虹吸管在楊溝水庫中的應用分析

李 丹

（固原市水利勘測設計院有限公司,寧夏 固原 756000）

0 引言

虹吸管在寧夏小型水庫除險加固工程中開始得到廣泛關注。寧夏小型水庫數量龐大,多建于二十世紀七八十年代,輸水建筑物多采用臥管+壩下涵管形式,由于建設年代久遠,壩下涵管多處于年久失修狀態,嚴重的出現水毀、通水受阻現象,對壩體安全運行構成嚴重威脅。為了解決此安全隱患,需對原輸水建筑物進行封堵,封堵后可根據實際地形,利用虹吸管可跨域一定范圍內高地、減少開挖的特性[1],從庫區取水,滿足放空水庫或灌溉需求。虹吸管是在管內形成真空,利用上游水面與虹吸管內的壓差,使水流從上游水面通過虹吸管最高點流向下游的一種取水裝置,為保證虹吸管內水流的連續性,虹吸管頂部的真空值一般取7 m～8 m[2]。本文主要結合楊溝水庫除險加固工程,進行虹吸管設計,提出虹吸管管徑宜在經濟管徑附近取值。

1 工程概況

楊溝水庫位于寧夏固原市隆德縣奠安鄉楊溝村境內,是一座以防洪為主,兼顧交通的小（一）型水利工程。楊溝水庫始建于1991 年,現狀淤積面高程為1918.0 m。楊溝水庫輸水建筑物由于水毀嚴重、通水受阻,故對其進行封堵。輸水建筑物封堵后,現狀淤泥面（1918.0 m）至溢洪道底板（1922.2 m）之間17.2 萬m3庫水無法排泄,給水庫防汛帶來巨大壓力。為了減免洪水災害,增強水庫防洪能力,確保壩體安全,在水庫左壩肩新建虹吸管排泄溢洪道底板以下水量。

2 虹吸管設計

2.1 虹吸管布置

楊溝水庫虹吸管運行水位為1918.0 m～1922.2 m,需排泄水量17.2 萬m3。根據地形條件,虹吸管布置在左壩肩原輸水建筑物位置,進口高程取1918.0 m,經計算確定虹吸管最高點處高程,下游出水高程為1897.5 m。虹吸管最高點設1 座真空泵閥井,井內安裝1 臺真空泵、1 個排氣補氣閥。管道出口設1 座流量控制閥井,出水管末端接消力池。

2.2 虹吸管流量確定

溢洪道底板以下死庫容17.2 萬m3,根據當地實際情況,放空時間一般控制在7 天左右。虹吸管7 天放空庫水時的流量按下式計算：

本工程虹吸管設計流量取0.30 m3/s,即6.6 天可放空庫水。

2.3 虹吸管徑確定

2.3.1 虹吸管管徑確定原則

（1）滿足設計輸水能力。

（2）盡量減少水頭損失,增加安裝高度,減少壩體開挖。

（3）多方案比較,確定經濟管徑。

楊溝水庫虹吸管采用鋼管,設計流量為0.30 m3/s。分別對管徑0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 各項參數進行分析比較,確定經濟管徑。

2.3.2 管道沿程損失系數計算

虹吸管沿程損失系數為按下式計算：

虹吸管總長145 m,其中最高點前管道長度L1=45 m,最高點后管道長度L2=100 m。虹吸管采用鋼管,鋼管糙率n=0.012,分別對不同管徑沿程損失系數進行計算,計算結果見表1。

表1 不同管徑沿程損失系數計算表

2.3.3 管道局部損失系數計算

虹吸管進口處設攔污柵,進水口采用喇叭口,虹吸管共設6 個轉彎段（其中最高點前2 個,最高點后4 個）,最高點處設1 個排氣補氣閥、管道出口設1 個流量控制閥調節流量,管道末端接消力池為淹沒出流。

（1）攔污柵局部損失系數計算。

虹吸管進口處設攔污柵,攔污柵局部損失系數按下式計算：

經計算：攔污柵局部損失系數 ζ=1.71。

（2）彎管局部損失計算。

虹吸管急彎管局部損失系數按下式計算：

（3）其他局部損失計算。

喇叭進水口局部損失系數為0.25；排氣補氣閥為閘閥,運行時全開,閘閥局部損失系數為0.07；流量控制閥為球閥,球閥局部損失系數為3.0～5.5,本次取其平均值為4.25；淹沒出流局部損失系數為1.0。

虹吸管最高點前及總體局部損失系數相關計算見表2。

表2 虹吸管局部損失系數計算表

2.3.4 虹吸管安裝高度計算

以進口管道中心高程為基準面（1918 m）,對庫區（A）和最高點（B）處列能量方程：

分別對不同管徑最高點前水頭損失、允許安裝高度等參數進行計算,計算結果見表3。hwA-B～d、Hs～d 關系曲線見圖1。

圖1 hwA-B～d、Hs～d 關系曲線圖

表3 虹吸管最大允許安裝高度計算表

根據表3,圖1 可知,虹吸管流量為0.3 m3/s,當管徑d 從0.3 m增加到0.5 m 時,虹吸管最高點前的水頭損失hwA-B從6.52 m降至0.61 m,水頭損失變幅很大,減小了5.91 m；允許安裝高度從0.48 m 增加至6.39 m；壩體開挖高度從9.52 m 降至3.61 m。

當管徑從0.5 m 增加到0.8 m 時,虹吸管最高點前的水頭損失hwA-B從0.61m 降至0.08 m,水頭損失僅減小了0.53 m；允許安裝高度從6.39 m 增加至6.92 m；壩體開挖高度從3.61 m降至3.08 m。

管徑小于0.5 m 時,管道水頭損失大,虹吸管允許安裝高度低,雖可降低管道及其附屬設施費用,但壩體開挖量大,土方費用增加,且施工期不利于壩體防洪。管徑大于0.5 m 時,管道水頭損失減小幅度明顯減小,即增大管徑對降低壩體開挖量作用不大,而管道及其附屬設施費用增加明顯。由此可見,本工程經濟管徑為0.5 m,對應經濟流速為1.5 m/s。

經綜合比較,楊溝水庫虹吸管管徑確定為0.5 m,虹吸管最高點高程確定為1924.0 m。虹吸管進口高程為1918.0 m,楊溝水庫虹吸管安裝高度為6.0 m。

2.4 虹吸管輸水能力復核

根據《水力學計算手冊》,虹吸管輸水能力按管道淹沒出流公式計算：

楊溝水庫虹吸管進口水位1918.0 m～1922.2 m,出口高程為1897.5 m,管徑0.5 m,經計算,不同水位時,虹吸管的輸水能力為1.01 m3/s～1.11 m3/s,大于設計流量0.3 m3/s,說明虹吸管輸水能力滿足設計要求。虹吸管輸水能力復核結果見表4。

表4 虹吸管輸水能力復核表

3 結語

楊溝水庫虹吸管已實施完成,目前運行效果良好,能夠在規定時間內放空溢洪道至現狀泥面之間的水量,大大緩解了楊溝水庫的防洪壓力,為楊溝水庫下游人民生命安全提供了有力保障。