洪慶松

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

虹吸管在城市取水工程中的應(yīng)用

洪慶松

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)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(jiǎn)單、能跨越高地減少土方開(kāi)挖、工程維護(hù)方便、工程造價(jià)較低、不易引起穿越處滲漏破壞等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了虹吸管作為輔助取水設(shè)施在某城市取水工程中的應(yīng)用,并對(duì)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理中遇到的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)。

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(guī)模為4×104m3/d,取水水源為水庫(kù)水。取水水庫(kù)總庫(kù)容為6.75×107m3,水庫(kù)百年一遇設(shè)計(jì)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(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘,取水點(diǎn)選定于水庫(kù)副壩東北側(cè)的水域,該處岸上有一塊相對(duì)平坦的空地,現(xiàn)狀道路地面標(biāo)高為120 m。由于副壩左右壩肩上部的強(qiáng)風(fēng)化巖層透水性較強(qiáng),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(kāi)挖壩下涵管的取水方案,需要進(jìn)行大量的土石方開(kāi)挖,工程投資大,施工工期長(zhǎng),且易對(duì)老壩體的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。若采用開(kāi)鑿隧洞的取水方案,由于取水處水庫(kù)周邊山體屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化巖層,巖質(zhì)情況不是很好,沒(méi)有開(kāi)鑿隧洞的良好條件,且造價(jià)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(guò)壩體。設(shè)計(jì)在水庫(kù)內(nèi)建造了一座濕式取水泵房,原水經(jīng)潛水泵提升后翻越水庫(kù)壩體,重力自流至凈水廠,管道通過(guò)壩體的管中心標(biāo)高為118.05 m。

由于水庫(kù)的水位變幅非常大,導(dǎo)致水泵的運(yùn)行揚(yáng)程季節(jié)性變化很大,最低設(shè)計(jì)水位時(shí)水泵的揚(yáng)程為28 m,最高設(shè)計(jì)水位時(shí)水泵的揚(yáng)程僅為4.8 m。設(shè)計(jì)中雖對(duì)取水泵增設(shè)了變頻器進(jìn)行調(diào)速,但是,由于水位變化幅度太大,高水位時(shí)即使單臺(tái)水泵運(yùn)行也將超出水泵電機(jī)的變頻范圍,泵房將超流量運(yùn)行,非但不經(jīng)濟(jì),同時(shí)也給凈水廠的運(yùn)行管理帶來(lái)了一定的困難。針對(duì)此種情況,設(shè)計(jì)中增設(shè)了2條DN500的虹吸管。在水庫(kù)中低水位時(shí),水庫(kù)水通過(guò)潛水泵提升翻越大壩后重力自流至凈水廠;中高水位時(shí),水泵停止運(yùn)行,通過(guò)運(yùn)行虹吸管將水庫(kù)水提升后翻越大壩再重力自流至凈水廠。見(jiàn)圖1。通過(guò)增設(shè)的虹吸管,不僅解決了高水位時(shí)水泵超流量問(wèn)題,同時(shí)還減少了水泵的日常運(yùn)行費(fèi)用,取得了一定的經(jīng)濟(jì)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(nèi)形成真空,使作用在上游水面的大氣壓強(qiáng)和虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)之間產(chǎn)生壓差,水流即能通過(guò)虹吸管最高處引向低處,形成連續(xù)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(shí)際上,當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時(shí),液體將產(chǎn)生汽化,破壞水流的連續(xù)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(jiǎn)單、能跨越高地、減少土方開(kāi)挖、工程維護(hù)方便、工程造價(jià)較低、不易引起穿越處滲漏破壞等優(yōu)點(diǎn)。

3 虹吸管的水力計(jì)算

虹吸管應(yīng)用的原理比較簡(jiǎn)單,但在使用過(guò)程中首先必須對(duì)通過(guò)流量及安裝高度進(jìn)行計(jì)算。本工程虹吸管安裝高度118.05 m,虹吸管水平段長(zhǎng)度58 m,上游邊坡90°,管道長(zhǎng)度8.55 m,下游邊坡30°,管道長(zhǎng)度17 m,下游水位109.5 m,水庫(kù)水經(jīng)虹吸管翻壩后能重力自流至凈水廠。虹吸管布置示意見(jiàn)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(jīng)先確定,所以必須通過(guò)計(jì)算確定能產(chǎn)生虹吸的水庫(kù)水位。虹吸管最大真空一般發(fā)生在管子最高位置,即發(fā)生在外坡壩頂彎頭前的B斷面處,具體分析如下：以水庫(kù)上游水位為基準(zhǔn)面,基準(zhǔn)面至壩頂彎管中心線的高差為Zs,對(duì)基準(zhǔn)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(nèi)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(guò)計(jì)算可得出Zs≤7.25 m,故虹吸管最高點(diǎn)與上游水面高差應(yīng)≤7.25 m,即本工程中水庫(kù)水位≥110.8 m時(shí)可進(jìn)行虹吸取水。

3.2 虹吸管輸水能力計(jì)算

由于虹吸管長(zhǎng)度不長(zhǎng),按短管計(jì)算,且管道出口淹沒(méi)在水面以下,為淹沒(méi)出流,當(dāng)不考慮行進(jìn)流速水頭時(shí),可用下式[1]計(jì)算流量：

式中：uc為管道系統(tǒng)的流量系數(shù),經(jīng)計(jì)算為0.3；A為管道斷面面積,經(jīng)計(jì)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(guò)計(jì)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(mǎn)足工程需要。

4 虹吸管的施工和質(zhì)量控制

虹吸管的施工和質(zhì)量控制應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)虹吸管管材采用焊接鋼管,穿壩部分采用無(wú)縫鋼管,管道所有部件均采用焊接,為保證管道的長(zhǎng)期運(yùn)行，必須對(duì)管道進(jìn)行防腐處理。管道外防腐采用加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青防腐,內(nèi)防腐采用IPN8710互穿網(wǎng)絡(luò)飲水設(shè)備涂料。

2)虹吸管的施工必須嚴(yán)格把關(guān),重點(diǎn)是做到整個(gè)管道的嚴(yán)密性良好,各種閥門(mén)無(wú)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(mǎn)水,為了輕便采用蝶閥；進(jìn)水閥要求密封良好,且能自動(dòng)關(guān)閉,可采用水泵常用的底閥。

4)選擇專(zhuān)業(yè)的焊接隊(duì)伍進(jìn)行焊接操作。由于管道閥門(mén)、液氣交換箱均為現(xiàn)場(chǎng)焊接,管道按設(shè)計(jì)就位后,對(duì)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(shù),如CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊等工藝；閥門(mén)焊接時(shí),要特別注意防止電焊產(chǎn)生的高溫對(duì)閥門(mén)內(nèi)密封圈的破壞,一般用水對(duì)閥門(mén)進(jìn)行冷卻,使高溫不能傳導(dǎo)到密封圈。

5)整個(gè)管道安裝完成后,必須對(duì)焊縫進(jìn)行100%探傷檢測(cè),并做嚴(yán)密性試驗(yàn)和強(qiáng)度檢測(cè),合格后才能覆蓋。強(qiáng)度檢測(cè)按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行,嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力采用5 kg。

6)管道在運(yùn)行過(guò)程中難免有空氣進(jìn)入,在管道最高點(diǎn)應(yīng)設(shè)置一個(gè)真空液氣交換箱。該真空液氣交換箱的功能是把進(jìn)入管道的空氣與箱體中的水進(jìn)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(duì)虹吸管檢查一次,觀察液氣交換箱的水位,發(fā)現(xiàn)水位低于1/2時(shí),需及時(shí)補(bǔ)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(yùn)行。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

采用虹吸管可以徹底消除壩下涵管或開(kāi)鑿隧洞對(duì)壩體的影響,同時(shí)還具有造價(jià)低、施工工期短、使用靈活、管理方便等優(yōu)點(diǎn),效益十分明顯,是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)注意對(duì)進(jìn)出口閥門(mén)的保養(yǎng)維護(hù),落實(shí)專(zhuān)人管理和操作制度，對(duì)管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，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(xué)[M].2版.南京：河海大學(xué)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(shè)計(jì)工作。