堰塞湖大流量虹吸泄流關鍵技術與裝備研發

翁怡萌 蔡耀軍 王小波 欒約生 張 亮 聶 勇

（1.北京中瀚環球真空流體科技有限責任公司，北京 100096；2.長江設計集團有限公司，湖北 武漢 430010；3.水利部長江勘測技術研究所，湖北 武漢 430011；4.湖北省十堰市丹江口市水政監察大隊，湖北 十堰 442714）

0 引言

我國西南地區發生幾次大地震，頻繁衍生“堰塞湖”災害。堰塞湖造成的災害損失不亞于地震本身，堰塞湖在庫水位不斷抬高，水量不斷累積，滲透、漫頂、掏蝕、沖刷等作用下，極易發生失控性潰決。由于固體物質堵塞河道，大量過流滯留，一旦失控潰決，洪水淹沒災害隨著潰口的發展和潰決洪水的演進加劇傳播，對下游造成極大威脅。可供應急處置的時間極為有限，排險處置難度大。真空虹吸應急泄流排水技術是一種能跨越壩體，并將水流引向下游的輸水管道技術，可在土石堤壩與堰塞湖上實現非開挖、大流量泄洪引流，可在較短時間內對庫水進行削減，防止堰塞湖水不斷蓄積對下游造成慘重的沖刷損失，具有可控性好、節省能源、跨越地形障礙、多臺套并用等優點，靠勢能驅動持續工作。越是在應急搶險的復雜環境條件下，越能夠發揮其優勢。

做好應急泄流工作是堰塞湖搶險救災的關鍵。應對因自然、地質災害導致的突發水患災情，須遵循以人為本，充分利用自然力量排除自然災害的理念，制定切實可行的排洪預案并付諸實施，保證堰塞湖應急處置順利進行。該文分析了虹吸大流量排水除險的關鍵技術及其研發方向，聚焦研發目標，為確保精準的水量安全控泄提供新的思路和方法。

1 虹吸技術進展及應用概述

虹吸分為正虹吸和倒虹吸，虹吸弓彎凸向上的為正虹吸，弓彎凹向下的為倒虹吸，一般也將正虹吸簡稱為虹吸。虹吸和倒虹吸的輸水原理相同，即都是通過虹吸兩端的壓強差使流體發生流動，倒虹吸在開始工作時可以依靠流體自身重力向下流動而驅動流體排空管內空氣，從而使流體充滿整個虹吸管，保證液體持續通過虹吸管形成倒虹吸；而正虹吸工作前流體受重力向下作用不能向上流動，須人為制造虹吸管為真空狀態，管內流體在壓強差作用下越過虹吸的頂部后就可以受重力作用而向下流動，從而形成持續虹吸流動。

在真空動力泵應用以前，虹吸應用都以小管徑為主；真空動力泵應用后，解決了虹吸啟動時使虹吸管內維持真空的問題，但當管徑達到米級的工程量級時，虹吸管內常會發生斷流而使虹吸現象難以維持，這是因為在一個大氣壓和常溫下，溶解在水里的空氣的體積約占水體體積的2%左右，天然水體里實際分布著大量肉眼看不見的氣核，當氣核聚集到一定程度時就會導致水柱斷裂，使虹吸斷流。

20世紀末至21世紀初，隨著真空技術和虹吸技術發展完善，虹吸管徑由厘米級達到米級，虹吸技術在中小水庫的溢洪道溢流中得到應用。福建省的翁友彬于1990年發明了虹吸整流器（翁氏虹吸），在實現自然虹吸管徑尺寸和虹吸高度方面取得了重要突破，2003年利用該技術在杭州黃石垅水庫建成的大型虹吸管系統管徑達1.52m，創造了虹吸管徑的吉尼斯世界紀錄（圖1），但也存在進水口吸入渦流的問題。

圖1 杭州黃石垅水庫的虹吸吉尼斯世界紀錄（大管管徑 1.52m，2003年）

2 堰塞湖排水方式及特點

堰塞湖一般交通不便，庫容和上游來水量不同。針對不同的外界條件，堰塞湖泄流排水有不同的方式，常用的有開挖壩體引流槽、水泵抽水強排等泄水方式（表1），隨著虹吸技術不斷完善，虹吸泄流也被納入堰塞湖泄流的應用范疇。

表1 堰塞湖排水方式及特點

虹吸泄流可以延緩壩前水位上升或降低壩前水位，避免壩體泄流沖刷過程的可控性差等問題，確保流量可控可調，還可同時配置多個泄水管，按需動態排水，滿足大流量泄流需要，是充分依靠自然力優勢的堰塞湖應急泄流方式。

3 堰塞湖虹吸泄流裝備系統組成

堰塞湖虹吸應急泄流系統包括潛水整流單元、液氣交換單元、虹吸管道單元3個部分（圖2），涵蓋整流、射流、氣液相變等流體流態控制技術；智能監測液氣交換技術；虹吸自適應穩態智能決策泄流精準調控技術；保證環剛度、密封性、地形坡降的大型管道快速搭建技術。

圖2 堰塞湖虹吸泄流裝備系統

潛水整流單元由浮島式壓水板、整流射流器、導流錐組成。浮島式壓水板的設置，可使流速分布均勻，使水流順暢并無漩渦地接近整流器的吸入口，對整流器入水口的流場進行整體的控制；整流射流器采用群射流方式增大流體效能、保護液態表面張力，具備流態控制、消除進水口吸入渦、減少水頭損失、消除氣蝕水錘、提高流體輸送效率、使管道內受壓均勻等優點，可通過調節整流器潛水深度取到任一深度斷面的水體；將機械式導流錐整合到整流器吸水頭部，可改進傳統虹吸容易觸底以及泥沙淤積的問題，增加了安全性，并達到入水口引流控制的效果，使流場速度分布均勻度更佳，消除了進水口的附底渦，保證了流場的穩定可控，提升裝備水力性能。

液氣交換單元將啟動機、真空泵閥、補水泵、緩沖罐、液氣交換箱等設備集成于真空動力撬裝機柜內，整體搭載于可移動式底盤上，進行管頂抽排氣作業，為管道制造負壓環境，保證虹吸管液氣交換，形成虹吸效應。同時由流量、溫度、壓力、水位、閥門開度等各類傳感器，可編程控制器，現場、遠程、應急操作人機界面，多功能電氣儀表，遠程指揮終端，動力信號電纜及保護管線等組成數據采集監測平臺，可對流量、水位、壓力、閥門開度、泵閥啟閉等參數進行現場及遠程數字化智能監控，實現無人值守并控制虹吸形成及運行。

虹吸管道單元區別于須采用傳統施工鋪設作業的固定式大型硬質管道，因其應用場景的特殊性，必須具備快速拼裝、輕量化、高機動性、便于運輸且安全可靠的特點。采用可折疊展開、角度可調的液壓桁架式虹吸管道單元，可多組管道任意組合延長管道長度，也可根據地形起伏在管道任意節點加裝預設彎頭組件改變管道走向及坡度。折疊展開動作依靠液壓傳動，可將管道由折疊運輸狀態快速形成可運行展開狀態。管道外部鋼結構桁架，使整體結構穩定，保護外壓荷載不對管道流體運行產生影響，也對管道運行時承內壓能力進行提升，防止管道振動。整體提升了虹吸管道環剛度、密封性、機動性。

4 堰塞湖虹吸泄流關鍵技術與裝備研發

4.1 進水口水力控制優化技術與裝備

傳統的虹吸進水口存在水流紊亂而能耗大、水壓損失大、水流紊亂則水流攜帶的摻氣多等問題，受國家重點研發（2019YFC1510804）資助，課題組采用群多孔并聯射流技術研發改進了進流方式，將原來大面積的進口管徑分成了很多垂直進流的細管，管道進口直徑為，細管直徑為，細管數量為（圖3），形成了多孔細管過流結構的水流進口裝置（集成式細管流的整流器），裝置直徑為，保護液態表面張力與黏性，能有效地提高流速、消除水錘、降低管壓；頂部的倒U型虹吸布置，從源頭上直接阻斷氣體進入管道，解決了低水位時大管徑管道進口容易出現吸氣漩渦的重要問題，每根細管都具有完全開啟、部分開啟、完全關閉的功能，可以根據管道流量的變化自動平穩地調節內部閥門的開啟程度（流量自適應性），使管道壓力平穩，避免管道系統壓力急劇變化，為虹吸穩定運行提供基本保障；垂直進流方式及多孔細管過流結構，保證流體有序進入管道，并在單管中引入了分散開啟力的設計，從而極大地降低了大管徑虹吸的啟動難度。進水口水力控制優化模塊化裝備如圖4所示。

圖3 常規虹吸進口與改進的水流進口整流器

圖4 改進的水流進口整流器裝備

4.2 液氣交換虹吸智能控制技術與裝備

液氣交換技術是通過真空泵組（液氣交換系統）形成虹吸管內真空并在大氣壓強作用下形成虹吸的技術，液氣交換系統如圖5所示，真空泵組切斷閥用于液氣交換過程的開啟與切斷，閥門開啟后，水環式真空泵先啟動，液氣交換裝置將虹吸形成初期從進水口攜裹進入的空氣通過頂部集氣后強迫排出，緩沖罐防止液體倒吸以平穩真空度，補水泵對液氣交換箱進行補水保護。虹吸管內最大負壓一般發生在管子最高位置頂點，液氣交換裝備必須設置在虹吸管最高點處。液氣交換裝備如圖6所示。

圖5 真空泵組（液氣交換系統）基本組成圖

圖6 液氣交換系統（真空泵組）裝備

液氣交換裝備需要根據水位變化情況進行動態調整。目的是提高裝備的運行效率，保證裝備正常運行，提高效率。裝備有效運行的條件是庫內水位高程與壩頂高程差值在8m范圍內，裝備效率最大化的關鍵是通過調節管道系統壓力防止管道內流速過快而產生的不可控因素，如引起管道振動或液體相變引起空化。需要對裝備進行實時信號智能監測反饋，把握運行工況。

4.3 虹吸泄流精準調控技術

虹吸泄流精準調控具有實時交互、動態聯動的虹吸穩態自適應調節機制，根據信號監測反饋，可快速調節內壓保持穩態，在形成虹吸的基礎上增加了動態糾偏功能模塊，提高系統智能決策能力。

對影響堰塞湖虹吸應急穩態泄流的相關變量（水頭、實際流量、流速、壓力、虹吸高度、水頭損失、閥門開度等）進行數據關聯性建設（圖7），運用關系函數算法實時輸出流量、允許虹吸高度、管頂最大負壓值、最高臨界空化流速與虹吸穩態相關變量參數計算值，通過末端控制閥門開度使流速在失速空化發生前減速并且使實測管頂負壓值不超過計算管頂最大負壓值'，從而完成全過程的自調節穩態控制，異常情況可實時發出警報。解決了堰塞湖環境水位上漲速度快、邊界條件變化顯著情況下，虹吸系統容易失速空化而偏離穩態的問題，使堰塞湖虹吸持續穩定、精準可控。

圖7 虹吸泄流精準調控特征參數

4.4 系統實施技術

真空應急泄流虹吸與水庫小口徑虹吸管不同，不使用傳統施工方式，須在短時間內，定點定位、搭建管道、裝配設備、啟動運行。堰塞湖地形不平坦，高低起伏，大型管道尺寸在1m以上，須保證快速安裝，結構穩定，氣密良好。潛水整流裝備體型大，裝配后須涉及水上安裝作業，施工難度大，任務重。

真空虹吸應急泄流排水的技術核心是進口流場流態控制，如果進口水流不穩、流速分布不均，就無法實現虹吸管泄水。在水體邊界條件不斷變化的前提下，為保證持續穩定大虹吸的順利實施，須在進水頭部加裝潛水整流器，輔助穩流引流措施，做好液態表面張力保護、入水口吸入渦控制、文丘里群陣射流、負壓環境的氣液相變控制。

為解決關鍵問題，施工技術方案由虹吸整體布置、地形高程定位、管道快速展開、液壓法蘭對接、潛水裝備投放等虹吸形成方案以及系統啟動保證、動態運行管控等虹吸運行措施共同形成。虹吸形成難、控制難，其過程須遵循一定的技術原則，采用安全施工布置方式，利用真空虹吸技術特征，使地形地貌與裝備運行充分結合，借助自然力，充分發揮裝備的優勢。

4.5 技術總結

真空技術使虹吸管由厘米級達到米級，使正虹吸技術可以廣泛應用于工程項目，翁氏虹吸的虹吸整流器在實現自然虹吸管徑尺寸和虹吸高度方面取得了重要突破；國家重點研發課題（2019YFC1510804）進一步改進虹吸進口的進水整流裝置，整合了虹吸的液氣交換裝置，提升了虹吸精準調控技術水平，開發了堰塞湖虹吸泄流系統，制造了相應的裝備，使大管徑虹吸可以有效地適用于復雜環境下的堰塞湖快速排水。

5 結論

由于堰塞壩堆積體規模大，水位上漲速度快，因此必須在有限時間內采取工程措施進行應急泄流搶險救援。采用大虹吸系統疏導引水，可利用其大流量、精準性、智能化、高效率的特點，在堰塞湖災情發生時快速搭建管道，下泄峰值流量，減少湖區淹沒，防止漫頂潰壩的情況，有明顯的減災效果，為救援工作贏得寶貴的時間，保障人民生命財產安全。為堰塞湖快速應急處置提供新的技術解決途徑。