摘要：浦江县需除险加固的小型水库，由于坝下涵管运行几十年，多数涵管出现管身裂缝和渗漏现象，已成为大坝的严重隐患，需要进行更新改造。本文通过方案的技术经济比较，提出将原涵管封堵后设置虹吸管进行放水的处理方案，并对虹吸管的工作原理、管径确定、安装高度、操作方式、安装与运行中需注意的问题等方面进行了阐述。实践证明，虹吸管在小型水库中的应用在技术和经济上具有明显的优势。
关键词：小型水库；除险加固；虹吸管
1、前言
浦江县经对小型水库的调查摸底，水库大多建于上世纪50~70年代，坝底涵管可分为竹筋混凝土涵管、陶瓷涵管、三合土涵管、混凝土涵管等几种类型，受当时人力、物力的限制，涵管的基础不能完全座落于新鲜岩基上，各种涵管的质量又不够好，经几十年的运行，多数涵管出现洞身裂缝、渗漏现象，管身混凝土剥蚀严重，混凝土出现碳化，坝底涵管已成为大坝的严重隐患，迫切需要进行改造。
2、坝下涵管处理方案的选择
水库涵管除险加固处理一般有以下几种方案：①采用破坝重建；②放弃和堵塞原涵管，改用虹吸式放水管；③开挖新的放水隧洞。
现对上述3种方案进行比较，其主要优缺点为：方案①破坝开挖和回填土方量大，开挖出来的土需外运，回用率只有40%，筑坝所需粘土需处运，工期长，投资大。方案②适用于坝体不高，且放水流量相对较小的小型水库，一般坝高为15m以下，放水流量小于0.5m3/s的水库采用此方法比较适宜，具有施工简单，工程建设期短，工程造价低等优点。方案③要考虑地形和地质条件，由于该县属半山区半丘陵地带，大部分水库周边山体的岩质情况不好，没有开凿隧洞的条件，且造价较高。综上所述，从投资、工期、施工、管理等方面进行技术经济比较，应优先选用方案②。
3、虹吸管设计
3.1工作原理
虹吸管是一种跨越挡水坝并将水流引向下游某个低于上游库水位位置的严格密封性输水管道。在启动前应将虹吸管内的压强降低至某个能使水库内水体在大气压强与管道内压强的压强差作用下跨越挡水建筑物的压强数值，则上游水体能从上游沿虹吸管流向下游。
为便于在实际运用中对虹吸管输水进行控制，进水口设置进水底阀，出水口配置控制阀门；管道驮峰顶部设置充水管及充水阀门和排气管及排气阀门，或单设抽气管和阀门，配以真空泵，用以降低虹吸管内部压强。
3.2管径确定
1、管径计算。虹吸式输水管的管道出水口都在下游消力池或渠道的水面之下，为淹没出流，虹吸管一般不长，故按有压管流短管计算，其公式为：
Q=νA ⑴
⑵
其中：Q—流量；ν—流速；A—虹吸管断面积，A=πd2/4；
λ—沿程水头损失系数；lAB—管段长度；d—虹吸管管径；
Σξ—局部水头损失系数；H—上、下游水位差。
在设计输水流量确定的情况下，进行试算确定管径大小。
2、影响虹吸管管径的因素。影响管径大小的因素较多，根据确定管径大小的计算公式分析，主要有两方面的因素：H，Σξ值的大小。
①H值的确定。由于库水位是变化、动态的，H值也随之而变化，H值的大小直接影响虹吸管管径大小及工程造价。在设计流量确定的情况下，如果H值选用较大，计算得到的管径较小，工程造价低，但虹吸管在H值以下水位运行时，实际出流与设计流量可能会相差较大；反之H值选用较小，计算得到的管径较大，工程造价高，不经济。根据经验和工程实际情况，H值一般取1m。
②Σξ值的确定。虹吸管是利用当地大气压而工作的，因为当地的大气压力是固定的，有限的。因此在设计流量确定的情况下，Σξ值越大，管径d则增大；Σξ值越小，管径d则减小。故，为了减少工程造价，必须尽量减少各种影响Σξ值增大的因素。在管道设计和管线布置时要优化，尽量减少转弯，转弯连接时采用弧形连接，选用不带滤网的底阀等。
3.3安装高度
虹吸管中低于大气压强的数值即真空度，根据能量转换关系，该真空度由安装高度hs和驮峰末端前段管道中的水头损失确定：
[hv]= hs+ΔhlAC ⑶
[hv]—驮峰顶部的真空水柱高度值；
hs—安装高度；
ΔhlAC —驮峰末端C点前的虹吸管长度lAC中的水头损失。
一个大气压强的水柱高度为10.33m，海拔每升高900m就降低1m水柱高度的压强，所以，虹吸管所在地的大气压强为：
Pa=10.33－
⑷
Pa—所在地的大气压强；
▽—所在地的海拔高度。
当上游水库水面的大气压强大于虹吸管驮峰顶部压强一定数值时，水流将在大气压强和上下游水位差的共同作用下，从压力较高的水库流向压力较低的虹吸管中，虹吸功能形成，即：
Pa=10.33－
＞[hv]= hs+ΔhlAC ⑸
式⑸表明，虹吸管驮峰部位的压力降低是虹吸功能形成的必要条件，但是如果压力降低到当时温度下的水体汽化压力时，水将汽化，虹吸功能将破坏。因此，虹吸管驮峰部位的压力降低必须予以控制。以20℃纯水的汽化压力为0.24m水柱高度为例，虹吸管驮峰部位的压力应满足下式：
P2=10.33－
－ hs－ΔhlAC＞0.24 ⑹
即：hs＜10.09－
－ΔhlAC ⑺
虹吸管驮峰部位的水体，由于压力的降低，常压下水体中的不可见气体会因压力的降低而逐步膨胀扩大形成可见气泡后逸出，聚集在驮峰顶部形成气囊，当气囊体积增大到一定尺度后，虹吸功能将破坏。为防止虹吸管驮峰部位形成气囊，[hv]将严格控制。为保证虹吸管正常过流，考虑富余能量，工程上限制管内最大真空高度不超过允许值[hv]=7~8.5m水柱。可见，有真空区段是虹吸管的特点，其最大真空高度不超过允许值，则是虹吸管正常过流的工作条件。
4、操作方式
水库虹吸管的操作方式有两种：
1、充水排气法：用水泵或人工从水库取水，从驮峰充水管直接往虹吸管内充水，管内空气从驮峰排气管排出，当排气管口溢出水时，关闭充水阀和排气阀，然后打开出水阀，管中水体在水头H作用下连续流经出水阀门，虹吸功能形成。
2、真空泵抽气法：用真空泵通过驮峰排气管直接从虹吸管中抽气，降低虹吸管道中压强，当虹吸管驮峰部位真空度达到等于或大于驮峰部位运行最大真空度后，关闭驮峰排气阀门，然后打开出水阀门，虹吸功能形成。
5、虹吸管安装与运行中需注意的问题
虹吸管在小型水库加固保安中的推广使用，已积累了很多经验，在设计、施工和日常管理上已趋于规范和成熟。现对几年来的工程经验予以介绍：
1、出口应形成淹没条件：虹吸管出口修建水池形成淹没条件是保证虹吸管密封性的重要措施之一。虹吸管在运行过程中，管中水流随着库水位的变化而变化，当处于低库水位运行时，管道出口水流可能形不成满管水，空气就有机会从出口进入管道中上升至驮峰部位，逐步积累，在驮峰就可能形成气囊，破坏虹吸功能。出口水池面积应足够大，管口淹没要足够深，避免因水位波动而使管口外露进气。
2、虹吸管道应尽可能避免使用伸缩节：常规压力管道铺设中，在镇墩后需设伸缩节以适应钢质管道的温度变化，但伸缩节在长期运行过程是容易漏气的一个薄弱环节。为此，在虹吸管道露天铺设中不宜使用镇墩固定，只用支墩支承。因此，对高水头和大管径的管道，在管道拐弯处应有防止轴向力作用造成管道位移过大的措施。
3、驮峰排气阀门和出口伸缩蝴蝶阀的珐琅连接应采用高性能的止水橡胶垫片，阀门均采用铜质阀门。运行过程中应对阀门的密封性检查予以重视。
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[4] 施俊跃.水库虹吸管的运用特性[J].理论研究，2008（3）：41-43.
论文作者:吴书正
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：虹吸管论文; 涵管论文; 压强论文; 水库论文; 管道论文; 管径论文; 阀门论文; 《基层建设》2019年第13期论文;