虹吸管在讨赖河流域已建水电站中应用

任国良

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

21世纪初讨赖河流域逐步建成了镜铁山、东水峡、冰沟等引水式水电站，被引水河段形成部分河段断流现象，为了解决河道断流问题，需要增设生态流量放水孔。解决该问题方法有下列几种：

(1) 在水电站拦河大坝适当的位置凿孔铺设涵管，向下游输水。

(2) 在水电站拦河大坝泄洪或排沙系统相应的挡水闸门上开孔向下游输水。

(3) 利用水电站拦河大坝原有布置，在大坝适当位置铺设虹吸管道引水至下游。

在拦河大坝泄洪闸(或排沙闸)挡水平面(或弧形)工作闸门面板上开孔向下游输水，需要在挡水闸门面板上开孔，开孔破坏了闸门面板整体性，造成闸门面板局部气蚀，同时在输水过程中，在高速水流的诱导下，易引起闸门震动。在NB35055-2015《水电工程钢闸门设计规范》和NB/T35045-2014《水电工程钢闸门制造安装及验收规范》中规定，在闸门运行过程中不允许有震动现象。

打孔铺设涵管方法是在水电站拦河大坝适当的位置，进行人工或机械施工，对坝体进行开挖或机械打孔，将涵管埋设后再进行回填的工程，其施工难度大、工期长、投资大、下泄流量不易控制等，造成水资源浪费。而且新回填混凝土与原坝体混凝土随着时间推移出现不均匀沉降等现象。对于坝高较低的小型水电站，虹吸管输水可以代替传统的在坝体内打孔铺设涵管输水，且优越性明显。虹吸管技术是利用水力真空虹吸原理使水流沿管道流过比取水面高程更高的坝顶而流向下游输送水的一种方法。虹吸管技术相比传统的破坝重建涵管工艺具有造价低、施工期短、使用灵活、管理、维护方便等优点。

1 讨赖河流域水电站

讨赖河流域自上而下依次建成了镜铁山、东水峡、冰沟等水电站工程。

1.1 镜铁山水电站

镜铁山水电站主要建筑物由拦河大坝、引水发电系统、泄洪排沙系统、发电厂房等组成。工程规模为Ⅳ等小(1)型工程，大坝建筑物为4级，工程区地震设防烈度为Ⅶ度。水电站主要任务是发电，总装机容量36 WM，设计水头64 m。拦河大坝为浆砌块石外包混凝土重力坝，坝顶高程2 948.00 m，建基高程2 892.00 m，最大坝高56 m，坝顶宽度7 m，坝顶长度94 m，其中溢流坝段45 m、冲沙闸坝段10 m、左右岸重力坝39 m；上游坝面边坡在高程2 920.00 m 以上为铅直，以下为1∶0.35边坡，下游坝面边坡为1∶0.75。泄水建筑物由溢流坝与导流泄洪排沙洞组成。溢流坝位于河床中部，为坝顶自由溢流，堰顶高程2 940.00 m，溢流坝段长度45 m，溢流前沿宽度42 m。设计最大泄水量为525 m3/s，校核最大泄水量为1 180 m3/s。

1.2 东水峡水电站

东水峡水电站枢纽采用闸坝结合“一”字形集中布置方式，枢纽建筑物主要包括进水闸、排沙闸、泄冲闸及左右岸连接建筑物。工程规模为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级，工程区地震设防烈度为Ⅶ度。水电站主要任务是发电，总装机容量52.8 WM，设计水头189 m。该工程水库为日调节水库，闸坝顶高程2 570.00 m，闸底高程2 559.50 mm，正常蓄水位2 568.00 m，最大坝高10.50 m。

1.3 冰沟水电站

冰沟水电站主要建筑物由浆砌块石外包混凝土重力坝、引水发电系统、泄洪排沙系统、发电厂房等组成。工程规模为Ⅳ等小(1)型工程，大坝建筑物为4级，工程区地震设防烈度为Ⅶ度。水电站主要任务是发电，总装机容量21 WM。该工程水库为日调节水库，坝顶高程2 021.50 m，闸底高程2 000.00 m，正常蓄水位2 020.00 m，最大坝高21.5 m，坝顶宽度12.30 m。

2 镜铁山、东水峡、冰沟等水电站虹吸管路的设计布置

镜铁山、东水峡、冰沟等引水式水电站虹吸管总体布置原则是在不破坏原有建筑物及设备的条件下，尽量缩短虹吸管路径，减少虹吸管道转弯次数，当库区水位在死水位时确保向下游输水的最小流量不变等。

2.1 镜铁山水电站

依据镜铁山水电站坝型布置，选择合适的引水路径及管道转弯次数。经现场踏勘，确定在泄水建筑物溢流坝坝顶铺设虹吸管向下游输水，以满足向下游河道输送生态流量。详细布置见图1。

图1 镜铁山水电站虹吸管布置图 单位：m

2.2 东水峡水电站

东水峡水电站枢纽采用闸坝结合“一”字形集中布置方式，枢纽建筑物自左向右依次布置有1孔进水闸、1孔排沙闸、3孔泄洪闸及左右岸连接建筑物。其中3孔8.5 m×8.84 m(宽×高)泄洪闸布置在坝体中部靠主河一侧，且为表孔弧形工作闸门。经现场踏勘，确定在3孔表孔弧形工作闸门上铺设虹吸管向下游输水，既不破坏原有弧形工作闸门，又满足向下游河道输送生态流量的问题。详细见图2。

图2 东水峡水电站虹吸管布置图 高程：m；直径，mm

2.3 冰沟水电站

冰沟水电站挡水坝为浆砌石重力坝，外包1层0.5～1.5 m厚的混凝土。坝顶高程2 021.50 m，坝顶宽度12.30 m，坝轴线长度150 m。自左向右依次布置有1孔进水闸、1孔冲沙闸、2孔泄洪闸及左右岸副坝连接建筑物。经现场踏勘，确定在冲沙闸检修闸门下游侧与工作闸门上游胸墙之间的空间(0.7 m)布置虹吸管进口段，既缩短虹吸管路径，又不影响冲沙闸检修闸门和工作闸门正常使用。详细见图3。

图3 冰沟水电站虹吸管布置图 高程：m；其他，mm

3 虹吸管设计

虹吸管水力计算主要是确定虹吸管的流量及虹吸管顶部最大允许安装高程，确保虹吸管正常工作。在工程应用上虹吸管最大真空度hv取7～8 m高水柱。考虑到讨赖河流域均属高原气候，下列计算hv取7 m高水柱。

虹吸管管路段的局部水头损失和沿程水头损失均不能忽略，必须同时考虑，因此虹吸管的水力计算按照短管水力计算。

3.1 虹吸管出水流量计算

虹吸管出水流量Q计算公式：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；A为管道断面面积，m2；g为重力加速度，m2/s；h为虹吸管上下游水位差，m；μc为管道系统流量系数。即：

(2)

式中：l为管道计算长度,m;d为管道内径,m;∑ξ为管道计算段中各局部水头损失系数之和;λ为沿程水头损失系数。

(3)

式中:C为管道谢才系数。

(4)

式中:n为糙率系数，对于无缝钢管取0.011～0.012;R为水力半径,m。

3.2 虹吸管安装高程(Zs)的计算

以虹吸管运行时库区最低水位作为0-0基准面，最大真空度hv取7 m，根据伯奴利方程式，列断面1-1与2-2能量方程式：

得：

3.3 虹吸管进口最小淹没深度(Hs)的计算

为了防止虹吸管进口产生贯通式漏斗漩涡，带入空气破坏虹吸效果，虹吸管最小淹没深度Hs按下式估算：

Hs=(1～1.57)Fr0d

(5)

式中:Fr0为虹吸管断面的水流弗劳德数。

(6)

式中:d虹吸管直径,m;v0虹吸管断面流速,m/s。

4 虹吸管设计中注意的问题

虹吸管运行的核心问题是防止虹吸管内进入空气，具体方法：

(1) 虹吸管设计布置开始一定要满足虹吸管的最小淹没深度(Hs)，在满足淹没深度的条件下，虹吸管进口方向朝下布置。

(2) 虹吸管材质上尽量选择优质的无缝钢管，减少焊缝数量，控制好每道焊缝质量，确保虹吸管的密封性。

(3) 防止在虹吸管进口处吸入杂物，影响虹吸管的性能，应设置拦污栅装置。

(4) 在虹吸管出口优选密封性能好的球阀，以减少管内进入空气。

5 结 语

对于坝高较低的小型水电站，虹吸管输水可以代替传统的在坝体内打孔铺设涵管输水，且优越性明显。虹吸管技术相比传统的破坝重建涵管工艺具有造价低，施工期短，使用灵活，管理、维护方便等优点，希望能为类似工程提供借鉴作用。

参考文献:

[1] 李炜.水力计算手册[M].2版.北京:中国水利水电出版社，2006.

[2] 张健,单志高,夏江.浅谈虹吸管在小型水库除险加固中的设计与应用[J].中国科技信息,2013(10):87-87.

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[4] 黄健,刘恒,虹吸管在金东区水库除险加固中的应用[J].浙江水利科技,2010(09)：73-76.

[5] 栾琳,毛凤滨,王立涛.虹吸管在山区小型水库中的应用[J].黑龙江水利科技,2007(05)：199-201.