虹吸管在金东区小型水库除险加固中的应用

黄 健,刘 恒

(金华市金东区水利水电管理所,浙江 金华 321015)

1 金东区小型水库基本情况

金华市金东区现有小(2)型以上水库68座,1万m3以上山塘476座,总蓄水量8 280万m3,全区灌溉面积1.55万hm2。这些水库山塘大多修建于20世纪五六十年代,限于当时技术、经济条件限制,工程建设标准低,工程设计方案落后,多数水库的输水形式采用坝内混凝土涵管或条石盖板涵管。运行至今,多已出现工程老化失修,水库淤积严重,输水涵管堵塞、漏水、闸门锈蚀、启闭机拉杆断裂等问题,坝内涵管已成为主要的安全隐患。从2003年初开始探索使用简便、安全的虹吸管输水设施来替代坝内涵管。

2 虹吸管的应用条件

虹吸管输水设施相比传统的破坝改造涵管,具有造价低、施工期短、使用灵活、管理方便等特点,而且能节约用水。金东区自2003年开展千库保安工程建设以来,相继在鲫鱼塘、山河溪、木碑塘等水库采用无缝钢管制作的虹吸管取代坝内涵管,取得良好的效果,为小型水库除险加固积累了经验。

在水库除险加固坝内涵管改造中是否选用虹吸管设计方案,应综合考虑水库工程的地形、地质、施工条件和环境影响,在满足安全和运用管理要求前提下,通过经济技术比较确定。以下条件优先采用虹吸管方案。

(1)水库或坝址处无较高山体岗地,地形平坦,水库多副坝或围坝,大坝高度较小;兴利库容相应水深小于6 m,采用虹吸管方案能满足输水运用要求。

(2)水库工程周边山体地质构造复杂,多断层裂隙分布;岩体破碎不完整,松软易塌方,采用隧洞方案不可行。

(3)其它除险加固方案政策处理受阻,施工条件受到限制。

(4)采用隧洞或泵站等方案时,工程造价或运行成本太高,采用虹吸管方案更经济。

3 虹吸管方案设计

虹吸管的工作原理:先对管内进行排气(注满水),虹吸管出口阀门打开放水时,管内形成一定的真空值。由于虹吸管进口处水面的压强为大气压强,压强差迫使水流由压强大的上游流向压强小的下游。当管内的真空不被破坏,且上、下游保持足够的水位差,水就会不断的由上游通过虹吸管流向下游。

无缝钢管通过防腐处理,耐久性比PVC管好,工作性能比钢筋混凝土管好,且易于定型加工,施工高效,又便于拆装维修,因此金东区采用无缝钢管制作虹吸管。虹吸管方案如图1所示。

图1 水库虹吸管结构示意图

虹吸管方案设计一般按下列步骤进行。

3.1 管线选择

管线的选择应结合水库工程枢纽、灌溉渠系的布置和虹吸管运用管理要求,经济技术比较确定。一般选择上下水位差较大、虹吸管工作条件较好、接近渠道进口的坝体或坝肩部位,尽量减少管道长度;交通便捷,便于布置进水池、出水池等配套建筑物。

3.2 确定上、下游水位和进、出口高程

虹吸管上游设计水位为水库常水位,下游渠道按设计流量确定设计水位。管进、出口高程按虹吸管工作条件确定。上下游水位差大于5 m,进口高程先按吸程5 m拟定;上下游水位差小于5 m,则按水位差扣除0.5～1 m拟定进口高程。考虑有利于工程运行管理和保养,出口均采用自由出流,管口高程高于下游水位0.3～0.5 m为宜。

3.3 确定管长

按虹吸管选线方案及拟定的进、出口高程,根据地形条件,设计管道直管段和弯管段布置形式。弯管转弯半径大于2倍管径,转弯角度同地面坡度变化,弯管两端焊接直管长度超过0.5 m。注水池内钢管采用定型加工,长度取0.5 m,焊接φ 100 mm注水钢管,配装截止阀;注水管顶焊φ 50 mm排气管,配装排气阀。虹吸管进口配装逆止阀,出口采用闸阀。最后按管路布置形式,以管道中心线计算总长度。

3.4 确定管径

金东区小型水库一般以灌溉任务为主,虹吸管设计流量按灌溉面积、农作物灌水定额确定。根据设计流量、管长,测算管路沿程和局部水头损失,按短管计算所需管径。短管计算公式如下:

Q为虹吸管设计流量;μc为流量系数;A为管道过水断面积;H0为总水头;∑ζ为局部水头损失之和;λ为沿程阻力系数;l为管长;d为管道过水断面直径;r为管道过水断面半径;

计算确定管径后,应结合施工要求,按市场产品规格选用钢管直径,一般选用D200、D250、D300、D350、D400、D500等管径 (内径)。

3.5 校核设计状态管顶真空值

为了保证虹吸管能正常工作,管内真空值一般不宜超过6～8 m水柱高,因此虹吸管顶部的安装高度就受到限制。在金东区水库除险加固方案设计中,考虑管路的局部水头损失,一般按最大吸程小于5 m拟定虹吸管顶部安装高度,并通过上、下游断面能量守恒定律,计算并校核设计流量状态管顶真空值。计算公式如下:

h真为管顶真空值;hs为管顶至上游进口的安装高度;l1为管顶计算断面至进口管长;v为管道内水流速度

如经计算管顶真空值大于8 m,则需抬高进口高程或加大管径,直到管顶真空值不超过8 m。

3.6 配套建筑物

虹吸管配套建筑物包括进水池、拦污栅、支墩、镇墩、注水池、水泵房、出水池、管理房等。

进水池由两侧导墙和上、下游挡墙组成,均以浆砌块石砌筑;导墙垂直或按喇叭型布置,墙顶坡度同上游地形边坡。池上游挡墙顶高于池底板0.3 m;池下游挡墙直立面距钢管0.4 m,墙顶与钢管安装高程衔接,并高于钢管0.2 m,起到镇墩作用。池室长1.5 m,宽1～1.5 m,底板用混凝土浇筑,底板距虹吸管进水口0.5 m。

拦污栅安装导墙顶的导轨中,遇检修可以手工拉出导轨。拦污栅栅条用φ 10圆钢焊接制作,栅条净距5 cm,栅横梁采用40mm×40 mm角钢焊接。

支墩、镇墩用混凝土浇筑,可采用扩大基础,保证强度和稳定性,防止沉降、倾斜等变形,以避免钢管安装后产生不均匀拉应力。支墩、镇墩顶留半圆型管槽,墩顶支承中心点高程误差小于5mm。支墩间隔3～5m布置。镇墩待管道入槽安装后,垫2层油毛毡并浇筑墩顶二期混凝土。

注水池和水泵房结合布置。注水池以混凝土浇筑,墙和底板厚0.25～0.3 m,池室长1～1.5 m,宽1 m,池底板比钢管底低0.3m,池底板埋设排水管,便于检修和排水。水泵可选用4出水管径的离心泵,进、出水管采用镀锌管,出水管与注水池中注水管连接。水泵房位于注水池边上,便于操作管理。

出水池与管理房结合布置。出水池挡墙一般以浆砌块石砌筑,除上游挡墙兼作钢管镇墩外;其余挡墙按下游设计水位加安全超高确定衬砌高度,墙顶宽度大于0.6 m。池室宽度2～3m;池长应考虑消能影响,一般取3～5 m。底板浇筑混凝土,低于出口渠底0.3～0.5 m,形成消力池。管理房布置于出水池上方,可以利用池四边挡墙作为管理房基础。

4 虹吸管制作安装

金东区小型水库虹吸管水头低、压力小,结合对不同规格管材市场价格的经济比较,并考虑方便焊接制作,一般选用管壁厚度4～6 mm的Ⅰ级低合金无缝钢管制作。制作安装前要研究设计图纸和施工要求,并检查管材的出厂质量证明书。

4.1 下 料

为减少施工现场工作量,提高施工速度,直管委托厂家定型加工处理,长度3～5 m,配焊法兰;管线较长时,应委托厂家制作伸缩节。弯管一般现场制作,按设计图纸弯度下料,下料时控制环缝间距不小于1.5倍管径;钢管圆度、错边量偏差应符合规范规定。

4.2 焊接主管、配件

主管焊接的任务主要是弯管段,配件焊接主要是排气管、注水管、法兰、加劲环、拦污栅等。焊条与所选用钢管材质相匹配。弯管焊接:清除管端钢板坡口两侧2 cm范围内的铁锈、熔渣等杂物,采用手工焊接,逐条焊缝进行,焊接对称均匀且速度一致,不能中断。排气管、注水管、法兰的焊接是关键环节,不能漏焊,避免漏气影响虹吸管正常工作。焊接完毕用砂轮磨平内壁残留焊痕,并进行焊缝质量检验。拆除钢管上工卡具、支撑等构件时,不得锤击,避免损伤管材。

4.3 防 腐

钢管制作完成,选择湿度小、温度较高晴天,进行表面清除油污、焊渣后,在24 h内进行防腐涂装。虹吸管明管外壁采用喷涂涂料,涂装层数、厚度、逐层涂装时间间隔按涂料厂家说明书进行,要求涂装外观表面光滑,颜色一致,无皱皮、起泡、流挂、漏涂等缺陷。埋管外壁抹涂水泥浆,要求水泥浆沾着牢固,不起粉状。内壁防腐采用刷涂环氧煤沥青防锈漆方法,底漆厚50 um,面漆厚450 um。另外可在钢管淹没于水下部分加焊接锌块,以提高钢管抗锈蚀能力。

4.4 安 装

虹吸管安装前,先校验各支墩、镇墩的轴线和墩顶高程,符合安装要求后才能进行管道安装。管道安装一般采用5 t卷杨机吊装,辅以人工调校安装位置。先安装顶部直管、注水管和弯管,再沿坝坡往下接装直管或弯管,最后安装进口逆止阀和出口闸阀,按顺序进行。安装顶部(驼峰)管段时,应保证注水池直管段的最高位置。钢管间以法兰连接,法兰采用垫橡胶密封圈止水,要求用螺栓均匀卡紧,不漏气。每段钢管的拼装要反复调试,直到管段对接安装准确,不受挤、拱等其它外力作用状态,然后在支墩(镇墩)管槽内铺设砂浆,垫2层油毛毡,再入座对接钢管。

4.5 压水试验

虹吸管安装完成后,进行压水试验。试压时,关闭出口闸阀,利用水泵通过注水管向虹吸管内灌水,到排气管出水时关闭注水管阀门和排气管阀门,管内水压维持在工作压力1 h,用小锤在每个管接头及焊缝两侧2 cm处轻轻敲击,整个试验过程应无渗水和其它异常情况。

5 运行管理

5.1 操作运行

虹吸管的操作运行按规定程序进行。第1次工作时,先关闭出口闸阀,打开排气阀,用水泵向管内注水,当排气阀溢水时,断开水泵电机电源,迅速关闭注水管截止阀和排气阀门,此时管内应是满水状态;再打开出口闸阀,虹吸管正常输水。停止运行时,只要关闭出口闸阀即可。以后每次打开出口闸阀,虹吸管即开始工作,操作简便。

5.2 管理维护

虹吸管由专人负责管理和维护。平时应加强对虹吸管及配套设施检查,发现问题及时采取措施予以解决。注意对各阀门的保养,对闸阀螺杆等部位定期添加润滑油,防止注水池长期浸水。每年枯水季节,应对虹吸管进行1次检修和保养,做好管道内、外壁涂装防锈和更换老化止水橡皮等工作。

6 常见问题处理

6.1 水 锤

在虹吸管启闭操作中,如果出口闸阀关闭或开启速度过快,容易出现水锤现象,对钢管连接的安全和稳定性不利。一般可通过缓慢、分段启闭闸阀的方式减小水锤压力。

6.2 漏 气

漏气是虹吸管常见问题,应仔细分析原因。漏气一般有管道连接漏气、管道裂缝、排气阀漏气等。管道因不均匀沉降等原因导致管路连接漏气,应通过加固支墩,增加支撑方法,改善连接受力状况;如果是连接止水橡皮老化引起的漏气,则更换止水橡皮;管道焊接漏气则需补焊。钢管受到偶然外力作用,或锈蚀破坏导致管道破裂,则更换钢管。排气阀漏气有时是因为阀门内部元件间隙缺少润滑油,添加黄油即可解决;排气阀使用时间过长而老化漏气则更换新阀。

6.3 漏 水

漏水比较直观,可通过压水试验判别,常有的漏水部位有闸阀、进口逆止阀。阀门因石块、树枝等异物卡住导致漏水,可用反向注水法冲走异物,或拆装阀门去除异物;阀门老化漏水需更换相应部件。

7 结 语

金东区在多座小型水库的除险加固中,采用无缝钢管制作虹吸管,施工效率高,拆装维修方便,经过多年使用,所建虹吸管运行状况良好。实践证明,在小型水库除险加固的坝内涵管改造中,利用虹吸管输水是一种具有推广价值的新方法。