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        虹吸管在酸性水庫取水工程中的應用

        2021-07-10 14:38:18周彩霞朱學勝鄭
        有色冶金節(jié)能 2021年3期
        關鍵詞:浮船虹吸管庫內(nèi)

        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(zhì)的作用下會發(fā)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(huán)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(chǎn)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(nèi)取水設施輸送至水處理系統(tǒng)或者綜合利用系統(tǒng)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(lián)合防滲的形式,大多數(shù)采用HDPE 土工膜全庫水平防滲的形式。

        酸性水庫的傳統(tǒng)取水方式有岸邊泵站式、庫內(nèi)浮船式、“井-管-庫外泵站”式。傳統(tǒng)的取水方式通常需要消耗電能,或者對地形地質(zhì)條件要求較高,容易產(chǎn)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(nèi)水位變幅較小的情況下,采用虹吸管取水可以避免傳統(tǒng)取水方式的缺點,避免管道穿過防滲層,工程量小,節(jié)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(tǒng)取水方式

        在實際工程中,根據(jù)取水量、地形、地質(zhì)、施工、運行管理等條件的不同,傳統(tǒng)的酸性水庫取水方式包括岸邊泵站式、庫內(nèi)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(yōu)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(chǎn)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(nèi)水位變幅小的情況。

        1.1.2 庫內(nèi)浮船取水

        在庫內(nèi)設浮船泵站的方式取水靈活,適用于庫內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)水頭,較好地適應庫內(nèi)水位變化,但壩底排水涵管對壩底部的工程地質(zhì)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(nèi)形成真空,利用上游水面的大氣壓強和虹吸管內(nèi)部壓強之差,將水流從上游庫內(nèi)最高處引向低處。虹吸管的優(yōu)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(nèi)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(tǒng)的流量系數(shù);

        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(shù);

        d——管道直徑,m;

        l——虹吸管長度,m;

        ζ——局部水頭損失系數(shù);

        C——謝齊系數(shù),m1/2/s;

        n——粗糙系數(shù);

        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(xiàn)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(nèi)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(shù),通常取α1=α=1;

        ρ——密度,kg/m3;

        g——重力加速度,m/s2。

        根據(jù)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(chǎn)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(qū)均采用HDPE 土工膜防滲。攔擋壩下游設有酸性水處理系統(tǒng)結合池,需將庫內(nèi)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(tǒng)要求輸水能力不小于400 m3/h。

        考慮到本工程壩高較低,庫內(nèi)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(fā)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(guī)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(tǒng)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(nèi)抽成真空,待庫內(nèi)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(jù)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(jù)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(nèi)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(jié)能、經(jīng)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。

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