虹吸管在酸性水庫取水工程中的應用

周彩霞朱學勝鄭 偉

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038；2.中鐵建銅冠投資有限公司,安徽 銅陵 244000)

0 前言

含硫金屬礦山在開采過程中，在空氣、水、微生物等物質的作用下會發生一系列物理化學反應，形成含大量重金屬離子的酸性水，對周邊環境造成巨大威脅[1]。酸性水的收集與處理是目前很多金屬礦山面臨的難題，露天采場及廢石堆場產生的酸性水通常采用酸性水庫的形式收集和臨時儲存，并通過庫內取水設施輸送至水處理系統或者綜合利用系統進行處理或者再利用。

酸性水庫的防滲通常采用全庫水平防滲、垂直防滲或者聯合防滲的形式，大多數采用HDPE 土工膜全庫水平防滲的形式。

酸性水庫的傳統取水方式有岸邊泵站式、庫內浮船式、“井-管-庫外泵站”式。傳統的取水方式通常需要消耗電能，或者對地形地質條件要求較高，容易產生大量開挖及邊坡支護工作，有的穿越防滲層造成防滲層失效。在壩高較低、庫內水位變幅較小的情況下，采用虹吸管取水可以避免傳統取水方式的缺點，避免管道穿過防滲層，工程量小，節約能源，運行管理便捷。

本文結合某礦山酸性水庫實例，將虹吸管應用于該酸性水庫取水工程中，介紹了虹吸管取水的布置方式、水力計算方法以及實施效果，供同類工程借鑒。

1 酸性水庫取水方式

1.1 傳統取水方式

在實際工程中，根據取水量、地形、地質、施工、運行管理等條件的不同，傳統的酸性水庫取水方式包括岸邊泵站式、庫內浮船取水、“井-管-庫外泵站”式。

1.1.1 岸邊泵站式

在岸邊設置泵站吸水，優點是取水水量及揚程可以通過水泵來控制，缺點是消耗電能，且泵站受地形條件影響，容易產生大量開挖及邊坡支護工作；同時由于受水泵吸上高度和安裝位置的限制，該方式適用于岸邊有足夠水深、庫內水位變幅小的情況。

1.1.2 庫內浮船取水

在庫內設浮船泵站的方式取水靈活，適用于庫內水位變幅大，但水位漲落速度低，水流不急，冬季無冰凌，停泊條件良好的情況。浮船取水的方式可較好地適應庫內水位變化，但船體需要進行防腐處理，維護檢修較頻繁，也需要消耗電能。

1.1.3 “井-管-庫外泵站”式

該方式在庫內設取水井，且取水井底部需要設置通向壩外的排水涵管。該方式可充分利用庫內水頭，較好地適應庫內水位變化，但壩底排水涵管對壩底部的工程地質條件要求較高，且不易檢修，造價較高；此外穿越壩體防滲層的施工較為困難，容易造成穿膜處防滲體失效而導致滲漏。

1.2 虹吸管取水

虹吸管的原理是在虹吸管內形成真空，利用上游水面的大氣壓強和虹吸管內部壓強之差，將水流從上游庫內最高處引向低處。虹吸管的優點是能跨越高地，避免了管道穿壩時破壞壩體防滲層，開挖量少，設備少，運行費低，管理方便。由于受虹吸管允許真空值的限制，虹吸管取水適用于壩高較低、庫內水位變化范圍較小的條件。

2 虹吸管取水的水力計算

2.1 虹吸管的輸水能力計算

虹吸管是一種壓力輸水管道，長度一般不大，按短管計算。當不計行近流速影響，管道出口為淹沒出流時，虹吸管的輸水量計算方法[2-4]如下：

式中：Q——流量，m3/s；

μc——管道系統的流量系數；

A——管道的過水斷面面積，m2；

z——上游和下游的水位差，m；

λ——沿程阻力系數；

d——管道直徑，m；

l——虹吸管長度，m；

ζ——局部水頭損失系數；

C——謝齊系數，m1/2/s；

n——粗糙系數；

R——水力半徑，m；圓管滿流時，

2.2 安裝高程計算

虹吸管最大真空值一般出現在管道最高點，如圖1 所示的外坡壩頂彎頭前的B 斷面處。

圖1 虹吸管示意圖

對庫內上游水面斷面0—0 和壩頂彎頭前B—B斷面列能量方程[2]，得到：

式中：

lB——從虹吸管進口至B—B 斷面的長度，m；

zs——虹吸管最高點與上游水面的高差，m；

pa——斷面0—0 處的大氣壓強，Pa；

pB——斷面B—B 處的壓強，Pa；

v0——斷面0—0 處的流速，m/s；

v——斷面B—B 處的流速，m/s；

α1、α——斷面0—0 處和斷面B—B 處的動能修正系數，通常取α1=α=1；

ρ——密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

根據zs的最大值和上游最低水位，即可確定虹吸管的極限安裝高程。

3 工程實例

3.1 工程概況

某礦山酸性水庫用于收集排土場產生的酸性廢水，其攔擋壩為土石壩，壩高13 m，壩頂標高1 140 m，1 133 m 標高處有一錨固平臺，上游壩面及庫區均采用HDPE 土工膜防滲。攔擋壩下游設有酸性水處理系統結合池，需將庫內酸性水引入該結合池中，進而對酸性水進行處理。酸性水處理系統要求輸水能力不小于400 m3/h。

考慮到本工程壩高較低，庫內水位變幅小，能滿足虹吸管取水條件，同時攔擋壩上游設有防滲層，采用虹吸管取水可以避免管道穿壩處防滲層破壞引發的滲漏。

初步選擇采用耐腐蝕性較好的HDPE 管作為虹吸管取水，其規格為外徑315 mm，壁厚18.7 mm。

3.2 虹吸管布置及配套設施

虹吸管取水端布置在錨固平臺上，進水口標高為1 133.00 m，出水端伸入水處理系統結合池，結合池最高水位標高為1 131.00 m，考慮淹沒出流。設計虹吸管最高點安裝高程為1 138.90 m，高于正常蓄水位1 138.00 m，可避免管道穿越防滲層引起的滲漏破壞。另外，在虹吸管進水口處設置底閥和鋼筋混凝土支撐槽，在上游管道底部和頂部設袋裝土支撐和控制管道位移，在下游管道設管墩，在攔擋壩高點設置真空泵，在下游管道末端設置蝶閥。虹吸管布置如圖2 所示。

圖2 虹吸管布置圖

虹吸管的操作管理簡便，當酸性水庫水位超過1 133.00 m 時，即可開啟虹吸管進行輸水。啟動虹吸管時，首先關閉下游蝶閥，并利用真空泵將虹吸管內抽成真空，待庫內水進入管道后適時關閉真空泵，并打開下游蝶閥。

3.3 虹吸管水力復核

根據式(1)～(8)，計算不同上游、下游水位條件下虹吸管的輸水量和允許最高安裝高程，結果見表1～表2。

根據表1、表2 的計算結果，本工程虹吸管的輸水能力為0.119～0.253 m3/s(即428～910 m3/h)，滿足工程輸水能力不小于400 m3/h 的要求；虹吸管的極限安裝高程為1 138.96 m，高于設計安裝高程1 138.90 m，滿足虹吸管的水力要求。

表1 下游水位為1 129 m 時虹吸管的水力復核表

表2 下游水位為1 131 m 時虹吸管的水力復核表

4 結束語

礦山酸性水庫取水輸水工程中，若地形標高適宜、壩高較低、庫內水位變幅小，可考慮采用虹吸管取水輸水，不僅能避免管道破壞防滲層造成的酸性水泄露，還能達到節能、經濟、便于管理的效果。本工程已投入運行，效果較好，可以為類似工程提供參考。