虹吸管在杨沟水库中的应用分析

李 丹

（固原市水利勘测设计院有限公司,宁夏 固原 756000）

0 引言

虹吸管在宁夏小型水库除险加固工程中开始得到广泛关注。宁夏小型水库数量庞大,多建于二十世纪七八十年代,输水建筑物多采用卧管+坝下涵管形式,由于建设年代久远,坝下涵管多处于年久失修状态,严重的出现水毁、通水受阻现象,对坝体安全运行构成严重威胁。为了解决此安全隐患,需对原输水建筑物进行封堵,封堵后可根据实际地形,利用虹吸管可跨域一定范围内高地、减少开挖的特性[1],从库区取水,满足放空水库或灌溉需求。虹吸管是在管内形成真空,利用上游水面与虹吸管内的压差,使水流从上游水面通过虹吸管最高点流向下游的一种取水装置,为保证虹吸管内水流的连续性,虹吸管顶部的真空值一般取7 m～8 m[2]。本文主要结合杨沟水库除险加固工程,进行虹吸管设计,提出虹吸管管径宜在经济管径附近取值。

1 工程概况

杨沟水库位于宁夏固原市隆德县奠安乡杨沟村境内,是一座以防洪为主,兼顾交通的小（一）型水利工程。杨沟水库始建于1991 年,现状淤积面高程为1918.0 m。杨沟水库输水建筑物由于水毁严重、通水受阻,故对其进行封堵。输水建筑物封堵后,现状淤泥面（1918.0 m）至溢洪道底板（1922.2 m）之间17.2 万m3库水无法排泄,给水库防汛带来巨大压力。为了减免洪水灾害,增强水库防洪能力,确保坝体安全,在水库左坝肩新建虹吸管排泄溢洪道底板以下水量。

2 虹吸管设计

2.1 虹吸管布置

杨沟水库虹吸管运行水位为1918.0 m～1922.2 m,需排泄水量17.2 万m3。根据地形条件,虹吸管布置在左坝肩原输水建筑物位置,进口高程取1918.0 m,经计算确定虹吸管最高点处高程,下游出水高程为1897.5 m。虹吸管最高点设1 座真空泵阀井,井内安装1 台真空泵、1 个排气补气阀。管道出口设1 座流量控制阀井,出水管末端接消力池。

2.2 虹吸管流量确定

溢洪道底板以下死库容17.2 万m3,根据当地实际情况,放空时间一般控制在7 天左右。虹吸管7 天放空库水时的流量按下式计算：

本工程虹吸管设计流量取0.30 m3/s,即6.6 天可放空库水。

2.3 虹吸管径确定

2.3.1 虹吸管管径确定原则

（1）满足设计输水能力。

（2）尽量减少水头损失,增加安装高度,减少坝体开挖。

（3）多方案比较,确定经济管径。

杨沟水库虹吸管采用钢管,设计流量为0.30 m3/s。分别对管径0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 各项参数进行分析比较,确定经济管径。

2.3.2 管道沿程损失系数计算

虹吸管沿程损失系数为按下式计算：

虹吸管总长145 m,其中最高点前管道长度L1=45 m,最高点后管道长度L2=100 m。虹吸管采用钢管,钢管糙率n=0.012,分别对不同管径沿程损失系数进行计算,计算结果见表1。

表1 不同管径沿程损失系数计算表

2.3.3 管道局部损失系数计算

虹吸管进口处设拦污栅,进水口采用喇叭口,虹吸管共设6 个转弯段（其中最高点前2 个,最高点后4 个）,最高点处设1 个排气补气阀、管道出口设1 个流量控制阀调节流量,管道末端接消力池为淹没出流。

（1）拦污栅局部损失系数计算。

虹吸管进口处设拦污栅,拦污栅局部损失系数按下式计算：

经计算：拦污栅局部损失系数 ζ=1.71。

（2）弯管局部损失计算。

虹吸管急弯管局部损失系数按下式计算：

（3）其他局部损失计算。

喇叭进水口局部损失系数为0.25；排气补气阀为闸阀,运行时全开,闸阀局部损失系数为0.07；流量控制阀为球阀,球阀局部损失系数为3.0～5.5,本次取其平均值为4.25；淹没出流局部损失系数为1.0。

虹吸管最高点前及总体局部损失系数相关计算见表2。

表2 虹吸管局部损失系数计算表

2.3.4 虹吸管安装高度计算

以进口管道中心高程为基准面（1918 m）,对库区（A）和最高点（B）处列能量方程：

分别对不同管径最高点前水头损失、允许安装高度等参数进行计算,计算结果见表3。hwA-B～d、Hs～d 关系曲线见图1。

图1 hwA-B～d、Hs～d 关系曲线图

表3 虹吸管最大允许安装高度计算表

根据表3,图1 可知,虹吸管流量为0.3 m3/s,当管径d 从0.3 m增加到0.5 m 时,虹吸管最高点前的水头损失hwA-B从6.52 m降至0.61 m,水头损失变幅很大,减小了5.91 m；允许安装高度从0.48 m 增加至6.39 m；坝体开挖高度从9.52 m 降至3.61 m。

当管径从0.5 m 增加到0.8 m 时,虹吸管最高点前的水头损失hwA-B从0.61m 降至0.08 m,水头损失仅减小了0.53 m；允许安装高度从6.39 m 增加至6.92 m；坝体开挖高度从3.61 m降至3.08 m。

管径小于0.5 m 时,管道水头损失大,虹吸管允许安装高度低,虽可降低管道及其附属设施费用,但坝体开挖量大,土方费用增加,且施工期不利于坝体防洪。管径大于0.5 m 时,管道水头损失减小幅度明显减小,即增大管径对降低坝体开挖量作用不大,而管道及其附属设施费用增加明显。由此可见,本工程经济管径为0.5 m,对应经济流速为1.5 m/s。

经综合比较,杨沟水库虹吸管管径确定为0.5 m,虹吸管最高点高程确定为1924.0 m。虹吸管进口高程为1918.0 m,杨沟水库虹吸管安装高度为6.0 m。

2.4 虹吸管输水能力复核

根据《水力学计算手册》,虹吸管输水能力按管道淹没出流公式计算：

杨沟水库虹吸管进口水位1918.0 m～1922.2 m,出口高程为1897.5 m,管径0.5 m,经计算,不同水位时,虹吸管的输水能力为1.01 m3/s～1.11 m3/s,大于设计流量0.3 m3/s,说明虹吸管输水能力满足设计要求。虹吸管输水能力复核结果见表4。

表4 虹吸管输水能力复核表

3 结语

杨沟水库虹吸管已实施完成,目前运行效果良好,能够在规定时间内放空溢洪道至现状泥面之间的水量,大大缓解了杨沟水库的防洪压力,为杨沟水库下游人民生命安全提供了有力保障。