虹吸管在金東區(qū)小型水庫除險加固中的應(yīng)用

黃 健,劉 恒

(金華市金東區(qū)水利水電管理所,浙江 金華 321015)

1 金東區(qū)小型水庫基本情況

金華市金東區(qū)現(xiàn)有小(2)型以上水庫68座,1萬m3以上山塘476座,總蓄水量8 280萬m3,全區(qū)灌溉面積1.55萬hm2。這些水庫山塘大多修建于20世紀(jì)五六十年代,限于當(dāng)時技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件限制,工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,工程設(shè)計方案落后,多數(shù)水庫的輸水形式采用壩內(nèi)混凝土涵管或條石蓋板涵管。運行至今,多已出現(xiàn)工程老化失修,水庫淤積嚴(yán)重,輸水涵管堵塞、漏水、閘門銹蝕、啟閉機(jī)拉桿斷裂等問題,壩內(nèi)涵管已成為主要的安全隱患。從2003年初開始探索使用簡便、安全的虹吸管輸水設(shè)施來替代壩內(nèi)涵管。

2 虹吸管的應(yīng)用條件

虹吸管輸水設(shè)施相比傳統(tǒng)的破壩改造涵管,具有造價低、施工期短、使用靈活、管理方便等特點,而且能節(jié)約用水。金東區(qū)自2003年開展千庫保安工程建設(shè)以來,相繼在鯽魚塘、山河溪、木碑塘等水庫采用無縫鋼管制作的虹吸管取代壩內(nèi)涵管,取得良好的效果,為小型水庫除險加固積累了經(jīng)驗。

在水庫除險加固壩內(nèi)涵管改造中是否選用虹吸管設(shè)計方案,應(yīng)綜合考慮水庫工程的地形、地質(zhì)、施工條件和環(huán)境影響,在滿足安全和運用管理要求前提下,通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。以下條件優(yōu)先采用虹吸管方案。

(1)水庫或壩址處無較高山體崗地,地形平坦,水庫多副壩或圍壩,大壩高度較小;興利庫容相應(yīng)水深小于6 m,采用虹吸管方案能滿足輸水運用要求。

(2)水庫工程周邊山體地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,多斷層裂隙分布;巖體破碎不完整,松軟易塌方,采用隧洞方案不可行。

(3)其它除險加固方案政策處理受阻,施工條件受到限制。

(4)采用隧洞或泵站等方案時,工程造價或運行成本太高,采用虹吸管方案更經(jīng)濟(jì)。

3 虹吸管方案設(shè)計

虹吸管的工作原理:先對管內(nèi)進(jìn)行排氣(注滿水),虹吸管出口閥門打開放水時,管內(nèi)形成一定的真空值。由于虹吸管進(jìn)口處水面的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng),壓強(qiáng)差迫使水流由壓強(qiáng)大的上游流向壓強(qiáng)小的下游。當(dāng)管內(nèi)的真空不被破壞,且上、下游保持足夠的水位差,水就會不斷的由上游通過虹吸管流向下游。

無縫鋼管通過防腐處理,耐久性比PVC管好,工作性能比鋼筋混凝土管好,且易于定型加工,施工高效,又便于拆裝維修,因此金東區(qū)采用無縫鋼管制作虹吸管。虹吸管方案如圖1所示。

圖1 水庫虹吸管結(jié)構(gòu)示意圖

虹吸管方案設(shè)計一般按下列步驟進(jìn)行。

3.1 管線選擇

管線的選擇應(yīng)結(jié)合水庫工程樞紐、灌溉渠系的布置和虹吸管運用管理要求,經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。一般選擇上下水位差較大、虹吸管工作條件較好、接近渠道進(jìn)口的壩體或壩肩部位,盡量減少管道長度;交通便捷,便于布置進(jìn)水池、出水池等配套建筑物。

3.2 確定上、下游水位和進(jìn)、出口高程

虹吸管上游設(shè)計水位為水庫常水位,下游渠道按設(shè)計流量確定設(shè)計水位。管進(jìn)、出口高程按虹吸管工作條件確定。上下游水位差大于5 m,進(jìn)口高程先按吸程5 m擬定;上下游水位差小于5 m,則按水位差扣除0.5～1 m擬定進(jìn)口高程?？紤]有利于工程運行管理和保養(yǎng),出口均采用自由出流,管口高程高于下游水位0.3～0.5 m為宜。

3.3 確定管長

按虹吸管選線方案及擬定的進(jìn)、出口高程,根據(jù)地形條件,設(shè)計管道直管段和彎管段布置形式。彎管轉(zhuǎn)彎半徑大于2倍管徑,轉(zhuǎn)彎角度同地面坡度變化,彎管兩端焊接直管長度超過0.5 m。注水池內(nèi)鋼管采用定型加工,長度取0.5 m,焊接φ 100 mm注水鋼管,配裝截止閥;注水管頂焊φ 50 mm排氣管,配裝排氣閥。虹吸管進(jìn)口配裝逆止閥,出口采用閘閥。最后按管路布置形式,以管道中心線計算總長度。

3.4 確定管徑

金東區(qū)小型水庫一般以灌溉任務(wù)為主,虹吸管設(shè)計流量按灌溉面積、農(nóng)作物灌水定額確定。根據(jù)設(shè)計流量、管長,測算管路沿程和局部水頭損失,按短管計算所需管徑。短管計算公式如下:

Q為虹吸管設(shè)計流量;μc為流量系數(shù);A為管道過水?dāng)嗝娣e;H0為總水頭;∑ζ為局部水頭損失之和;λ為沿程阻力系數(shù);l為管長;d為管道過水?dāng)嗝嬷睆?r為管道過水?dāng)嗝姘霃?

計算確定管徑后,應(yīng)結(jié)合施工要求,按市場產(chǎn)品規(guī)格選用鋼管直徑,一般選用D200、D250、D300、D350、D400、D500等管徑 (內(nèi)徑)。

3.5 校核設(shè)計狀態(tài)管頂真空值

為了保證虹吸管能正常工作,管內(nèi)真空值一般不宜超過6～8 m水柱高,因此虹吸管頂部的安裝高度就受到限制。在金東區(qū)水庫除險加固方案設(shè)計中,考慮管路的局部水頭損失,一般按最大吸程小于5 m擬定虹吸管頂部安裝高度,并通過上、下游斷面能量守恒定律,計算并校核設(shè)計流量狀態(tài)管頂真空值。計算公式如下:

h真為管頂真空值;hs為管頂至上游進(jìn)口的安裝高度;l1為管頂計算斷面至進(jìn)口管長;v為管道內(nèi)水流速度

如經(jīng)計算管頂真空值大于8 m,則需抬高進(jìn)口高程或加大管徑,直到管頂真空值不超過8 m。

3.6 配套建筑物

虹吸管配套建筑物包括進(jìn)水池、攔污柵、支墩、鎮(zhèn)墩、注水池、水泵房、出水池、管理房等。

進(jìn)水池由兩側(cè)導(dǎo)墻和上、下游擋墻組成,均以漿砌塊石砌筑;導(dǎo)墻垂直或按喇叭型布置,墻頂坡度同上游地形邊坡。池上游擋墻頂高于池底板0.3 m;池下游擋墻直立面距鋼管0.4 m,墻頂與鋼管安裝高程銜接,并高于鋼管0.2 m,起到鎮(zhèn)墩作用。池室長1.5 m,寬1～1.5 m,底板用混凝土澆筑,底板距虹吸管進(jìn)水口0.5 m。

攔污柵安裝導(dǎo)墻頂?shù)膶?dǎo)軌中,遇檢修可以手工拉出導(dǎo)軌。攔污柵柵條用φ 10圓鋼焊接制作,柵條凈距5 cm,柵橫梁采用40mm×40 mm角鋼焊接。

支墩、鎮(zhèn)墩用混凝土澆筑,可采用擴(kuò)大基礎(chǔ),保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性,防止沉降、傾斜等變形,以避免鋼管安裝后產(chǎn)生不均勻拉應(yīng)力。支墩、鎮(zhèn)墩頂留半圓型管槽,墩頂支承中心點高程誤差小于5mm。支墩間隔3～5m布置。鎮(zhèn)墩待管道入槽安裝后,墊2層油毛氈并澆筑墩頂二期混凝土。

注水池和水泵房結(jié)合布置。注水池以混凝土澆筑,墻和底板厚0.25～0.3 m,池室長1～1.5 m,寬1 m,池底板比鋼管底低0.3m,池底板埋設(shè)排水管,便于檢修和排水。水泵可選用4出水管徑的離心泵,進(jìn)、出水管采用鍍鋅管,出水管與注水池中注水管連接。水泵房位于注水池邊上,便于操作管理。

出水池與管理房結(jié)合布置。出水池?fù)鯄σ话阋詽{砌塊石砌筑,除上游擋墻兼作鋼管鎮(zhèn)墩外;其余擋墻按下游設(shè)計水位加安全超高確定襯砌高度,墻頂寬度大于0.6 m。池室寬度2～3m;池長應(yīng)考慮消能影響,一般取3～5 m。底板澆筑混凝土,低于出口渠底0.3～0.5 m,形成消力池。管理房布置于出水池上方,可以利用池四邊擋墻作為管理房基礎(chǔ)。

4 虹吸管制作安裝

金東區(qū)小型水庫虹吸管水頭低、壓力小,結(jié)合對不同規(guī)格管材市場價格的經(jīng)濟(jì)比較,并考慮方便焊接制作,一般選用管壁厚度4～6 mm的Ⅰ級低合金無縫鋼管制作。制作安裝前要研究設(shè)計圖紙和施工要求,并檢查管材的出廠質(zhì)量證明書。

4.1 下 料

為減少施工現(xiàn)場工作量,提高施工速度,直管委托廠家定型加工處理,長度3～5 m,配焊法蘭;管線較長時,應(yīng)委托廠家制作伸縮節(jié)。彎管一般現(xiàn)場制作,按設(shè)計圖紙彎度下料,下料時控制環(huán)縫間距不小于1.5倍管徑;鋼管圓度、錯邊量偏差應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定。

4.2 焊接主管、配件

主管焊接的任務(wù)主要是彎管段,配件焊接主要是排氣管、注水管、法蘭、加勁環(huán)、攔污柵等。焊條與所選用鋼管材質(zhì)相匹配。彎管焊接:清除管端鋼板坡口兩側(cè)2 cm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣等雜物,采用手工焊接,逐條焊縫進(jìn)行,焊接對稱均勻且速度一致,不能中斷。排氣管、注水管、法蘭的焊接是關(guān)鍵環(huán)節(jié),不能漏焊,避免漏氣影響虹吸管正常工作。焊接完畢用砂輪磨平內(nèi)壁殘留焊痕,并進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢驗。拆除鋼管上工卡具、支撐等構(gòu)件時,不得錘擊,避免損傷管材。

4.3 防 腐

鋼管制作完成,選擇濕度小、溫度較高晴天,進(jìn)行表面清除油污、焊渣后,在24 h內(nèi)進(jìn)行防腐涂裝。虹吸管明管外壁采用噴涂涂料,涂裝層數(shù)、厚度、逐層涂裝時間間隔按涂料廠家說明書進(jìn)行,要求涂裝外觀表面光滑,顏色一致,無皺皮、起泡、流掛、漏涂等缺陷。埋管外壁抹涂水泥漿,要求水泥漿沾著牢固,不起粉狀。內(nèi)壁防腐采用刷涂環(huán)氧煤瀝青防銹漆方法,底漆厚50 um,面漆厚450 um。另外可在鋼管淹沒于水下部分加焊接鋅塊,以提高鋼管抗銹蝕能力。

4.4 安 裝

虹吸管安裝前,先校驗各支墩、鎮(zhèn)墩的軸線和墩頂高程,符合安裝要求后才能進(jìn)行管道安裝。管道安裝一般采用5 t卷楊機(jī)吊裝,輔以人工調(diào)校安裝位置。先安裝頂部直管、注水管和彎管,再沿壩坡往下接裝直管或彎管,最后安裝進(jìn)口逆止閥和出口閘閥,按順序進(jìn)行。安裝頂部(駝峰)管段時,應(yīng)保證注水池直管段的最高位置。鋼管間以法蘭連接,法蘭采用墊橡膠密封圈止水,要求用螺栓均勻卡緊,不漏氣。每段鋼管的拼裝要反復(fù)調(diào)試,直到管段對接安裝準(zhǔn)確,不受擠、拱等其它外力作用狀態(tài),然后在支墩(鎮(zhèn)墩)管槽內(nèi)鋪設(shè)砂漿,墊2層油毛氈,再入座對接鋼管。

4.5 壓水試驗

虹吸管安裝完成后,進(jìn)行壓水試驗。試壓時,關(guān)閉出口閘閥,利用水泵通過注水管向虹吸管內(nèi)灌水,到排氣管出水時關(guān)閉注水管閥門和排氣管閥門,管內(nèi)水壓維持在工作壓力1 h,用小錘在每個管接頭及焊縫兩側(cè)2 cm處輕輕敲擊,整個試驗過程應(yīng)無滲水和其它異常情況。

5 運行管理

5.1 操作運行

虹吸管的操作運行按規(guī)定程序進(jìn)行。第1次工作時,先關(guān)閉出口閘閥,打開排氣閥,用水泵向管內(nèi)注水,當(dāng)排氣閥溢水時,斷開水泵電機(jī)電源,迅速關(guān)閉注水管截止閥和排氣閥門,此時管內(nèi)應(yīng)是滿水狀態(tài);再打開出口閘閥,虹吸管正常輸水。停止運行時,只要關(guān)閉出口閘閥即可。以后每次打開出口閘閥,虹吸管即開始工作,操作簡便。

5.2 管理維護(hù)

虹吸管由專人負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。平時應(yīng)加強(qiáng)對虹吸管及配套設(shè)施檢查,發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施予以解決。注意對各閥門的保養(yǎng),對閘閥螺桿等部位定期添加潤滑油,防止注水池長期浸水。每年枯水季節(jié),應(yīng)對虹吸管進(jìn)行1次檢修和保養(yǎng),做好管道內(nèi)、外壁涂裝防銹和更換老化止水橡皮等工作。

6 常見問題處理

6.1 水 錘

在虹吸管啟閉操作中,如果出口閘閥關(guān)閉或開啟速度過快,容易出現(xiàn)水錘現(xiàn)象,對鋼管連接的安全和穩(wěn)定性不利。一般可通過緩慢、分段啟閉閘閥的方式減小水錘壓力。

6.2 漏 氣

漏氣是虹吸管常見問題,應(yīng)仔細(xì)分析原因。漏氣一般有管道連接漏氣、管道裂縫、排氣閥漏氣等。管道因不均勻沉降等原因?qū)е鹿苈愤B接漏氣,應(yīng)通過加固支墩,增加支撐方法,改善連接受力狀況;如果是連接止水橡皮老化引起的漏氣,則更換止水橡皮;管道焊接漏氣則需補(bǔ)焊。鋼管受到偶然外力作用,或銹蝕破壞導(dǎo)致管道破裂,則更換鋼管。排氣閥漏氣有時是因為閥門內(nèi)部元件間隙缺少潤滑油,添加黃油即可解決;排氣閥使用時間過長而老化漏氣則更換新閥。

6.3 漏 水

漏水比較直觀,可通過壓水試驗判別,常有的漏水部位有閘閥、進(jìn)口逆止閥。閥門因石塊、樹枝等異物卡住導(dǎo)致漏水,可用反向注水法沖走異物,或拆裝閥門去除異物;閥門老化漏水需更換相應(yīng)部件。

7 結(jié) 語

金東區(qū)在多座小型水庫的除險加固中,采用無縫鋼管制作虹吸管,施工效率高,拆裝維修方便,經(jīng)過多年使用,所建虹吸管運行狀況良好。實踐證明,在小型水庫除險加固的壩內(nèi)涵管改造中,利用虹吸管輸水是一種具有推廣價值的新方法。