[发明专利]利用虹吸式施工导流管制造河道干地施工条件的方法

摘要

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。

主权项

1.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，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Q_max；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Q_max，当Q₁＝Q_max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H_2max，根据式(2)计算施工干燥区下游最大回水长度L_max，施工干燥区下游最大回水长度L_max即为回水区的长度，然后根据式(3)计算输水软管的长度l₂，l₂＝L₀+L_max   (3)式(1)～(3)中，Q_max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；H_2max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；L_max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H_1min一个高度h，满足式(4)，H₃＝H_1min‑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；H_1min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H_1min，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H_1min，即满足式(6)，H₄＝H_1min   (6)⑤确定虹吸式施工导流管的安装高程H_A(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h_v，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如式(8)所示，第二弯头的进口端所在断面的真空度不超过最大允许真空值h_v，如式(9)所示，将式(8)带入式(9)，得到式(10)，令将代入式(10)，得到式(11)，由步骤④知，H₄＝H_1min，当H₁＝H_1max时，计算得虹吸式施工导流管的最大安装高程H_Amax，如式(12)所示，式(7)～(12)中，H_A为虹吸式施工导流管的安装高程，单位为m；h_v为最大允许真空值，单位为m；p₀为标准大气压，单位为pa；p_A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；H_A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；H_1max为挡水建筑物前允许的最高水位，单位为m，H_1max＝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；μ_a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＝H_1min≥H_2max时，为自由出流，自由出流时μ的计算式如式(13)所示，当虹吸式施工导流管的出口高程H₄＝H_1min＜H_2max时，为淹没出流，淹没出流时，μ的计算式如式(14)所示，式(13)～(14)以及μ_a的计算式中，l_a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H_A应高于或等于挡水建筑物高程，即满足式(15)，H_A≥H_顶部   (15)式(15)中，H_A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H_A应满足式(16)的要求，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，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Q_s如式(19)所示，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；Q_s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＝H_1min，H₁＝H_1max时，单根虹吸式施工导流管的过流能力最大，为Q_smax，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，当为整数时，当不为整数时，的整数部分+1   (21)式(20)～(21)中，Q_max为施工期设计标准洪水流量，单位为m³/s；Q_smax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，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Q_s如式(24)所示，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；Q_s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＝H_1min，H₁＝H_1max时，单根虹吸式施工导流管的过流能力最大，为Q_smax，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。