大口徑HDPE虹吸管用于水利工程防汛的可行性研究

馬輝文

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

虹吸抽排水是一種傳統技術。虹吸管是利用大氣壓的能量引水的一種壓力輸排水管道，頂部彎曲且其高程高于供水水面，若在虹吸管內造成真空，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，則水流即能通過虹吸管最高處引向低處，形成連續的水流。

虹吸管又分為正虹吸管與倒虹吸管兩種：倒虹吸管常用于通過谷地、溝壑、道路、河道等而設置的壓力輸排水管道；正虹吸管簡稱虹吸管，則是兩低處跨越某一高地之間的輸排水，這樣鋪設管路可減少土方開挖[1]。虹吸管的管材選擇上一般為焊接鋼管或無縫鋼管，為避免腐蝕需采用鍍鋅防銹防腐處理，可明鋪或暗敷，但由于鋼管存在易銹蝕、自重大、運輸施工不便、安裝難度大等缺點。近些年來，用作虹吸管的新型管材如小直徑(<300mm)的塑料管(聚氯乙烯PVC-U、聚乙烯PE)也得到了廣泛應用，其主要優點有：耐腐蝕性好，水力性能好、管道內壁光滑、阻力系數小、不易積垢，材質輕、運輸安裝方便靈活、維修簡捷容易，主材及配件普遍易采購等[2]。

1 項目背景

1.1 概述

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游干流，為Ⅱ等大(2)型工程。施工導流采用圍堰一次性攔斷河床，左岸灘地開挖明渠導流。一期在圍堰(運行期3年)的保護下進行電站廠房、泄水閘、船閘等建筑物施工。二期進行左岸連接土壩施工，采用進占法進行導流明渠封堵，利用已建泄水閘過流。在批復的初設報告中，發生超標準洪水時，采取基坑預充水，圍堰破堰行洪的方式度汛。

基坑預充水是整個充水破堰流程中關鍵的環節之一，根據充水設備的不同，預充水方式一般有大功率水泵抽水、預埋涵管充水和虹吸管充水3種方式，考慮到大功率水泵抽水存在較多不利因素、2019年圍堰已填筑完成，2020年汛前再大開挖預埋涵管工程量大、沿涵管周邊滲漏、新老堰體沉降差、影響施工安全等因素，設計在下游圍堰斷面布置了32根DN1000、間距3m、凈距2m、單根全長85.75m的鋼管(其中堰頂需拆除已有碾壓混凝土路面、泥結石路面、塊石墊層、道路土工格柵及部分堰體至高程48.99m后暗敷，開挖約2m深)，虹吸管通過真空泵抽氣形成真空，鋼管下部設鎮墩、墊梁、出口防沖鋼筋石籠(需下挖坡腳原始地面2.1m)等。

漢江流域暴雨多發生于7、8、9這3個月內，自2020年6月初以來，壩址上游降雨頻繁且雨量充沛，導致漢江流量逐漸增大。一方面長期的降雨嚴重影響了虹吸管的安裝進度，另一方面2020年的防汛形勢較為嚴峻，加大了超標準洪水破堰方案的實施概率。因此，這些現實問題的存在使得現場對虹吸管的施工進度提出了更高的要求。

1.2 研究目的

鋼管虹吸管于2020年5月29日進場開始施工，施工過程包括墊梁澆筑、鋼管吊裝、鋼管焊接及混凝土鎮墩澆筑等幾個步驟。其中對施工進度影響對大的主要是鋼管焊接和混凝土鎮墩澆筑兩個步驟。另期間受壩址長期降雨影響，2020年7月4日才完成1根(包括管閥、鎮墩等)。

鑒于鋼管虹吸管進展緩慢，且2020年防汛形勢嚴峻，為加快虹吸管安裝進度，建議將鋼管替換為塑料管。考慮當虹吸管方案采用PE管進行施工時，PE管的切割、焊接、吊裝均較為方便，PE管的焊接采用的是熱熔焊，其焊接工藝不僅耗時較短且精度較高，可保證管道具備較好的密封性。此外，相較于鋼管，PE管具備較強的柔性和較大的單位伸縮率，能適用一定程度的伸縮與變形。

聚乙烯PE管按其制作材質密度的不同分為高密度聚乙烯管(HDPE))、中密度聚乙烯管(MDPE)和低密度聚乙烯管(LDPE)；根據管壁結構的不同可分為實壁管、結構壁管(雙壁波紋管和纏繞增強管)3種類型。HDPE管具有較高的強度和剛度，HDPE實壁管按材質分為PE80、PE100管[3]，按壁厚分為8個等級，為SDR9～SDR41(標準尺寸比SDR=公稱外徑dn/公稱壁厚en)，相應的壓力等級為0.32～1.6MPa(PE80)，0.4～2.0MPa(PE100)。市政、建筑工程常用的HDPE管材同傳統管材相比，具有連接可靠，具有較好的密封性；耐腐蝕性好，耐老化，使用壽命長；耐磨性及可撓性好；水流阻力小；運輸安裝方便，可工廠預制等諸多優點。

根據本工程預充水時間短、流量大、管道受壓大及成本因素等實際情況，綜上最終擬選定高密度聚乙烯HDPE100級De800mmSDR17管(壁厚47.4mm)為材料制作虹吸管。同時對HDPE管明鋪代替鋼管暗敷進行了水力學計算及試驗，驗證此方案的管材、過流能力、最大安裝高度(真空值)等是否滿足虹吸管正常工作要求。

2 研究內容

2.1 水力學計算

根據目前下游橫向圍堰斷面結構布設虹吸管，虹吸管的進口管頂高程為41.80m，堰頂管頂高程為51.478m，出口管頂高程為40.50m。具體布置如圖1所示。

圖1 下游橫向圍堰HDPE虹吸管斷面布置示意圖/mm

2.1.1虹吸管過流能力計算

根據《水力學》[4](2010版，趙振興、何建京編)及《水力計算手冊》[5](第二版，李煒編)等計算，虹吸管按有壓管道恒定流的短管計算，根據短管出流的形式不同，短管的水力計算可分為自由出流和淹沒出流兩種。

計算虹吸管的過流能力：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根據《水力計算手冊》[5](第二版，李煒編)計算，見表1。

H-上下游水位差(上游水位至出口管道中心高差)，即經過虹吸管的水面總落差，根據設計專題報告，當入庫洪峰流量達到13500m3/s時，下游圍堰堰前水位為46.99m高程，虹吸管自由出流，堰前水位至出口管道中心高差為6.89m。

根據上述公式及表1，計算單根虹吸管過流能力Q=2.24m3/s。

2.1.2虹吸管最大安裝高度(最大真空值)計算校核

虹吸管中最大真空值一般發生在管道最高且距管道進口最遠的位置。本工程中最大真空值發生在距進口最遠而且最高的第二個轉折處(壩頂彎頭①)。

現以下游圍堰臨水面為基準面，令臨水面與壩頂彎頭①中心之間的高差為hs，根據上游豎斷面1與壩頂彎頭①豎斷面2列伯努利能量方程：

(6)

(7)

2.1.3進口水深驗算

根據DL/T 5398—2007《水電站進水口設計規范》[7]，有壓進水口最小淹沒深度可按戈登公式估算：

(8)

式中，S—進水口淹沒深度，m；c—與進水口幾何形狀有關的系數，取0.55；v、d—意義同上。

計算S=2.64m。實際進口水深h進=46.99m-41.8m=5.19m。因h進>S，故進口水深滿足設計要求。

2.1.4管壁厚度驗算

2.2 試驗驗證

2.2.1真空試驗

為驗證該管材是否滿足本次實驗要求，在廠家生產車間對該型管道進行了真空實驗。

試驗設備：水環式真空泵(型號SK-2A)、真空壓力表(Y-100，測量范圍：0～-0.1MPa)、數顯卡尺、π尺、透明直尺、卷尺、固定測試支架2個。

實驗管段長12.6m，兩端通過熱熔堵頭封堵，并于首端堵頭處安裝抽真空設備，于距首尾4.5m、4.6m處位置各設置1道自制方管門架(作變形測量參照用，每道門架可提供管道上、左、右3個方位的測量參照，且門架安裝基面與管道接觸地面同高程)，同時選取兩個截面用軟尺測量管道周長，如圖2所示。2020年6月15日至6月21日，共測量82次，經兩種方式測量計算復核管道外徑變形值均在0.2～0.8mm范圍內，且管內恢復大氣壓后管道外徑能夠恢復到原始值。本次實驗經設計單位見證，根據實驗測量數據，HDPE100級De800mmSDR17管在0.1MPa外壓作用下，沒有產生明顯變形。

圖2 管材廠家真空實驗

2.2.2現場虹吸管通水試驗

(1)試驗目的

①實測采用水泵抽水將管道內充滿水的方法是否可行；

②明確虹吸管在通水狀態下的最大管頂真空值，即明確虹吸管頂高程與進口水位之差在何范圍內，虹吸管可正常工作；

③明確虹吸管進口最小工作水深，即明確進口水位與虹吸管進口頂高程之差在何范圍內，虹吸管可正常工作；

④明確虹吸管進出口最小工作水頭差，即明確進口水位與虹吸管出口頂高程之差在何范圍內，虹吸管可正常工作；

⑤實測虹吸管在通水過程中是否出現抖動。

(2)現場通水試驗

①現場試驗布置

2020年6月24～6月30日，在縱向圍堰與下游圍堰交叉處存渣場，根據設計要求開挖上口40m×40m，下口20m×20m，深4m的蓄水池，采用定制40m×40m的防水篷布鋪設蓄水池，在蓄水池側回填頂部8.5m×5m，高3.1m，坡比1∶2.5的臨時“堰體”。2020年7月1日～7月2日，沿臨時“堰體”及縱向圍堰斷面明鋪組裝工廠定制的HDPE虹吸管、管件，蓄水池蓄水，引接電源等試驗準備。現場試驗布置如圖3—4所示，試驗虹吸管及管材如圖5所示。

圖3 現場試驗斷面圖/m

圖4 蓄水池水位示意圖

圖5 試驗虹吸管及管材示意圖

②現場試驗

試驗日期：2020年7月3日。試驗步驟：

9∶00-10∶00 用戈麥斯汽油機水泵(2寸、25m3出水，30m揚程)從DN110注水閥注入約28m3水，同時從DN110排氣閥排完氣后，全部再關閉。準備虹吸。

10∶12 dn800虹吸管開啟調試。

10∶15 dn800出口閥開啟，蓄水水面高程49.25m，水面寬度36.25m，進水池容量約：2642m3。

10∶18 虹吸進水口管頂出現漩渦，水位下降至48.75m，水面寬度33.75m，水池容量約為：2029m3。

10∶25 虹吸管進口管頂明顯傳出氣漩渦的聲音，水位下降至47.6m，水面寬度28m，水池容量約為930m3。

10∶26 因水位因素進入空氣后，自動結束停止虹吸，水位下降至47.35m，水面寬度26.75m，水池容量為742m3。

整個試驗過程中管道無明顯變形與振動。水位從高程49.25m下降至47.35m，共計下降1.9m，下降容量約為1900m3，試驗時長11分鐘。據此推算平均流量約為2.88m3/s，管道出口處流速約為7.37m/s。試驗推算值大于理論計算值。

(3)試驗結論

①采用水泵抽水將管道內充滿水的時間為1h，該方法有效可行。

②該虹吸管的最大真空值為6.4m，即虹吸管頂高程與進口水位之差在6.4m范圍內，虹吸管可正常工作。

③虹吸管的進口水深(即水面至進口管頂的高差)不得小于2倍管徑，否則會在管道進口處出現旋渦，降低虹吸管工效。

④虹吸管進出口水頭差(即進口水位與出口管頂高程的高差)不小于4.65m時，虹吸管可以正常過流。

⑤在虹吸管正常通水運行時，管身無抖動。

3 工程應用

2020年5月29日～7月4日，完成1根鋼管DN1000虹吸管的全部工作。2020年7月16日～7月28日，根據業主要求，在下游圍堰堰頂完成明排20根HDPE管材及管件等的安裝，后續根據汛情再安裝。

鑒于2020年度防洪度汛的嚴峻形勢，本工程根據水力學理論計算及室內、室外試驗論證后，將原設計的開挖暗敷32根鋼管(直徑1m)虹吸管調整為60根大口徑HDPE虹吸管(直徑0.8m)明排，優化設計取消混凝土鎮墩、支墩、墊梁等固管設施且減少管道出口防沖設施施工的開挖量，將虹吸實現方法由原真空泵抽真空法改為灌水法，管材廠家定制、現場快速組裝。大大縮短了虹吸管施工工期，為本工程防護度汛贏得了寶貴的時間和迎戰洪水的主動權。目前圍堰基坑已安全度過2019—2021年3個汛期，圓滿完成了它的使命，一期圍堰于2022年6月拆除、基坑過水。

4 結語

虹吸管作為管道輸排水方式之一，廣泛應用在灌溉、泵站、疏浚、飲水取水等工程，在小型水庫除險加固工程中多用于輸水涵管重建和防洪搶險中，虹吸管管材一般為焊接鋼管或無縫鋼管和小直徑(<300mm)的PVC管和PE管。本項目大口徑(800mm)HDPE實壁管在基坑虹吸管預充水工程中的成功應用，為工程防洪度汛贏得了寶貴的時間和提供了科技度汛的經驗，對在水利工程中應用大口徑HDPE管提供了借鑒和補充，有一定的突破性。更大口徑(>800mm)的HDPE虹吸管輸排水還需更多研究與實踐。