虹吸管在水庫高水頭小流量泄水狀態下的應用

唐明建，張曉葉

(沈陽億鑫設計咨詢有限公司，沈陽 110006)

1 工程概況

烏什水水庫是沙拉依敏河上的一座中型丘陵區注入式水庫，位于新疆兵團第九師一六八團境內。水庫建成于1984年，正常蓄水位874.0m，總庫容3850萬m3，控制下游灌區灌溉面積3780 hm2。

水庫通過泄水涵洞向下游灌區放水，由閘門控制。泄水涵洞位于河床北岸的一級階地上，洞身斷面為城門洞型，下部高1.7m，寬1.8m，上部為半徑0.9m的圓拱，涵洞全長167.9m，設計流量為15m3/s，最大流量30m3/s，涵洞出口消力池長13m，閘門為平板鋼閘門。每年春季4-5月份水庫處于高水位，下游灌區僅有冬麥需要灌溉，灌區需水量較小(約1.0m3/s)，水庫閘門處于高水位、小流量運行狀態，閘門啟閉費時費力。同時，閘門在小流量運行時，震動較為劇烈。本工程通過新建一座虹吸管穿越壩頂，不開啟閘門，而通過虹吸管將水導入下游，以保證水庫在高水位、小流量狀態下的運行安全[1]。

2 虹吸管設計

2.1 虹吸管布置方案

本次虹吸管布置在右岸壩體與岸坡的坡交線處，通過淺埋方式穿越壩頂后，沿壩后坡鋪設至泄水涵洞消力池末端，將水導入消力池后輸送至下游灌區。虹吸管采用DN600mm無縫鋼管，壁厚10mm，表面采用鍍鋅處理。虹吸管總長241.43m，其中上游段長25.11m，壩頂水平段長24.45m，下游段長191.87m。虹吸管進口高程867.00m，壩頂高程876.50m，下游出口高程841.60m，為減少壩頂開挖量，虹吸管駝峰處管頂高程875.90m，淺埋0.6m。虹吸管駝峰處設真空泵，為穩定虹吸管下泄流量并保證駝峰處的真空度，在虹吸管下游出口前設減壓閥一座。詳見圖1。

2.2 虹吸管下泄流量計算

虹吸管出口高程841.60m，下游消力池坎頂高程842.20m，即下游水位842.20m，屬于管道淹沒出流，不考慮進口處水流行進流速，則虹吸管泄流量按管道淹沒出流公式計算：

(1)

式中：λ為沿程損失系數；d為虹吸管管徑，d=0.6m；ξ為局部損失系數；h為虹吸管上下游水位差；L為虹吸管總長度，L=241.43m。

先確定沿程損失系數λ，用曼寧公式：

(2)

計算C，對于鋼管，取n=0.011，則計算可得C=66.27m1/2/s。

故沿損失系數λ=8g/C2=8×9.81/66.272=0.018。

圖1 虹吸管剖面圖

根據實際地形，虹吸管共設7處緩彎管，緩彎管局部損失系數ξ按下式計算：

(3)

虹吸管進口設無底閥濾網，末端設偏心半球閥，局部水頭損失系數計算詳見表1。

表1 局部水頭損失系數計算表

通過計算可得：當上游水位處于正常蓄水位874.00m時，虹吸管下泄流量為Q=1.93m3/s。

由于烏什水水庫壩體較高(最大壩高39.29m)，虹吸管水頭(上下游水位差)較大，造成虹吸管下泄流量超過下游灌區所需流量(1.0m3/s)，為穩定虹吸管下泄流量，在虹吸管下游出口前增設減壓閥一座，通過調節減壓閥增大虹吸管水頭損失，使下泄流量穩定在1.0m3/s。

2.3 虹吸管最高點真空度計算

水流能通過虹吸管，是因為上游水面與虹吸管頂部存在壓差，而虹吸管內真空值的大小就決定了這個壓差的大小。虹吸管的真空值≤理論值10m水柱，因為一個工程大氣壓等于10m水柱高，而且隨著不同的海拔高度大氣壓值在變化。當虹吸管內的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，故校核時虹吸管的真空值按≤8m計算[2]。

即：

(4)

式中：hv為虹吸管的真空值；Zs為最高管段的安裝高度，即最高管段軸線處距上游水面的距離；L2為進口至最高點的管長，L2=49.56m；∑ζ為虹吸管進口至最高點的管線局部損失系數之和，∑ζ=2.83；V2為虹吸管管道流速，V2=Q/A=3.54m/s。

虹吸管進口安裝高程867.00m，最高管段軸線高程875.60m，水庫在不同水位下通過減壓閥調整下泄流量為1.0m3/s時，最高點真空值計算詳見表2。

表2 水庫不同水位對應虹吸管最高點真空值計算表

通過計算可知，當水庫水位處于871m時，虹吸管最高點真空值達到7.99m，故當水庫水位低于871m時，虹吸管真空值較大，為保證虹吸管下泄流量為1.0m3/s，虹吸管應停用。本工程為保證水庫在枯水年份仍能使用虹吸管泄水，將進水口高程設為867.00m，但當水位低于871m運行時下泄流量將減小，無法保證下泄流量為1.0m3/s。

2.4 虹吸管進水口淹沒深度復核計算

為改善進水口水流條件，在進水口設置喇叭形進水口；為防止水草等雜物進入管道，進口處設濾網設施；為防止進水口出現渦流，進水口需保證一定的淹沒深度，參考《水電站進水口設計規范》( DL/T5398-2007)，有壓進水口最小淹沒深度可按戈登公式估算，即：

(5)

式中：s為進水口最小淹沒深度；c為與進水口幾何形狀有關的系數，進水口設計良好和水流對稱，取0.55；v為虹吸管平均流速，3.54m/s；d為虹吸管管徑，0.6m。

通過計算，虹吸管進水口最小淹沒深度為1.51m，虹吸管運行最低水位為871.00m，進口安裝高程867.00m，淹沒深度為4m，滿足條件。另外，根據相關統計資料，烏什水水庫在春季歷年平均水位為871.90m，滿足運行條件。

3 工程中的技術改進

烏什水水庫最大壩高39.29m，正常蓄水位874.00m，下游消力池坎頂高程842.20m，上下游最大水位差31.8m，下游灌區所需流量僅為1.0m3/s。當水庫水位發生變化時，虹吸管下泄流量也隨之發生變化，為避免水資源浪費，可在虹吸管下游增設減壓閥，消減管道多余的水頭，使虹吸管下泄流量穩定在1.0m3/s，同時還可減小水流對管道出口消力池的沖刷。

4 設計及運行過程中應注意的問題

1)受虹吸管真空度≤8m的限制，虹吸管最高點與上游水位間的高差應<8m，同時為避免進水口產生渦流，進水口還需保證一定的淹沒深度，由此方可確定虹吸管進口的安裝高程。

2)管道布置應結合現場實際地形，充分考慮以下問題：盡量不破壞水庫的整體美觀性；減少開挖，以減輕壩體受損；管線順直，盡量減少彎管；做好鎮墩及支墩設置，防止管道產生變形破壞。

3)鋼管采用現場焊接，必須滿足氣密要求,保證管道間、管件間不漏氣。

4)減壓閥的調試在最高水位874.00m時調試，虹吸管第一次使用時先將減壓閥的前后壓差調至最大，完全打開電動偏心半球，調節減壓閥使下泄流量達到1.0m3/s。

5 結 語

本工程已于2017年完成施工并驗收合格，運行至今狀態良好，達到預期的效果。虹吸管在該地區用于水庫泄水尚屬首次，在春季灌溉時，不用開啟泄水涵洞閘門，避免了閘室在高水頭、小流量泄水狀態下的劇烈振動，保證水庫的運行安全。通過安裝減壓閥，可精準控制虹吸管下泄流量，避免水資源浪費。

通過該水庫虹吸管的應用表明，虹吸管在水庫高水頭小流量泄水狀態下運行時，具有安全可靠、操作簡便、便于維護等優點，較好的解決了閘門開啟困難，振動劇烈等問題，值得推廣應用。