虹吸管在水库泄水涵管改造中的应用

摘要：随着运行年限的增加，水库暴露出来的病害也越来越多，尤其是放水涵管管壁断裂，它的存在严重影响水库安全。因此，必须对其进行除险加固。本文结合水库实例，对水库泄水涵管改造方案的选择，虹吸管的设计等进行了介绍。使用结果表明，虹吸管不仅运行安全可靠，而且节约投资，经济效益十分显著。

关键词：水库；除险加固；泄水涵管；改造

水库在促进国民经济的发展和防御洪水灾害发挥着重要作用。但是由于水库建设当时的施工技术和施工质量都不高，随着运行时间的增加，水库运行中暴露出来的病害也越来越多，尤其是放水涵管管壁断裂，导致水库的整体安全性降低，功能得不到正常发挥，并且对下游广大人民的生命财产安全造成严重威胁。因此，对现有水库开展除险加固工作，进行除险加固设计，保证下游人民生命财产的安全和充分发挥水库的效益，显得十分迫切。

1 工程概况

某水库大坝为粘土斜墙土质坝，坝高12.4m，坝顶高程148.9m，坝顶长67m，宽4.3m，坝内坡1：2.3，外坡1：2.0，水库采用穿坝无压涵管放水，放水设施为梯级放水斜管。

水库设计引水流量0.1m3/s，设计灌溉面积400亩，实际灌溉面积350亩，保护耕地面积1500亩，水库下游影响人口650人。

该水库由于建于上世纪70年代，当时的施工技术和施工质量都不高，运行至今存在严重的安全隐患，尤其是放水涵管管壁断裂，引起大坝塌陷，已危及大坝安全，故需进行除险加固，对放水设施进行建设。

2 放水建筑物方案比较

放水建筑物进行两方案比较：一是于土坝右岸山体修建1条长105m，洞高1.2m，底宽0.8m的输水隧洞；二是采用虹吸式放水涵管，放水管长75m，内径0.3cm，采用8mm厚钢管结构。

设计对两个方案比较后认为，隧洞方案洞线较长，且为洞内作业施工难度较大，工期较长；虹吸式放水涵管方案则管线较短，且多为露天作业，驼峰段可直接埋设于溢洪道底部，施工较隧洞简易，工期也短，总投资比隧洞方案节省36万元，设计推荐虹吸式放水涵管方案。

3 虹吸式放水涵管的设计

新建的放水设施即虹吸式放水涵管，虹吸管可分为3段：上游段、驼峰段和下游段。上游段设在大坝左侧原放水涵管之上，驼峰段埋设在溢洪道底部（可免去坝体开挖），下游段设在原放水涵管出口段上，为倒虹吸管，钢管结构，管长75m，管径30cm，进水口高程139.20m，出水口高程138.00m，涵管驼峰段安装高程146.40m（管中线），设计输水流量为0.10m3/s，采用管尾闸阀控制型式（设闸室）。

3.1 管径的确定

管道出口在渠道水面之下，为淹没出流，采用有压管流短管计算公式：

其中：

采用试算法确定管径，假定钢管直径d=30cm。

查《水工设计手册》表3-4-2，考虑钢管要多年运行，按轻度锈蚀的旧管，有钢管K=0.3mm，则相对糙率K/d=0.3/300=0.001。

管内流速m/s

取临界水温30℃，查《水工设计手册》表3-1-1水运动粘滞系数γ=0.804×10-6m2/s，则雷诺数：

ReK/d=5.28×105×0.3/300=528

ReK/d>500流态属于紊流区，查《水工设计手册》3-4-16式，则沿程水头损失系数f=0.11×（K/d）0.25=0.11（0.3/300）0.25=0.0196，取f=0.02。

查《喷灌工程学》附表III-10得局部水头损失系数（见表1）。

表1 管道局部水头损失系数

驼峰段埋设在溢洪道底板之下，安装高程为146.40m，即驼峰段安装高度h=7.2m，则总管长ΣL=73.20m。

流量复核：

满足过流要求，管径d=30cm是合适的。

3.2 虹吸式放水涵驼峰段安装高度计算

以水库死水位为基准面，大气压力P=10.15m水柱：取Ⅰ断面和Ⅱ断面为计算断面（见图1），设Ⅱ断面处的最大吸程为hs，列出Ⅰ、Ⅱ断面的能量方程。

图1 凉水冲水库虹吸式放水涵管布置示意图

（1）

沿程水头损失采用斯可贝公式：

（2）

h沿――管道的沿程损失，m；

L――管长，m；

Q――管内通过的流量，m3/s；

d――管内径，mm；

Ks――斯可贝公式摩阻系数。

管道以旧钢管计，查《喷灌工程学》表2-32得Ks=0.48；

本工程设计灌溉流量Q=0.10m3/s=360m3/h；

断面1至断面2管长L=59.0m；

管内径d=300mm；

代入（2）式得：

。

局部水头损失系数：底阀ζ=3.7，63.4°折角ζ=0.36，25.9°折角ζ=0.21，28.9°折角ζ=0.23，13.3°折角ζ=0.13，法兰ζ=0.1，岔管ζ=0.2，则：

Σζ=3.7+0.36+0.21+0.23+0.13+0.1+0.2=4.93

流速V=1.41 m/s；则

采用水温30℃，查《喷灌工程学》表4-6“不同水温时的汽化压力值”：

P汽=0.43（m水柱）。

将有关值代入（1）式：

hs=10.15-0.43-0.53-0.50=8.69（m水柱）

h=hs-h=8.69-7.2=1.49（m水柱）。

当灌溉流量为0.10m3/s，驼峰段安装高度在7.2m时，通过计算，本工程驼峰段断面2处的真空值还有1.49m水柱的富余能量，满足产生虹吸现象的条件。

4 进、出水池的尺寸计算

4.1 进水池（吸水池）尺寸

宽度：b=3d进=3×0.3=0.9m

长度：L=1.5b=4.5d进=4.5×0.3=1.35m

高度：H=P+h淹+Z=0.62d进+1.8d进+Z=1.93m

综合考虑取进水池长2m，宽1m（上底）和2m（下底），高2m。

4.2 出水池尺寸

4.2.1 出水池长度

L=3.58[（V0/V渠）2-1]0.41d0

虹吸管出口平均流速V0=Q/A=0.11/0.07=1.57m/s；渠道的流速V渠=0.7m/s；出口管直径d0=0.3m，则L=3.58[（1.57/0.7）2-1]0.410.3=1.90m。

4.2.2 管口下缘至池底的距离

P=0.1m。

4.2.3 管口上缘最小淹没深度

h淹最小=2V02/（2g）=2×1.572/（2×9.8）=0.25m。

4.2.4 出水池宽度

B=3d0=3×0.3=0.9m。

4.2.5 出水池底板高程

底=低-（h淹最小+d0+P）

渠道最低水位低=137.80m，则

底=137.8-（0.25+0.3+0.1）=137.15m。

4.2.6 出水池池顶高程

顶=高+h

渠道最高水位高=137.7m，安全超高h=0.4m，则

顶=137.7+0.11/（0.6×0.7）+0.4=138.36m。

经综合考虑，出水池取长2.0m，宽1m，高1.8m，即底板高程137.10m，顶高138.90m。

4.3 钢管防锈蚀措施

为了延长钢管的使用寿命，采用金属防锈蚀涂料进行处理。露于空气中的钢管外壁底层用环氧富锌漆涂2遍，表层用环氧铝粉涂3道；埋于坝内部分钢管外壁底漆用环氧富锌涂2遍，表面用环氧沥青涂3遍。

4.4 放水闸阀控制室

闸室建筑面积3.2遍×3.5m，采用砖混结构。管壁、镇墩等其它计算略。

5 结语

该水库除险加固虹吸式放水工程先已完工，经试放水运行，达到设计要求，保证了水库的整体安全性，功能得到了正常发挥，下游广大人民的生命财产安全得到了保障，同时投资可控制在预算之内，因此，本工程的经验可推广应用。

参考文献：

[1]黄石养.虹吸式放水涵管在小型水库工程中的应用[J].中国西部科技，2006年第17期

[2]洪张其；赵微人；俞新雄；赵余贵.虹吸管在小型水库泄水涵管改造中的应用[J].大坝与安全，2005年05期