虹吸管在城市取水工程中的应用

洪庆松

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

虹吸管在城市取水工程中的应用

洪庆松

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

虹吸管是利用大气压力而工作的一种压力输水管道,具有施工工艺简单、能跨越高地减少土方开挖、工程维护方便、工程造价较低、不易引起穿越处渗漏破坏等优点。本文介绍了虹吸管作为辅助取水设施在某城市取水工程中的应用,并对设计、施工及运行管理中遇到的技术问题进行分析和总结。

虹吸管；取水工程；能量方程；真空液气交换箱

1 工程概况

某城市取水工程取水规模为4×104m3/d,取水水源为水库水。取水水库总库容为6.75×107m3,水库百年一遇设计洪水位为118.28 m,汛限水位为117.30 m, 97%取水保证率水位为95.50 m,死水位为92.50 m,多年平均水位为109.50 m,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、发电、水产养殖等综合利用的中型水库。根据现场踏勘,取水点选定于水库副坝东北侧的水域,该处岸上有一块相对平坦的空地,现状道路地面标高为120 m。由于副坝左右坝肩上部的强风化岩层透水性较强,且副坝防渗面板、砌筑体、新老混凝土接触面、左端坝肩等处均存在渗漏。若采用大开挖坝下涵管的取水方案,需要进行大量的土石方开挖,工程投资大,施工工期长,且易对老坝体的稳定产生较大影响。若采用开凿隧洞的取水方案,由于取水处水库周边山体属强风化岩层,岩质情况不是很好,没有开凿隧洞的良好条件,且造价更高。因此,为了坝体的安全,取水管必须在汛限水位以上通过坝体。设计在水库内建造了一座湿式取水泵房,原水经潜水泵提升后翻越水库坝体,重力自流至净水厂,管道通过坝体的管中心标高为118.05 m。

由于水库的水位变幅非常大,导致水泵的运行扬程季节性变化很大,最低设计水位时水泵的扬程为28 m,最高设计水位时水泵的扬程仅为4.8 m。设计中虽对取水泵增设了变频器进行调速,但是,由于水位变化幅度太大,高水位时即使单台水泵运行也将超出水泵电机的变频范围,泵房将超流量运行,非但不经济,同时也给净水厂的运行管理带来了一定的困难。针对此种情况,设计中增设了2条DN500的虹吸管。在水库中低水位时,水库水通过潜水泵提升翻越大坝后重力自流至净水厂;中高水位时,水泵停止运行,通过运行虹吸管将水库水提升后翻越大坝再重力自流至净水厂。见图1。通过增设的虹吸管,不仅解决了高水位时水泵超流量问题,同时还减少了水泵的日常运行费用,取得了一定的经济效益。

图1 取水工程示意

2 虹吸管的原理

虹吸管是一种压力输水管道,一般顶部弯曲,且其高程高于上游供水水面,一旦在虹吸管内形成真空,使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差,水流即能通过虹吸管最高处引向低处,形成连续的水流。虹吸管顶部的真空值理论上不能大于最大真空度,即10 m水柱高度。实际上,当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时,液体将产生汽化,破坏水流的连续性,故一般虹吸管的真空值在7～8 m之间。虹吸管具有施工工艺简单、能跨越高地、减少土方开挖、工程维护方便、工程造价较低、不易引起穿越处渗漏破坏等优点。

3 虹吸管的水力计算

虹吸管应用的原理比较简单,但在使用过程中首先必须对通过流量及安装高度进行计算。本工程虹吸管安装高度118.05 m,虹吸管水平段长度58 m,上游边坡90°,管道长度8.55 m,下游边坡30°,管道长度17 m,下游水位109.5 m,水库水经虹吸管翻坝后能重力自流至净水厂。虹吸管布置示意见图2。

图2 虹吸管布置示意

3.1 虹吸水位的确定

由于本工程中虹吸管的安装高度已经先确定,所以必须通过计算确定能产生虹吸的水库水位。虹吸管最大真空一般发生在管子最高位置,即发生在外坡坝顶弯头前的B断面处,具体分析如下：以水库上游水位为基准面,基准面至坝顶弯管中心线的高差为Zs,对基准断面A及外坡坝顶弯头前B断面列能量方程：

则：

若要求管内真空值不大于某一值,即（PA-PB）/γ≤HV,式中HV为允许真空值,取8 m。

通过计算可得出Zs≤7.25 m,故虹吸管最高点与上游水面高差应≤7.25 m,即本工程中水库水位≥110.8 m时可进行虹吸取水。

3.2 虹吸管输水能力计算

由于虹吸管长度不长,按短管计算,且管道出口淹没在水面以下,为淹没出流,当不考虑行进流速水头时,可用下式[1]计算流量：

式中：uc为管道系统的流量系数,经计算为0.3；A为管道断面面积,经计算为0.196 m2；Z为上游水位与下游水位的最小水位差,为1.3 m。

通过计算,每根管道的输水能力为0.296 m3/s,每天的输水能力为25 574 m3/d,能满足工程需要。

4 虹吸管的施工和质量控制

虹吸管的施工和质量控制应注意以下几个方面：

1)虹吸管管材采用焊接钢管,穿坝部分采用无缝钢管,管道所有部件均采用焊接,为保证管道的长期运行，必须对管道进行防腐处理。管道外防腐采用加强级环氧煤沥青防腐,内防腐采用IPN8710互穿网络饮水设备涂料。

2)虹吸管的施工必须严格把关,重点是做到整个管道的严密性良好,各种阀门无漏气,保持管道的真空度。

3)出水阀的主要作用是密封出水口,以使虹吸管能灌满水,为了轻便采用蝶阀；进水阀要求密封良好,且能自动关闭,可采用水泵常用的底阀。

4)选择专业的焊接队伍进行焊接操作。由于管道阀门、液气交换箱均为现场焊接,管道按设计就位后,对钢管的下半圈的焊接要求立焊,需多次均匀地焊接,或者采用一些新型的焊接技术,如CO2气体保护半自动焊等工艺；阀门焊接时,要特别注意防止电焊产生的高温对阀门内密封圈的破坏,一般用水对阀门进行冷却,使高温不能传导到密封圈。

5)整个管道安装完成后,必须对焊缝进行100%探伤检测,并做严密性试验和强度检测,合格后才能覆盖。强度检测按相关规范进行,严密性试验压力采用5 kg。

6)管道在运行过程中难免有空气进入,在管道最高点应设置一个真空液气交换箱。该真空液气交换箱的功能是把进入管道的空气与箱体中的水进行交换,一箱200 L的水一般可维持30～40 d正常使用。一般间隔15 d左右对虹吸管检查一次,观察液气交换箱的水位,发现水位低于1/2时,需及时补充水量,防止管道中真空条件破坏。可由人工添加箱中水量,保证虹吸管的正常运行。

7)为保证坝体的安全,在坝体中心线和迎水坡内离堤角1/3处各设置了一道钢筋混凝土截水环。

5 结束语

采用虹吸管可以彻底消除坝下涵管或开凿隧洞对坝体的影响,同时还具有造价低、施工工期短、使用灵活、管理方便等优点,效益十分明显,是一种经济有效的措施。在实际应用过程中，还应注意对进出口阀门的保养维护,落实专人管理和操作制度，对管理人员进行培训，使管理人员能熟悉和掌握操作流程，避免误操作。

［1］ 李家星,赵振兴.水力学[M].2版.南京：河海大学出版社,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

洪庆松(1981—),男,工程师,主要从事给排水工程设计工作。