破山洞水库输水洞修复工程正虹吸管计算与分析

程 雪

(辽宁省绥中县大中型水库移民后期扶持工作办公室，辽宁 绥中125200)

1 工程概况

破山洞水库位于辽宁省葫芦岛市绥中县西甸子镇，水库由大坝(主坝、副坝)、溢洪道、输水洞等主要建筑物组成，是一座以防洪、灌溉为主，养鱼为辅的小(2)型水库。坝址地理位置在E119°52′14″，N40°10′50″处，属于强流河流域。

水库控制面积2.0 km2，坝址以上河长2.2 km，河道平均比降31.36‰，水库在辽宁省水文分区中属Ⅵ2水文分区。

2 输水洞处理方案

2013 年8 月受强降水影响，破山洞水库原输水洞洞体上部坝体出现塌陷情况，输水洞放水时坝体土料随着水流排出，严重威胁坝体安全。在紧急时刻，绥中县水利局立即向辽宁省水利厅供水局报告，供水局马上派领导赶赴现场，并聘请水利厅有关专家对输水洞的险情进行了分析并研究了输水洞处理方案。

为恢复输水洞功能，初步拟定两种加固方案:

1)方案一:将原有输水洞洞体开挖后，重新埋设混凝土承插管。

优点:不改变原有输水洞形式及路线，运行管理较方便。

缺点:其施工方法是对坝体进行大开挖，埋涵管后进行土方回填，这样不但工期长，投资大，而且进行管理方面也有欠缺:①出水量不能有效控制，会造成浪费;②在斜管上放、堵水即不方便，也不安全;③新回填土方与老坝体土方存在沉陷差，容易出现土方结合不好，坝体出现不均匀沉陷，产生裂缝且破坏后难以维修等现象。

2)方案二:采用正虹吸形式通过输水管路腾空库容，进口水面高程为95.0 m，下游出水管中心线高程为93.20 m，出水池采用2 级消能，上下游最小水位差为1.8 m。

优点:采用正虹吸管输水则很好地解决了这些问题，虹吸管技术相比传统的破坝修复涵管工艺，具有造价低，施工期短，使用灵活，管理方便等特点［1-3］。

综合上述比较，此次输水洞加固方案采用方案二，具体计算及工程布置如下。

3 水利计算分析

3.1 安装高度确定

根据破山洞水库校核水位为101 m高程和坝顶高程103.58 m，以勉破坏原坝内黏土心墙，故确定虹吸管安装高程为102 m。

3.2 管径确定

由于破山洞水库没有灌溉要求，虹吸管主要用于度汛前腾空库容，根据市场无缝钢管的型号以及出水量的要求，选定钢管直径为DN377m 无缝钢管，管接缝采用焊接，壁厚8 mm。

3.3 虹吸管输水能力计算

虹吸管长度一般不大，故应按短管计算，本工程管道出口为自由出流。当不计行近流速影响时，可直接采用公式:

1)计算流量。

先确定λ 值，用曼宁公式:

2)计算C 值。

对于钢管n=0.011，则R=A/X，

沿程阻力系数λ=8g/c2=0.02。

水头损失系数计算表见表1(其中弯管ξ 根据《水利学》局部水头损失表)

表1 水头损失系数计算表

通过计算虹吸管平均出水量为0.279 m3/s，24 h能排水2.4 万m3。

3.4 虹吸管的安装高程复核计算

虹吸管中最大真空一般发生在管子最高位置。即发生在外坡堤顶弯头前B 断面处，具体分析如下:

以水库上游水位为基准面，基准面至顶顶弯管中心线高差为Zs，对其基准面断面及外坡堤顶弯头前B 断面列能量方程:

式中:LB为从虹吸管进口至B 断面的管长;ΣξB为从虹吸管进口到B 断面的水头损失系数之和。

若要求管内真空值不大于某允许值，即(Pa－PB)/r ≤hv。

式中hv为允许真空值，hv=8 m，

式中:V=Q/A，

经计算确定安装高程为102 m。详细计算见表2。

表2 输水洞安装高程复核计算表

4 工程设计分析

4.1 虹吸管工程设计

虹吸管布设在原输水洞右侧，虹吸管采用DN377 mm无缝钢管，焊接形式连接，壁厚8 mm。钢管沿上下游坝坡架设，在接缝处设浆砌石镇墩，坝顶处设2BV—5110 型真空泵一台，架设低压线路300m，进水口高程为95.00 m，出水口管中心线高程为93.20 m，出水口安装涡轮传动显示开关，出水口处设消能池，消能池长4 m和7 m两级。消能池采用钢筋混凝土结构。进水口混凝土墙主钢筋采用Ⅱ级钢直径为Φ18@200 布设，副筋采用Ⅱ级钢直径为Φ8@250，边墙厚30 cm，底板厚30 cm，底板钢筋采用Ⅱ级钢直径为Φ10@250 布设双层;出水口消能池钢筋采用Ⅱ级钢直径为Φ10@200。坝顶处新建2.5×2.5 m泵房一座［4-6］。

4.2 原沉陷部位处理

对坝体原沉陷部位进行不合格土挖除，用黄土填筑并夯实，恢复原干砌石护坡。

5 工程投资

破山洞水库规模为小(2)型水库，工程等别为Ⅴ等，主要永久建筑物大坝、溢洪道、输水洞按5 级建筑物设计，次要建筑物按5 级建筑标准设计。破山洞水库输水洞水毁修复工程总投资29.03 万元。其中:进场费1.00 万元，原输水洞洞口封堵0.84 万元，沉陷处处理1.45 万元，土建工程6.90 万元，机电设备及金属安装14.20 万元，临时设施费用2.00 万元，零星工程费2.64 万元。

6 结 语

破山洞水库的输水洞水毁修复工程采用正虹吸管输水则很好地解决了工期长，投资大，水量不能有效控制，堵水即不方便，也不安全等问题，而且采用虹吸管技术相比传统的破坝修复涵管工艺，具有造价低，施工期短，使用灵活，管理方便等特点。实践证明虹吸管可以彻底消除小型水库土坝放水涵管的隐患，缩短工期，节约投资［7-9］。

［1］周栽忠，林敏，朱阿根，吕长火.虹吸管原理在小型水库除险加固中的应用［J］.浙江水利科技，1997(04):62-63.

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