虹吸管在城市取水工程中的應用

洪慶松

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330031）

虹吸管在城市取水工程中的應用

洪慶松

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330031）

虹吸管是利用大氣壓力而工作的一種壓力輸水管道,具有施工工藝簡單、能跨越高地減少土方開挖、工程維護方便、工程造價較低、不易引起穿越處滲漏破壞等優點。本文介紹了虹吸管作為輔助取水設施在某城市取水工程中的應用,并對設計、施工及運行管理中遇到的技術問題進行分析和總結。

虹吸管；取水工程；能量方程；真空液氣交換箱

1 工程概況

某城市取水工程取水規模為4×104m3/d,取水水源為水庫水。取水水庫總庫容為6.75×107m3,水庫百年一遇設計洪水位為118.28 m,汛限水位為117.30 m, 97%取水保證率水位為95.50 m,死水位為92.50 m,多年平均水位為109.50 m,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、發電、水產養殖等綜合利用的中型水庫。根據現場踏勘,取水點選定于水庫副壩東北側的水域,該處岸上有一塊相對平坦的空地,現狀道路地面標高為120 m。由于副壩左右壩肩上部的強風化巖層透水性較強,且副壩防滲面板、砌筑體、新老混凝土接觸面、左端壩肩等處均存在滲漏。若采用大開挖壩下涵管的取水方案,需要進行大量的土石方開挖,工程投資大,施工工期長,且易對老壩體的穩定產生較大影響。若采用開鑿隧洞的取水方案,由于取水處水庫周邊山體屬強風化巖層,巖質情況不是很好,沒有開鑿隧洞的良好條件,且造價更高。因此,為了壩體的安全,取水管必須在汛限水位以上通過壩體。設計在水庫內建造了一座濕式取水泵房,原水經潛水泵提升后翻越水庫壩體,重力自流至凈水廠,管道通過壩體的管中心標高為118.05 m。

由于水庫的水位變幅非常大,導致水泵的運行揚程季節性變化很大,最低設計水位時水泵的揚程為28 m,最高設計水位時水泵的揚程僅為4.8 m。設計中雖對取水泵增設了變頻器進行調速,但是,由于水位變化幅度太大,高水位時即使單臺水泵運行也將超出水泵電機的變頻范圍,泵房將超流量運行,非但不經濟,同時也給凈水廠的運行管理帶來了一定的困難。針對此種情況,設計中增設了2條DN500的虹吸管。在水庫中低水位時,水庫水通過潛水泵提升翻越大壩后重力自流至凈水廠;中高水位時,水泵停止運行,通過運行虹吸管將水庫水提升后翻越大壩再重力自流至凈水廠。見圖1。通過增設的虹吸管,不僅解決了高水位時水泵超流量問題,同時還減少了水泵的日常運行費用,取得了一定的經濟效益。

圖1 取水工程示意

2 虹吸管的原理

虹吸管是一種壓力輸水管道,一般頂部彎曲,且其高程高于上游供水水面,一旦在虹吸管內形成真空,使作用在上游水面的大氣壓強和虹吸管內壓強之間產生壓差,水流即能通過虹吸管最高處引向低處,形成連續的水流。虹吸管頂部的真空值理論上不能大于最大真空度,即10 m水柱高度。實際上,當虹吸管內壓強接近該溫度下的汽化壓強時,液體將產生汽化,破壞水流的連續性,故一般虹吸管的真空值在7～8 m之間。虹吸管具有施工工藝簡單、能跨越高地、減少土方開挖、工程維護方便、工程造價較低、不易引起穿越處滲漏破壞等優點。

3 虹吸管的水力計算

虹吸管應用的原理比較簡單,但在使用過程中首先必須對通過流量及安裝高度進行計算。本工程虹吸管安裝高度118.05 m,虹吸管水平段長度58 m,上游邊坡90°,管道長度8.55 m,下游邊坡30°,管道長度17 m,下游水位109.5 m,水庫水經虹吸管翻壩后能重力自流至凈水廠。虹吸管布置示意見圖2。

圖2 虹吸管布置示意

3.1 虹吸水位的確定

由于本工程中虹吸管的安裝高度已經先確定,所以必須通過計算確定能產生虹吸的水庫水位。虹吸管最大真空一般發生在管子最高位置,即發生在外坡壩頂彎頭前的B斷面處,具體分析如下：以水庫上游水位為基準面,基準面至壩頂彎管中心線的高差為Zs,對基準斷面A及外坡壩頂彎頭前B斷面列能量方程：

則：

若要求管內真空值不大于某一值,即（PA-PB）/γ≤HV,式中HV為允許真空值,取8 m。

通過計算可得出Zs≤7.25 m,故虹吸管最高點與上游水面高差應≤7.25 m,即本工程中水庫水位≥110.8 m時可進行虹吸取水。

3.2 虹吸管輸水能力計算

由于虹吸管長度不長,按短管計算,且管道出口淹沒在水面以下,為淹沒出流,當不考慮行進流速水頭時,可用下式[1]計算流量：

式中：uc為管道系統的流量系數,經計算為0.3；A為管道斷面面積,經計算為0.196 m2；Z為上游水位與下游水位的最小水位差,為1.3 m。

通過計算,每根管道的輸水能力為0.296 m3/s,每天的輸水能力為25 574 m3/d,能滿足工程需要。

4 虹吸管的施工和質量控制

虹吸管的施工和質量控制應注意以下幾個方面：

1)虹吸管管材采用焊接鋼管,穿壩部分采用無縫鋼管,管道所有部件均采用焊接,為保證管道的長期運行，必須對管道進行防腐處理。管道外防腐采用加強級環氧煤瀝青防腐,內防腐采用IPN8710互穿網絡飲水設備涂料。

2)虹吸管的施工必須嚴格把關,重點是做到整個管道的嚴密性良好,各種閥門無漏氣,保持管道的真空度。

3)出水閥的主要作用是密封出水口,以使虹吸管能灌滿水,為了輕便采用蝶閥；進水閥要求密封良好,且能自動關閉,可采用水泵常用的底閥。

4)選擇專業的焊接隊伍進行焊接操作。由于管道閥門、液氣交換箱均為現場焊接,管道按設計就位后,對鋼管的下半圈的焊接要求立焊,需多次均勻地焊接,或者采用一些新型的焊接技術,如CO2氣體保護半自動焊等工藝；閥門焊接時,要特別注意防止電焊產生的高溫對閥門內密封圈的破壞,一般用水對閥門進行冷卻,使高溫不能傳導到密封圈。

5)整個管道安裝完成后,必須對焊縫進行100%探傷檢測,并做嚴密性試驗和強度檢測,合格后才能覆蓋。強度檢測按相關規范進行,嚴密性試驗壓力采用5 kg。

6)管道在運行過程中難免有空氣進入,在管道最高點應設置一個真空液氣交換箱。該真空液氣交換箱的功能是把進入管道的空氣與箱體中的水進行交換,一箱200 L的水一般可維持30～40 d正常使用。一般間隔15 d左右對虹吸管檢查一次,觀察液氣交換箱的水位,發現水位低于1/2時,需及時補充水量,防止管道中真空條件破壞。可由人工添加箱中水量,保證虹吸管的正常運行。

7)為保證壩體的安全,在壩體中心線和迎水坡內離堤角1/3處各設置了一道鋼筋混凝土截水環。

5 結束語

采用虹吸管可以徹底消除壩下涵管或開鑿隧洞對壩體的影響,同時還具有造價低、施工工期短、使用靈活、管理方便等優點,效益十分明顯,是一種經濟有效的措施。在實際應用過程中，還應注意對進出口閥門的保養維護,落實專人管理和操作制度，對管理人員進行培訓，使管理人員能熟悉和掌握操作流程，避免誤操作。

［1］ 李家星,趙振興.水力學[M].2版.南京：河海大學出版社,2001.

The Application of Siphon in Urban Water Intake Engineering

HONG Qing song

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Siphon is a kind of pressure water pipe that utilize barometric pressure with featured by simple construction technology, decrease earthwork excavation that cross the highland,convenient engineering maintenance,low project cost,and less leakage damage at traversing points.This paper introduces siphon application as a auxiliary water intaking facilities in water intake project in a certain city,analyze and summarize the technical matters that encountered during design,construction and operation management.

siphon;water intake engineering;energy equation;vacuum fluidamp;gas exchange box

TU991.1

B

1004-4345(2014)05-0089-03

2014-06-19

洪慶松(1981—),男,工程師,主要從事給排水工程設計工作。