利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，以有效降低工程投资、简化河道干地施工条件的制造方法，同时避免造成行洪安全隐患，以更加环保的方式制造河道干地施工条件，避免给河道水质和河岸环境带来不利影响。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，步骤如下：
步骤一，将待制造河道干地施工条件的河道区域记作施工干燥区，施工干燥区位于河道的挡水建筑物的下游；
步骤二，在施工干燥区下游确定回水区，回水区紧邻施工干燥区；
步骤三，在挡水建筑物处安装用于将挡水建筑物上游的水输送至回水区下游的虹吸式施工导流管；
虹吸式施工导流管包括硬质管、输水软管和出水弯管，在挡水建筑物处安装硬质管将挡水建筑物的上下游连通，硬质管的安装形态与挡水建筑物的纵剖面的形态一致，硬质管由上游段、挡水建筑物顶面段和下游段组成，上游段与挡水建筑物顶面段之间由第一弯头连接，挡水建筑物顶面段与下游段之间由第二弯头连接，在下游段的末端通过第三弯头和密封阀连接输水软管，第三弯头的末端位于河床上，输水软管的末端连接出水弯管，出水弯管的出水口位于回水区的起始端端部，出水弯管的出水口朝上；硬质管、输水软管和出水弯管的内径相等；
安装虹吸式施工导流管时，虹吸式施工导流管的安装高程、进口高程、出口高程以及安装数量按照以下步骤进行确定：
①确定施工期设计标准洪水流量Qmax；
②确定输水软管的长度l2
虹吸式施工导流管的总过流能力Q1≥施工期设计标准洪水流量Qmax，当Q1＝Qmax时，根据式(1)计算出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位H2max，根据式(2)计算施工干燥区下游最大回水长度Lmax，施工干燥区下游最大回水长度Lmax即为回水区的长度，然后根据式(3)计算输水软管的长度l2，
Figure GDA0002659287370000021
Figure GDA0002659287370000022
l2＝L0+Lmax (3)
式(1)～(3)中，
Qmax为施工期设计标准洪水流量，单位为m3/s；
B为河道宽度，单位为m；
H2max为出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位，单位为m；
n为河道糙率；
J为河道坡降；
Lmax为施工干燥区下游最大回水长度，单位为m；
l2为输水软管的长度，单位为m；
L0为施工干燥区的长度，单位为m；
③确定虹吸式施工导流管的进口高程H3
虹吸式施工导流管的进口高程H3应低于挡水建筑物前最低消落水位H1min一个高度h，满足式(4)，
H3＝H1min-h (4)
h＝(0.2～0.3)d (5)
式(4)～(5)中，
H3为虹吸式施工导流管的进口高程，单位为m；
H1min为挡水建筑物前最低消落水位，单位为m；
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
④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挡水建筑物前最低消落水位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，即满足式(6)，
H4＝H1min (6)
⑤确定虹吸式施工导流管的安装高程HA
(a)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，取挡水建筑物前水面与第二弯头的进口端所在断面建立如式(7)所示的伯努利方程，由式(7)计算出第二弯头的进口端所在断面的真空度
Figure GDA0002659287370000031
如式(8)所示，
Figure GDA0002659287370000032
Figure GDA0002659287370000033
第二弯头的进口端所在断面的真空度
Figure GDA0002659287370000034
不超过最大允许真空值hv，如式(9)所示，
Figure GDA0002659287370000035
将式(8)带入式(9)，得到式(10)，
Figure GDA0002659287370000036
令
Figure GDA0002659287370000037
将
Figure GDA0002659287370000038
代入式(10)，得到式(11)，
Figure GDA0002659287370000039
由步骤④知，H4＝H1min，当H1＝H1max时，计算得虹吸式施工导流管的最大安装高程HAmax，如式(12)所示，
Figure GDA0002659287370000041
式(7)～(12)中，
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
hv为最大允许真空值，单位为m；
p0为标准大气压，单位为pa；
pA为第二弯头的进口端所在断面的绝对压强，单位为pa；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
H1max为挡水建筑物前允许的最高水位，单位为m，H1max＝H顶部-ΔH，H顶部为挡水建筑物顶部的高程，单位为m，ΔH为挡水建筑物的安全超高，单位为m；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
ρ为河水的密度，单位为kg/m3；
μa为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为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＝H1min≥H2max时，为自由出流，自由出流时μ的计算式如式(13)所示，
Figure GDA0002659287370000042
当虹吸式施工导流管的出口高程H4＝H1min＜H2max时，为淹没出流，淹没出流时，μ的计算式如式(14)所示，
Figure GDA0002659287370000043
式(13)～(14)以及μa的计算式中，
la为从虹吸式施工导流管进口到第二弯头的进口端所在断面的管道长度，单位为m；
μ1为虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；
μ2为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依次为虹吸式施工导流管的进口、第一弯头、第二弯头、第三弯头、第三弯头与输水软管之间的密封阀、出水弯管以及虹吸式施工导流管的出口的局部损失系数；
l1,l2分别为硬质管和输水软管的长度，单位为m；
λ1,λ2分别是虹吸式施工导流管的硬质管和输水软管的沿程阻力系数
Figure GDA0002659287370000051
Figure GDA0002659287370000052
n1,n2分别为硬质管和输水软管内壁的糙率，R1,R2分别为硬质管和输水软管的水力半径，单位为m，d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
(b)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(15)，
HA≥H顶部 (15)
式(15)中，
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
H顶部为挡水建筑物顶部的高程，单位为m；
虹吸式施工导流管的安装高程应同时满足步骤⑤的(a)(b)步骤的条件，得到虹吸式施工导流管的安装高程HA应满足式(16)的要求，
Figure GDA0002659287370000053
⑥虹吸式施工导流管的安装数量M
当出流方式为自由出流时，虹吸发生后，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液面的关系，忽略挡水建筑物前的行进流速，如式(17)所示，
Figure GDA0002659287370000054
结合式(13)和(17)计算出虹吸式施工导流管内水流流速v，如式(18)所示，则单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs如式(19)所示，
Figure GDA0002659287370000061
Figure GDA0002659287370000062
式(17)～(19)中，
A为虹吸式施工导流管的横截面积，单位为m2；
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
μ1为虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
Qs为单根虹吸式施工导流管的过流能力，单位为m3/s；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
当式(19)中的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，如式(20)或(21)所示，
当
Figure GDA0002659287370000063
为整数时，
Figure GDA0002659287370000064
当
Figure GDA0002659287370000065
不为整数时，
Figure GDA0002659287370000069
式(20)～(21)中，
Qmax为施工期设计标准洪水流量，单位为m3/s；
Qsmax为单根虹吸式施工导流管的最大过流能力，单位为m3/s；
当出流方式为淹没出流时，虹吸发生后，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液面的关系，忽略挡水建筑物前的行进流速，如式(22)所示，
Figure GDA0002659287370000067
结合式(14)和(22)计算出虹吸式施工导流管内水流流速v，如式(23)所示，则单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs如式(24)所示，
Figure GDA0002659287370000068
Figure GDA0002659287370000071
式(22)～(24)中，
A为虹吸式施工导流管的横截面积，单位为m2；
μ2为虹吸式施工导流管淹没出流时的流量系数；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
Qs为单根虹吸式施工导流管的过流能力，单位为m3/s；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
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，虹吸式施工导流管的必要安装数量m的计算式如式(20)或(21)所示；
根据虹吸式施工导流管的必要安装数量m确定虹吸式施工导流管的安装数量M，M为大于等于m的整数；
步骤四，根据步骤三确定的输水软管的长度，虹吸式施工导流管的安装高程、进口高程、出口高程以及虹吸式施工导流管的安装数量安装好虹吸式施工导流管之后，给虹吸式施工导流管制造真空条件以将挡水建筑物前的水通过虹吸式施工导流管输送至回水区下游，当目标区域的水流出目标区域后，即在施工干燥区形成河道干地施工条件。
上述技术方案中，所述出水弯管为优选为硬质出水弯管，硬质出水弯管有利于保证出水弯管的出水口朝上。此处所述的出水弯管的出水口朝上是指排除掉出水口朝下的情况，从出水弯管的出水口流出的水流的方向与河道水流方向呈锐角或直角，通常可采用角度为钝角的弯头，或者是角度为钝角的弯头和与该弯头衔接的直管段组成。
上述技术方案中，最好是采用固定件对出水弯管进行固定，以防止出水时出水弯管震动，同时确保出水弯管的出水口朝上。
由于采用上述技术方案导流制造河道干地施工条件时，挡水建筑物上游的来流量不恒定，且挡水建筑物上游库容有限，当来流量减小时，挡水建筑物上游库水位可能快速降低，一旦空库，虹吸式施工导流管就会断流，后续需要重新抽真空，无法自动适应来流的变化，因此，本发明的技术方案在输水软管末端设计了出水弯管，在满足前述虹吸式施工导流管的进口高程和出口高程的条件下，出水弯管可保证泄流的自适应，根据来流流量和挡水建筑物前水位升降自动调整管道过流能力，确保在来流量减小后，虹吸式施工导流管仍然维持充水状态，能自动适应后续的来流过程并保证挡水建筑物前的水位在最低消落水位以上。
上述技术方案中，所述第一弯头、第二弯头和第三弯头的角度一般根据挡水建筑物的形态进行确定，使得硬质管安装在挡水建筑物上之后，硬质管基本上是贴合挡水建筑物的，这样可以增加硬质管在挡水建筑物上的固定稳定性，通常，第一弯头、第二弯头和第三弯头为钝角的弯头。
上述技术方案中，优选在硬质管上设有用于与抽真空设备连接的带控制阀的抽真空接口。相应地，给虹吸式施工导流管制造真空条件的方法选用将抽真空设备与硬质管连通并抽真空的方式。
上述技术方案中，虹吸式施工导流管的内径根据实际工程进行确定，通常，虹吸式施工导流管的内径d≤2m，例如，虹吸式施工导流管的内径1m＜d≤2m。在此基础上，虹吸式施工导流管的安装数量M在满足M为大于等于m的整数的基础上，还应满足
Figure GDA0002659287370000081
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m，B为河道宽度，单位为m。具体采用的虹吸式施工导流管的内径d和安装数量M可根据工程造价、虹吸式施工导流管占用的河道宽度等实际因素进行调整。
上述技术方案中，施工期设计洪水流量Qmax根据防洪标准进行确定。
上述技术方案中，最大允许真空值hv根据工程经验确定为7～8m。
上述技术方案中，为了安装方便、增加安装的稳定性和减少工程造价，通常采用将虹吸式施工导流管的挡水建筑物顶面段以置于挡水建筑物顶面上或者是贴合挡水建筑物顶面的方式安装在挡水建筑物的顶面，此时虹吸式施工导流管的安装高程HA等于挡水建筑物顶部的高程。
上述技术方案中，步骤⑤(a)在计算μa以及式(13)中的μ时，由于la和l1的值对μa和μ的影响明显，因此通常是假设虹吸式施工导流管的安装方式是贴合挡水建筑物的顶面安装，据此估算出la和l1的值，来计算μa以及式(13)中的μ的值。
上述技术方案中，挡水建筑物前最低消落水位H1min通常根据挡水建筑物上游的生态、景观等用水需求进行确定。
上述技术方案中，虹吸式施工导流管在河道中的布置位置根据实际的工程需求进行确定，随着工程进展的变化，可以灵活调整虹吸式施工导流管的布置位置。
上述技术方案中，从虹吸式施工导流管的出水弯管出水会造成出水弯管下游的水向出水弯管至施工干燥区下游之间回流，形成回水区，回水区的起始端靠近回水区的下游河道一侧，回水区的末端靠近施工干燥区一侧，所述回水区的起始端端部是指，顺着水流方向，距离施工干燥区末端(远离挡水建筑物的一侧的端部)的长度为最大回水长度Lmax的地方。
上述技术方案中，硬质管的安装形态与挡水建筑物的纵剖面的形态一致，所述挡水建筑物的纵剖面是指挡水建筑物沿着水流方向的剖面。
本发明提供的上述技术方案，利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件时，依赖于拟制造河道干地施工条件的施工区上游的挡水建筑物，适用于在河道挡水建筑物下游制造干地施工条件的工程情况，所述挡水建筑物包括闸和坝，例如城市河道内常见的橡胶坝等。
与现有技术相比，本发明产生了以下有益的技术效果：
1.本发明提供了一种利用流量自调节虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，依靠拟制造河道干地施工条件的施工区上游的挡水建筑物和虹吸式施工导流管的配合，利用挡水建筑物上下游河道的水位差，实现了用管道将挡水建筑物上游来流导流到施工下游，采用本发明的方法制造河道干地施工条件时，无需在河道中修筑施工围堰，因此就避免了现有技术在河道中水下修筑施工围堰造成的修建及拆除成本过高、工期长、废渣占用河道带来行洪安全隐患，以及会对河道水质及两岸环境造成不利影响的问题。采用本发明提供的方法可以有效降低工程投资、简化制造河道干地施工条件的操作、显著缩短工期，同时避免造成环境污染和行洪安全隐患的问题，在工程实践中具有非常好的应用前景。
2.本发明所述利用流量自调节虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，由于采用的虹吸式施工导流管由硬质管、输水软管和出水弯管相衔接的形式，采用硬质管跨过挡水建筑物，主要是为了实现虹吸过流，并尽可能缩短管道长度，降低虹吸难度，采用输水软管的采用不但能降低管道的铺设难度，而且能降低工程造价，同时降低虹吸难度，采用出水弯管可以保证泄流的自适应性，当来流量减小后，虹吸式施工导流管仍然维持充水状态，能自动适应后续的来流过程以及保证上游水位在最低消落水位以上，一次吸水后，可实现泄流能力自动控制。本发明的方法的管道铺设和拆除难度都很低，不受施工区流水的影响，不会造成建筑物废渣在河道中残留和进入水体，也不会对两岸人居环境造成不利影响，在施工结束后拆除的管道还可重复利用，具有低成本、易操作、安全和环保的特点。
3.本发明提供的利用流量自调节虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，可根据施工需求灵活调整虹吸式施工导流管的数量、直径等，以适应不同时期或者是突发状况的流量和导流标准要求，方便快捷。
附图说明
图1是虹吸式施工导流管的布置方式的剖面图。
图2是虹吸式施工导流管的布置方式的俯视图。
图3是图虹吸式施工导流管中关键高程的示意图。
图中，1—虹吸式施工导流管，2—硬质管，3—输水软管，4—出水弯管，5—密封阀，6—抽真空接口，7—挡水建筑物，8—施工干燥区，9—回流区，H顶部—挡水建筑物顶部的高程，H底部—挡水建筑物底部的高程，H1—挡水建筑物前的实际水位，H1min—挡水建筑物前最低消落水位，H1max—挡水建筑物前允许的最高水位，H2—挡水建筑物下游的水位，H3—虹吸式施工导流管的进口高程，H4—虹吸式施工导流管的出口高程。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明提供的利用流量自调节虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例以四川省成都市某河道为例，说明本发明提供的利用流量自调节虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法。本实施例中，虹吸式施工导流管的布置方式的示意图如图1～2所示。
拟在该河道的某橡胶坝(橡胶坝即为具体的挡水建筑物)下游300m处修建一座小型桥梁，该橡胶坝坝高为3m，该河道的基本资料如表1所示。
表1河道基本资料表
河道宽度B(m) 河道糙率n 河道比降J
80 0.025 0.8‰
以下计算中，有关高程的数据，均以下游河道末端所在水平面，即出水弯管的末端所在河床床面作为基准面。
步骤一，将待制造河道干地施工条件的河道区域记作施工干燥区8，施工干燥区位于挡水建筑物(橡胶坝)的下游，根据拟修建的桥梁距离橡胶坝的距离以及桥梁的宽度，综合确定施工干燥区的长度L0＝350m，即挡水建筑物(橡胶坝)至挡水建筑物(橡胶坝)下游350m之间的区域为施工干燥区。
步骤二，为了避免由虹吸式施工导流管引出的水在施工干燥区下游排出后回流至施工干燥区，在施工干燥区下游确定回水区9，回水区紧邻施工干燥区；
步骤三，在挡水建筑物7(橡胶坝)处安装用于将橡胶坝上游的水输送至回水区下游的虹吸式施工导流管1，具体地：虹吸式施工导流管1包括硬质管2、输水软管3和出水弯管4，硬质管和出水弯管均为钢管，输水软管为橡胶管，在挡水建筑物(橡胶坝)处安装硬质管将挡水建筑物(橡胶坝)的上下游连通，硬质管的形态与挡水建筑物(橡胶坝)的纵剖面(沿着水流方向的剖面)的形态一致，硬质管由上游段、挡水建筑物顶面段(即橡胶坝顶面段)和下游段组成，上游段的进口朝下，上游段与挡水建筑物顶面段之间由第一弯头连接，挡水建筑物顶面段与下游段之间由第二弯头连接，在下游段的末端通过第三弯头和密封阀5连接输水软管，第三弯头的末端位于河床上，输水软管的末端连接出水弯管，出水弯管的出水口位于回水区的起始端端部，出水弯管的出水口朝上，为了防止出水时出水弯管震动并保证出水弯管的出水口朝上，在安装出水弯管处的河床上安装固定件将出水弯管以开口竖直向上的方式固定住。本实施例在硬质管上设有用于与抽真空设备连接的带控制阀的抽真空接口6。第一弯头、第二弯头、第三弯头的角度使得硬质管的上游段和下游段贴合橡胶坝，出水弯管采用的是钝角弯头。
本实施例选用的硬质管、输水软管和出水弯管的内径相等，均为2m。
在确定虹吸式施工导流管的的内径d＝2m后，根据下式计算虹吸式施工导流管的硬质管和输水软管的沿程阻力系数λ1,λ2：
Figure GDA0002659287370000111
Figure GDA0002659287370000112
其中，n1,n2分别为硬质管和输水软管内壁的糙率，R1,R2分别为硬质管和输水软管的水力半径，单位为m，d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
代入虹吸式施工导流管的内径、硬质管和输水软管内壁的糙率数据，得到λ1＝λ2＝0.0142。
查阅局部水头损失系数表，确定虹吸式施工导流管的进口、第一弯头、第二弯头、第三弯头、第三弯头与输水软管之间的密封阀以及出水弯管的局部损失系数，如表2所示。
表2沿程损失系数和局部损失系数表
Figure GDA0002659287370000113
Figure GDA0002659287370000121
安装虹吸式施工导流管时，虹吸式施工导流管的安装高程、进口高程、出口高程以及安装数量按照以下步骤进行确定：
步骤①，确定施工期设计标准洪水流量Qmax
根据待制造河道干地施工条件的河道的实际情况，按照分期设计洪水计算，确定施工期5年一遇设计流量为45m3/s，即施工期设计标准洪水流量Qmax＝45m3/s。
步骤②，确定输水软管的长度l2
虹吸式施工导流管的总过流能力Q1≥施工期设计标准洪水流量Qmax，当Q1＝Qmax时，根据式(1)计算出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位H2max，根据式(2)计算施工干燥区下游最大回水长度Lmax，然后根据式(3)计算输水软管的长度l2。
Figure GDA0002659287370000122
向式(1)中带入数据，求得出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位H2max＝0.66m。
Figure GDA0002659287370000123
向式(2)中带入数据，求得施工干燥区下游最大回水长度Lmax＝825m，施工干燥区下游最大回水长度Lmax即为回水区的长度，即在本实施例中，回水区的长度为825m，回水区的起始端端部是指回水区与回水区下游河道的交界处，即回水区的起始端端部位于施工干燥区下游825m处。
l2＝L0+Lmax (3)
向式(3)中带入数据，求得输水软管的长度l2＝1175m。
式(1)～(3)中，
Qmax为施工期设计标准洪水流量，单位为m3/s；
B为河道宽度，单位为m；
H2max为出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位，单位为m；
n为河道糙率；
J为河道坡降；
Lmax为施工干燥区下游最大回水长度，单位为m；
l2为输水软管的长度，单位为m；
L0为施工干燥区的长度，单位为m；
步骤③，确定后续计算需要的特征高程
在步骤②确定输水软管的长度之后，结合基准面、河道比降及挡水建筑物的高度(橡胶坝坝高)，可以确定挡水建筑物(橡胶坝)底部的高程H底部和挡水建筑物(橡胶坝)顶部的高程H顶部，
H底部＝0.94m
H顶部＝3.94m
由于挡水建筑物(橡胶坝)的坝基高度约为0.4m，结合当地景观用水及生态用水等需求，综合确定挡水建筑物(橡胶坝)前最低消落水位H1min为高于挡水建筑物(橡胶坝)底部0.5m，即H1min＝1.44m。
对于挡水建筑物(橡胶坝)前允许的最高水位H1max的确定，挡水建筑物(橡胶坝)的安全超高范围一般为0.1～0.2m，本实施例取0.1m，即ΔH＝0.1m，H1max＝H顶部–ΔH＝3.94-0.1＝3.84m。
步骤④，确定虹吸式施工导流管的进口高程H3
虹吸式施工导流管的进口高程H3应低于挡水建筑物(橡胶坝)前最低消落水位H1min一个高度h，满足式(4)，
H3＝H1min-h (4)
h＝(0.2～0.3)d (5)
本实施例中，H1min＝1.44m，取h＝0.2d＝0.4m，计算得，H3＝1.04m。
式(4)～(5)中，
H3为虹吸式施工导流管的进口高程，单位为m；
H1min为挡水建筑物前最低消落水位，单位为m；
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
步骤⑤，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(橡胶坝)前水位不低于挡水建筑物前最低消落水位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，即满足式(6)，
H4＝H1min (6)
因此，H4＝1.44m。
步骤⑥，确定虹吸式施工导流管的安装高程HA
(a)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，取挡水建筑物前水面与第二弯头的进口端所在断面A-A建立如式(7)所示的伯努利方程，由式(7)计算出第二弯头的进口端所在断面A-A的真空度
Figure GDA0002659287370000141
如式(8)所示，
Figure GDA0002659287370000142
Figure GDA0002659287370000143
第二弯头的进口端所在断面A-A的真空度
Figure GDA0002659287370000144
不超过最大允许真空值hv，如式(9)所示，
Figure GDA0002659287370000145
将式(8)带入式(9)，得到式(10)，
Figure GDA0002659287370000146
令
Figure GDA0002659287370000147
将
Figure GDA0002659287370000148
代入式(10)，得到式(11)，
Figure GDA0002659287370000149
由步骤⑤知，H4＝H1min＝1.44m，当H1＝H1max＝3.84m时，计算得虹吸式施工导流管的最大安装高程HAmax，如式(12)所示，
Figure GDA00026592873700001410
式(7)～(12)中，
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
hv为最大允许真空值，单位为m；
p0为标准大气压，单位为pa；
pA为第二弯头的进口端所在断面的绝对压强，单位为pa；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
H1max为挡水建筑物前允许的最高水位，单位为m；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
ρ为河水的密度，单位为kg/m3；
μa为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为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是自由出流还是淹没出流有关，在计算μ之前，需要确定出流方式：
因出水弯管的出水口朝上且出口高程H4＝H1min＝1.44m，高于出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位H2max，因此虹吸式施工导流管的出流为自由出流，自由出流时μ的计算式如式(13)所示，
Figure GDA0002659287370000151
式(13)以及μa的计算式中，
la为从虹吸式施工导流管进口到第二弯头的进口端所在断面的管道长度，单位为m；
μ1为虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；
ξ1,ξ2,ξ3,ξ4,ξ5,ξ6依次为虹吸式施工导流管的进口、第一弯头、第二弯头、第三弯头、第三弯头与输水软管之间的密封阀以及出水弯管的局部损失系数；
l1,l2分别为硬质管和输水软管的长度，单位为m；
λ1,λ2分别是虹吸式施工导流管的硬质管和输水软管的沿程阻力系数
Figure GDA0002659287370000152
Figure GDA0002659287370000153
n1,n2分别为硬质管和输水软管内壁的糙率，R1,R2分别为硬质管和输水软管的水力半径，单位为m，d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
在计算μa以及式(13)中的μ时，假设虹吸式施工导流管的安装方式是贴合挡水建筑物的顶面安装，据此估算出la和l1的值，来计算。同时，取hv＝7m，并将H4＝H1min＝1.44m，H1＝H1max＝3.84m带入式(12)中，计算得HAmax＝7.97m。
(b)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(橡胶坝)顶部的高程，即满足式(15)，
HA≥H顶部 (15)
式(15)中，
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
H顶部为挡水建筑物顶部的高程，单位为m，本实施例中，H坝顶＝3.94m；
虹吸式施工导流管的安装高程应同时满足步骤⑥的(a)(b)步骤的条件，得到虹吸式施工导流管的安装高程HA应满足式(16)的要求，
Figure GDA0002659287370000161
即3.94m≤HA≤7.97m，也就是说，虹吸式施工导流管的安装高程可以在3.94m～7.97m之间任意选择，本实施例中，选择虹吸式施工导流管贴合橡胶坝坝顶的方式安装，即HA＝3.94m，由此计算得到硬质管的长度l1＝10m。
⑦虹吸式施工导流管的安装数量M
由于虹吸式施工导流管出流方式不同，会造成虹吸式施工导流管流量系数的计算方式不同，因此，首先需要判断虹吸式施工导流管的出流方式是自由出流还是淹没出流，由步骤⑥的(a)步骤可知，本实施例中虹吸式施工导流管的出流方式为自由出流。
当出流方式为自由出流时，虹吸发生后，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液面的关系，忽略挡水建筑物前的行进流速，如式(17)所示，
Figure GDA0002659287370000162
结合式(13)和(17)计算出虹吸式施工导流管内水流流速v，如式(18)所示，则单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs如式(19)所示，
Figure GDA0002659287370000163
Figure GDA0002659287370000164
式(17)～(19)中，
A为虹吸式施工导流管的横截面积，单位为m2；
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
μ1为虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
Qs为单根虹吸式施工导流管的过流能力，单位为m3/s；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
当式(19)中的H4＝H1min＝1.44m，H1＝H1max＝3.84m时，上游水面与出水弯管出口高程差为最大，单根虹吸式施工导流管的过流能力最大，为Qsmax，Qsmax＝6.3m3/s，据此计算虹吸式施工导流管的必要安装数量m，如式(20)或(21)所示，
当
Figure GDA0002659287370000171
为整数时，
Figure GDA0002659287370000172
当
Figure GDA0002659287370000173
不为整数时，
Figure GDA0002659287370000174
式(18)～(19)中，
Qmax为施工期设计标准洪水流量，单位为m3/s；
Qsmax为单根虹吸式施工导流管的最大过流能力，单位为m3/s；
带入Qmax＝45m3/s，Qsmax＝6.3m3/s，计算得到m＝8。
根据虹吸式施工导流管的必要安装数量m确定虹吸式施工导流管的安装数量M，M为大于等于m的整数，本实施例中取M＝m＝8。
本实施例中，具体安装8根内径为2m的虹吸式施工导流管，此时，虹吸式施工导流管占据河道宽度16m，河道宽度为80m，即虹吸式施工导流管仅占河道宽度的20％，方案合理。
虹吸式施工导流管在河道中的布置位置根据实际的工程需求进行确定，随着工程进展的变化，可以灵活调整虹吸式施工导流管的布置位置。
步骤四，根据步骤三确定的输水软管的长度，虹吸式施工导流管的安装高程、进口高程、出口高程以及虹吸式施工导流管的安装数量安装好虹吸式施工导流管之后，关闭密封阀，在硬质管上设置的带控制阀的抽真空接口通过管件连接抽真空设备，启动抽真空设备，之后打开抽真空接口的控制阀对硬质管抽真空，待硬质管内的真空度达到要求后，关闭抽真空接口的控制阀，关闭抽真空设备，打开密封阀，将挡水建筑物前的水通过虹吸式施工导流管输送至回水区下游，当目标区域的水流出目标区域后，即在施工干燥区形成河道干地施工条件。
实施例2
本实施例中，涉及到的工程情况与实施例1相同，采用与实施例1基本相同的方法制造河道干地施工条件，不同之处仅在采用的虹吸式施工导流管的直径为1.5m，即本实施例选用的硬质管、输水软管和出水弯管的内径相等，均为1.5m。
采用与实施例1相同的方法，计算得到的各参数如下：
输水软管的长度l2＝1175m；
虹吸式施工导流管的进口高程H3＝1.14m；
虹吸式施工导流管的出口高程H4＝1.44m；
虹吸式施工导流管的安装高程HA：3.94m≤HA≤8.00m；
虹吸式施工导流管的必要安装数量m＝14；
本实施例中取M＝m＝14。
本实施例中，具体安装14根内径为1.5m的虹吸式施工导流管，此时，虹吸式施工导流管占据河道宽度21m，河道宽度为80m，即虹吸式施工导流管仅占河道宽度的26.25％，方案合理。
由实施例1和实施例2可知，虹吸式施工导流管的管径采用1.5～2m都可行，在实际工程应用中，可根据工程造价及虹吸式施工导流管占用的河道宽度等因素具体选择和确定虹吸式导流管的直径。

Claims (8)

1.利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于步骤如下：
步骤一，将待制造河道干地施工条件的河道区域记作施工干燥区，施工干燥区位于河道的挡水建筑物的下游；
步骤二，在施工干燥区下游确定回水区，回水区紧邻施工干燥区；
步骤三，在挡水建筑物处安装用于将挡水建筑物上游的水输送至回水区下游的虹吸式施工导流管；
虹吸式施工导流管包括硬质管、输水软管和出水弯管，在挡水建筑物处安装硬质管将挡水建筑物的上下游连通，硬质管的安装形态与挡水建筑物的纵剖面的形态一致，硬质管由上游段、挡水建筑物顶面段和下游段组成，上游段与挡水建筑物顶面段之间由第一弯头连接，挡水建筑物顶面段与下游段之间由第二弯头连接，在下游段的末端通过第三弯头和密封阀连接输水软管，第三弯头的末端位于河床上，输水软管的末端连接出水弯管，出水弯管的出水口位于回水区的起始端端部，出水弯管的出水口朝上；硬质管、输水软管和出水弯管的内径相等；
安装虹吸式施工导流管时，虹吸式施工导流管的安装高程、进口高程、出口高程以及安装数量按照以下步骤进行确定：
①确定施工期设计标准洪水流量Qmax；
②确定输水软管的长度l2
虹吸式施工导流管的总过流能力Q1≥施工期设计标准洪水流量Qmax，当Q1＝Qmax时，根据式(1)计算出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位H2max，根据式(2)计算施工干燥区下游最大回水长度Lmax，施工干燥区下游最大回水长度Lmax即为回水区的长度，然后根据式(3)计算输水软管的长度l2，
Figure FDA0002659287360000011
Figure FDA0002659287360000012
l2＝L0+Lmax (3)
式(1)～(3)中，
Qmax为施工期设计标准洪水流量，单位为m3/s；
B为河道宽度，单位为m；
H2max为出水弯管的出水口处对应的河道的最高水位，单位为m；
n为河道糙率；
J为河道坡降；
Lmax为施工干燥区下游最大回水长度，单位为m；
l2为输水软管的长度，单位为m；
L0为施工干燥区的长度，单位为m；
③确定虹吸式施工导流管的进口高程H3
虹吸式施工导流管的进口高程H3应低于挡水建筑物前最低消落水位H1min一个高度h，满足式(4)，
H3＝H1min-h (4)
h＝(0.2～0.3)d (5)
式(4)～(5)中，
H3为虹吸式施工导流管的进口高程，单位为m；
H1min为挡水建筑物前最低消落水位，单位为m；
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
④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挡水建筑物前最低消落水位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，即满足式(6)，
H4＝H1min (6)
⑤确定虹吸式施工导流管的安装高程HA
(a)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，取挡水建筑物前水面与第二弯头的进口端所在断面建立如式(7)所示的伯努利方程，由式(7)计算出第二弯头的进口端所在断面的真空度
Figure FDA0002659287360000021
如式(8)所示，
Figure FDA0002659287360000022
Figure FDA0002659287360000023
第二弯头的进口端所在断面的真空度
Figure FDA0002659287360000024
不超过最大允许真空值hv，如式(9)所示，
Figure FDA0002659287360000025
将式(8)带入式(9)，得到式(10)，
Figure FDA0002659287360000031
令
Figure FDA0002659287360000032
将
Figure FDA0002659287360000033
代入式(10)，得到式(11)，
Figure FDA0002659287360000034
由步骤④知，H4＝H1min，当H1＝H1max时，计算得虹吸式施工导流管的最大安装高程HAmax，如式(12)所示，
Figure FDA0002659287360000035
式(7)～(12)中，
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
hv为最大允许真空值，单位为m；
p0为标准大气压，单位为pa；
pA为第二弯头的进口端所在断面的绝对压强，单位为pa；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
ρ为河水的密度，单位为kg/m3；
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
H1max为挡水建筑物前允许的最高水位，单位为m，H1max＝H顶部-ΔH，H顶部为挡水建筑物顶部的高程，单位为m，ΔH为挡水建筑物的安全超高，单位为m；
μa为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为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＝H1min≥H2max时，为自由出流，自由出流时μ的计算式如式(13)所示，
Figure FDA0002659287360000041
当虹吸式施工导流管的出口高程H4＝H1min＜H2max时，为淹没出流，淹没出流时，μ的计算式如式(14)所示，
Figure FDA0002659287360000042
式(13)～(14)以及μa的计算式中，
la为从虹吸式施工导流管进口到第二弯头的进口端所在断面的管道长度，单位为m；
μ1为虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；
μ2为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依次为虹吸式施工导流管的进口、第一弯头、第二弯头、第三弯头、第三弯头与输水软管之间的密封阀、出水弯管以及虹吸式施工导流管的出口的局部损失系数；
l1,l2分别为硬质管和输水软管的长度，单位为m；
λ1,λ2分别是虹吸式施工导流管的硬质管和输水软管的沿程阻力系数
Figure FDA0002659287360000043
Figure FDA0002659287360000044
n1,n2分别为硬质管和输水软管内壁的糙率，R1,R2分别为硬质管和输水软管的水力半径，单位为m，d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
(b)作为安装的必要条件，虹吸式施工导流管的安装高程HA应高于或等于挡水建筑物高程，即满足式(15)，
HA≥H顶部 (15)
式(15)中，
HA为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；
H顶部为挡水建筑物顶部的高程，单位为m；
虹吸式施工导流管的安装高程应同时满足步骤⑤的(a)(b)步骤的条件，得到虹吸式施工导流管的安装高程HA应满足式(16)的要求，
Figure FDA0002659287360000051
⑥虹吸式施工导流管的安装数量M
当出流方式为自由出流时，虹吸发生后，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液面的关系，忽略挡水建筑物前的行进流速，如式(17)所示，
Figure FDA0002659287360000052
结合式(13)和(17)计算出虹吸式施工导流管内水流流速v，如式(18)所示，则单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs如式(19)所示，
Figure FDA0002659287360000053
Figure FDA0002659287360000054
式(17)～(19)中，
A为虹吸式施工导流管的横截面积，单位为m2；
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m；
μ1为虹吸式施工导流管自由出流时的流量系数；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
Qs为单根虹吸式施工导流管的过流能力，单位为m3/s；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
当式(19)中的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，如式(20)或(21)所示，
当
Figure FDA0002659287360000055
为整数时，
Figure FDA0002659287360000056
当
Figure FDA0002659287360000057
不为整数时，
Figure FDA0002659287360000058
的整数部分+1(21)
式(20)～(21)中，
Qmax为施工期设计标准洪水流量，单位为m3/s；
Qsmax为单根虹吸式施工导流管的最大过流能力，单位为m3/s；
当出流方式为淹没出流时，虹吸发生后，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液面的关系，忽略挡水建筑物前的行进流速，如式(22)所示，
Figure FDA0002659287360000061
结合式(14)和(22)计算出虹吸式施工导流管内水流流速v，如式(23)所示，则单根虹吸式施工导流管的过流能力Qs如式(24)所示，
Figure FDA0002659287360000062
Figure FDA0002659287360000063
式(22)～(24)中，
A为虹吸式施工导流管的横截面积，单位为m2；
μ2为虹吸式施工导流管淹没出流时的流量系数；
v为虹吸式施工导流管内水流流速，单位为m/s；
g为挡水建筑物当地的重力加速度，单位为m/s2；
Qs为单根虹吸式施工导流管的过流能力，单位为m3/s；
H4为虹吸式施工导流管的出口高程，单位为m；
H1为挡水建筑物前的实际水位，单位为m；
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，虹吸式施工导流管的必要安装数量m的计算式如式(20)或(21)所示；
根据虹吸式施工导流管的必要安装数量m确定虹吸式施工导流管的安装数量M，M为大于等于m的整数；
步骤四，根据步骤三确定的输水软管的长度，虹吸式施工导流管的安装高程、进口高程、出口高程以及虹吸式施工导流管的安装数量安装好虹吸式施工导流管之后，给虹吸式施工导流管制造真空条件以将挡水建筑物前的水通过虹吸式施工导流管输送至回水区下游，当目标区域的水流出目标区域后，即在施工干燥区形成河道干地施工条件。
2.根据权利要求1所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，所述出水弯管为硬质出水弯管。
3.根据权利要求1所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，采用固定件对出水弯管进行固定，以确保出水弯管的出水口朝上和防止出水时出水弯管震动。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，在硬质管上设有用于与抽真空设备连接的带控制阀的抽真空接口。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，虹吸式施工导流管的内径d≤2m。
6.根据权利要求5所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，虹吸式施工导流管的安装数量M还应满足
Figure FDA0002659287360000071
d为虹吸式施工导流管的内径，单位为m，B为河道宽度，单位为m。
7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，施工期设计洪水流量Qmax根据防洪标准进行确定。
8.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法，其特征在于，所述挡水建筑物包括闸和坝。
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