李 丹

（固原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,寧夏 固原 756000）

0 引言

虹吸管在寧夏小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中開(kāi)始得到廣泛關(guān)注。寧夏小型水庫(kù)數(shù)量龐大,多建于二十世紀(jì)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(shè)年代久遠(yuǎn),壩下涵管多處于年久失修狀態(tài),嚴(yán)重的出現(xiàn)水毀、通水受阻現(xiàn)象,對(duì)壩體安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為了解決此安全隱患,需對(duì)原輸水建筑物進(jìn)行封堵,封堵后可根據(jù)實(shí)際地形,利用虹吸管可跨域一定范圍內(nèi)高地、減少開(kāi)挖的特性[1],從庫(kù)區(qū)取水,滿足放空水庫(kù)或灌溉需求。虹吸管是在管內(nèi)形成真空,利用上游水面與虹吸管內(nèi)的壓差,使水流從上游水面通過(guò)虹吸管最高點(diǎn)流向下游的一種取水裝置,為保證虹吸管內(nèi)水流的連續(xù)性,虹吸管頂部的真空值一般取7 m～8 m[2]。本文主要結(jié)合楊溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程,進(jìn)行虹吸管設(shè)計(jì),提出虹吸管管徑宜在經(jīng)濟(jì)管徑附近取值。

1 工程概況

楊溝水庫(kù)位于寧夏固原市隆德縣奠安鄉(xiāng)楊溝村境內(nèi),是一座以防洪為主,兼顧交通的?。ㄒ唬┬退こ?。楊溝水庫(kù)始建于1991 年,現(xiàn)狀淤積面高程為1918.0 m。楊溝水庫(kù)輸水建筑物由于水毀嚴(yán)重、通水受阻,故對(duì)其進(jìn)行封堵。輸水建筑物封堵后,現(xiàn)狀淤泥面（1918.0 m）至溢洪道底板（1922.2 m）之間17.2 萬(wàn)m3庫(kù)水無(wú)法排泄,給水庫(kù)防汛帶來(lái)巨大壓力。為了減免洪水災(zāi)害,增強(qiáng)水庫(kù)防洪能力,確保壩體安全,在水庫(kù)左壩肩新建虹吸管排泄溢洪道底板以下水量。

2 虹吸管設(shè)計(jì)

2.1 虹吸管布置

楊溝水庫(kù)虹吸管運(yùn)行水位為1918.0 m～1922.2 m,需排泄水量17.2 萬(wàn)m3。根據(jù)地形條件,虹吸管布置在左壩肩原輸水建筑物位置,進(jìn)口高程取1918.0 m,經(jīng)計(jì)算確定虹吸管最高點(diǎn)處高程,下游出水高程為1897.5 m。虹吸管最高點(diǎn)設(shè)1 座真空泵閥井,井內(nèi)安裝1 臺(tái)真空泵、1 個(gè)排氣補(bǔ)氣閥。管道出口設(shè)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(kù)容17.2 萬(wàn)m3,根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,放空時(shí)間一般控制在7 天左右。虹吸管7 天放空庫(kù)水時(shí)的流量按下式計(jì)算：

本工程虹吸管設(shè)計(jì)流量取0.30 m3/s,即6.6 天可放空庫(kù)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(shè)計(jì)輸水能力。

（2）盡量減少水頭損失,增加安裝高度,減少壩體開(kāi)挖。

（3）多方案比較,確定經(jīng)濟(jì)管徑。

楊溝水庫(kù)虹吸管采用鋼管,設(shè)計(jì)流量為0.30 m3/s。分別對(duì)管徑0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析比較,確定經(jīng)濟(jì)管徑。

2.3.2 管道沿程損失系數(shù)計(jì)算

虹吸管沿程損失系數(shù)為按下式計(jì)算：

虹吸管總長(zhǎng)145 m,其中最高點(diǎn)前管道長(zhǎng)度L1=45 m,最高點(diǎn)后管道長(zhǎng)度L2=100 m。虹吸管采用鋼管,鋼管糙率n=0.012,分別對(duì)不同管徑沿程損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同管徑沿程損失系數(shù)計(jì)算表

2.3.3 管道局部損失系數(shù)計(jì)算

虹吸管進(jìn)口處設(shè)攔污柵,進(jìn)水口采用喇叭口,虹吸管共設(shè)6 個(gè)轉(zhuǎn)彎段（其中最高點(diǎn)前2 個(gè),最高點(diǎn)后4 個(gè)）,最高點(diǎn)處設(shè)1 個(gè)排氣補(bǔ)氣閥、管道出口設(shè)1 個(gè)流量控制閥調(diào)節(jié)流量,管道末端接消力池為淹沒(méi)出流。

（1）攔污柵局部損失系數(shù)計(jì)算。

虹吸管進(jìn)口處設(shè)攔污柵,攔污柵局部損失系數(shù)按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算：攔污柵局部損失系數(shù) ζ=1.71。

（2）彎管局部損失計(jì)算。

虹吸管急彎管局部損失系數(shù)按下式計(jì)算：

（3）其他局部損失計(jì)算。

喇叭進(jìn)水口局部損失系數(shù)為0.25；排氣補(bǔ)氣閥為閘閥,運(yùn)行時(shí)全開(kāi),閘閥局部損失系數(shù)為0.07；流量控制閥為球閥,球閥局部損失系數(shù)為3.0～5.5,本次取其平均值為4.25；淹沒(méi)出流局部損失系數(shù)為1.0。

虹吸管最高點(diǎn)前及總體局部損失系數(shù)相關(guān)計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 虹吸管局部損失系數(shù)計(jì)算表

2.3.4 虹吸管安裝高度計(jì)算

以進(jìn)口管道中心高程為基準(zhǔn)面（1918 m）,對(duì)庫(kù)區(qū)（A）和最高點(diǎn)（B）處列能量方程：

分別對(duì)不同管徑最高點(diǎn)前水頭損失、允許安裝高度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。hwA-B～d、Hs～d 關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 hwA-B～d、Hs～d 關(guān)系曲線圖

表3 虹吸管最大允許安裝高度計(jì)算表

根據(jù)表3,圖1 可知,虹吸管流量為0.3 m3/s,當(dāng)管徑d 從0.3 m增加到0.5 m 時(shí),虹吸管最高點(diǎn)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(kāi)挖高度從9.52 m 降至3.61 m。

當(dāng)管徑從0.5 m 增加到0.8 m 時(shí),虹吸管最高點(diǎn)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(kāi)挖高度從3.61 m降至3.08 m。

管徑小于0.5 m 時(shí),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(shè)施費(fèi)用,但壩體開(kāi)挖量大,土方費(fèi)用增加,且施工期不利于壩體防洪。管徑大于0.5 m 時(shí),管道水頭損失減小幅度明顯減小,即增大管徑對(duì)降低壩體開(kāi)挖量作用不大,而管道及其附屬設(shè)施費(fèi)用增加明顯。由此可見(jiàn),本工程經(jīng)濟(jì)管徑為0.5 m,對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)流速為1.5 m/s。

經(jīng)綜合比較,楊溝水庫(kù)虹吸管管徑確定為0.5 m,虹吸管最高點(diǎn)高程確定為1924.0 m。虹吸管進(jìn)口高程為1918.0 m,楊溝水庫(kù)虹吸管安裝高度為6.0 m。

2.4 虹吸管輸水能力復(fù)核

根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》,虹吸管輸水能力按管道淹沒(méi)出流公式計(jì)算：

楊溝水庫(kù)虹吸管進(jìn)口水位1918.0 m～1922.2 m,出口高程為1897.5 m,管徑0.5 m,經(jīng)計(jì)算,不同水位時(shí),虹吸管的輸水能力為1.01 m3/s～1.11 m3/s,大于設(shè)計(jì)流量0.3 m3/s,說(shuō)明虹吸管輸水能力滿足設(shè)計(jì)要求。虹吸管輸水能力復(fù)核結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 虹吸管輸水能力復(fù)核表

3 結(jié)語(yǔ)

楊溝水庫(kù)虹吸管已實(shí)施完成,目前運(yùn)行效果良好,能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放空溢洪道至現(xiàn)狀泥面之間的水量,大大緩解了楊溝水庫(kù)的防洪壓力,為楊溝水庫(kù)下游人民生命安全提供了有力保障。