虹吸管在水库高水头小流量泄水状态下的应用

唐明建，张晓叶

(沈阳亿鑫设计咨询有限公司，沈阳 110006)

1 工程概况

乌什水水库是沙拉依敏河上的一座中型丘陵区注入式水库，位于新疆兵团第九师一六八团境内。水库建成于1984年，正常蓄水位874.0m，总库容3850万m3，控制下游灌区灌溉面积3780 hm2。

水库通过泄水涵洞向下游灌区放水，由闸门控制。泄水涵洞位于河床北岸的一级阶地上，洞身断面为城门洞型，下部高1.7m，宽1.8m，上部为半径0.9m的圆拱，涵洞全长167.9m，设计流量为15m3/s，最大流量30m3/s，涵洞出口消力池长13m，闸门为平板钢闸门。每年春季4-5月份水库处于高水位，下游灌区仅有冬麦需要灌溉，灌区需水量较小(约1.0m3/s)，水库闸门处于高水位、小流量运行状态，闸门启闭费时费力。同时，闸门在小流量运行时，震动较为剧烈。本工程通过新建一座虹吸管穿越坝顶，不开启闸门，而通过虹吸管将水导入下游，以保证水库在高水位、小流量状态下的运行安全[1]。

2 虹吸管设计

2.1 虹吸管布置方案

本次虹吸管布置在右岸坝体与岸坡的坡交线处，通过浅埋方式穿越坝顶后，沿坝后坡铺设至泄水涵洞消力池末端，将水导入消力池后输送至下游灌区。虹吸管采用DN600mm无缝钢管，壁厚10mm，表面采用镀锌处理。虹吸管总长241.43m，其中上游段长25.11m，坝顶水平段长24.45m，下游段长191.87m。虹吸管进口高程867.00m，坝顶高程876.50m，下游出口高程841.60m，为减少坝顶开挖量，虹吸管驼峰处管顶高程875.90m，浅埋0.6m。虹吸管驼峰处设真空泵，为稳定虹吸管下泄流量并保证驼峰处的真空度，在虹吸管下游出口前设减压阀一座。详见图1。

2.2 虹吸管下泄流量计算

虹吸管出口高程841.60m，下游消力池坎顶高程842.20m，即下游水位842.20m，属于管道淹没出流，不考虑进口处水流行进流速，则虹吸管泄流量按管道淹没出流公式计算：

(1)

式中：λ为沿程损失系数；d为虹吸管管径，d=0.6m；ξ为局部损失系数；h为虹吸管上下游水位差；L为虹吸管总长度，L=241.43m。

先确定沿程损失系数λ，用曼宁公式：

(2)

计算C，对于钢管，取n=0.011，则计算可得C=66.27m1/2/s。

故沿损失系数λ=8g/C2=8×9.81/66.272=0.018。

图1 虹吸管剖面图

根据实际地形，虹吸管共设7处缓弯管，缓弯管局部损失系数ξ按下式计算：

(3)

虹吸管进口设无底阀滤网，末端设偏心半球阀，局部水头损失系数计算详见表1。

表1 局部水头损失系数计算表

通过计算可得：当上游水位处于正常蓄水位874.00m时，虹吸管下泄流量为Q=1.93m3/s。

由于乌什水水库坝体较高(最大坝高39.29m)，虹吸管水头(上下游水位差)较大，造成虹吸管下泄流量超过下游灌区所需流量(1.0m3/s)，为稳定虹吸管下泄流量，在虹吸管下游出口前增设减压阀一座，通过调节减压阀增大虹吸管水头损失，使下泄流量稳定在1.0m3/s。

2.3 虹吸管最高点真空度计算

水流能通过虹吸管，是因为上游水面与虹吸管顶部存在压差，而虹吸管内真空值的大小就决定了这个压差的大小。虹吸管的真空值≤理论值10m水柱，因为一个工程大气压等于10m水柱高，而且随着不同的海拔高度大气压值在变化。当虹吸管内的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，故校核时虹吸管的真空值按≤8m计算[2]。

即：

(4)

式中：hv为虹吸管的真空值；Zs为最高管段的安装高度，即最高管段轴线处距上游水面的距离；L2为进口至最高点的管长，L2=49.56m；∑ζ为虹吸管进口至最高点的管线局部损失系数之和，∑ζ=2.83；V2为虹吸管管道流速，V2=Q/A=3.54m/s。

虹吸管进口安装高程867.00m，最高管段轴线高程875.60m，水库在不同水位下通过减压阀调整下泄流量为1.0m3/s时，最高点真空值计算详见表2。

表2 水库不同水位对应虹吸管最高点真空值计算表

通过计算可知，当水库水位处于871m时，虹吸管最高点真空值达到7.99m，故当水库水位低于871m时，虹吸管真空值较大，为保证虹吸管下泄流量为1.0m3/s，虹吸管应停用。本工程为保证水库在枯水年份仍能使用虹吸管泄水，将进水口高程设为867.00m，但当水位低于871m运行时下泄流量将减小，无法保证下泄流量为1.0m3/s。

2.4 虹吸管进水口淹没深度复核计算

为改善进水口水流条件，在进水口设置喇叭形进水口；为防止水草等杂物进入管道，进口处设滤网设施；为防止进水口出现涡流，进水口需保证一定的淹没深度，参考《水电站进水口设计规范》( DL/T5398-2007)，有压进水口最小淹没深度可按戈登公式估算，即：

(5)

式中：s为进水口最小淹没深度；c为与进水口几何形状有关的系数，进水口设计良好和水流对称，取0.55；v为虹吸管平均流速，3.54m/s；d为虹吸管管径，0.6m。

通过计算，虹吸管进水口最小淹没深度为1.51m，虹吸管运行最低水位为871.00m，进口安装高程867.00m，淹没深度为4m，满足条件。另外，根据相关统计资料，乌什水水库在春季历年平均水位为871.90m，满足运行条件。

3 工程中的技术改进

乌什水水库最大坝高39.29m，正常蓄水位874.00m，下游消力池坎顶高程842.20m，上下游最大水位差31.8m，下游灌区所需流量仅为1.0m3/s。当水库水位发生变化时，虹吸管下泄流量也随之发生变化，为避免水资源浪费，可在虹吸管下游增设减压阀，消减管道多余的水头，使虹吸管下泄流量稳定在1.0m3/s，同时还可减小水流对管道出口消力池的冲刷。

4 设计及运行过程中应注意的问题

1)受虹吸管真空度≤8m的限制，虹吸管最高点与上游水位间的高差应<8m，同时为避免进水口产生涡流，进水口还需保证一定的淹没深度，由此方可确定虹吸管进口的安装高程。

2)管道布置应结合现场实际地形，充分考虑以下问题：尽量不破坏水库的整体美观性；减少开挖，以减轻坝体受损；管线顺直，尽量减少弯管；做好镇墩及支墩设置，防止管道产生变形破坏。

3)钢管采用现场焊接，必须满足气密要求,保证管道间、管件间不漏气。

4)减压阀的调试在最高水位874.00m时调试，虹吸管第一次使用时先将减压阀的前后压差调至最大，完全打开电动偏心半球，调节减压阀使下泄流量达到1.0m3/s。

5 结 语

本工程已于2017年完成施工并验收合格，运行至今状态良好，达到预期的效果。虹吸管在该地区用于水库泄水尚属首次，在春季灌溉时，不用开启泄水涵洞闸门，避免了闸室在高水头、小流量泄水状态下的剧烈振动，保证水库的运行安全。通过安装减压阀，可精准控制虹吸管下泄流量，避免水资源浪费。

通过该水库虹吸管的应用表明，虹吸管在水库高水头小流量泄水状态下运行时，具有安全可靠、操作简便、便于维护等优点，较好的解决了闸门开启困难，振动剧烈等问题，值得推广应用。