大口徑HDPE虹吸管用于水利工程防汛的可行性研究

馬輝文

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

虹吸抽排水是一種傳統(tǒng)技術。虹吸管是利用大氣壓的能量引水的一種壓力輸排水管道，頂部彎曲且其高程高于供水水面，若在虹吸管內造成真空，使作用在上游水面的大氣壓強和虹吸管內壓強之間產(chǎn)生壓差，則水流即能通過虹吸管最高處引向低處，形成連續(xù)的水流。

虹吸管又分為正虹吸管與倒虹吸管兩種：倒虹吸管常用于通過谷地、溝壑、道路、河道等而設置的壓力輸排水管道；正虹吸管簡稱虹吸管，則是兩低處跨越某一高地之間的輸排水，這樣鋪設管路可減少土方開挖[1]。虹吸管的管材選擇上一般為焊接鋼管或無縫鋼管，為避免腐蝕需采用鍍鋅防銹防腐處理，可明鋪或暗敷，但由于鋼管存在易銹蝕、自重大、運輸施工不便、安裝難度大等缺點。近些年來，用作虹吸管的新型管材如小直徑(<300mm)的塑料管(聚氯乙烯PVC-U、聚乙烯PE)也得到了廣泛應用，其主要優(yōu)點有：耐腐蝕性好，水力性能好、管道內壁光滑、阻力系數(shù)小、不易積垢，材質輕、運輸安裝方便靈活、維修簡捷容易，主材及配件普遍易采購等[2]。

1 項目背景

1.1 概述

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游干流，為Ⅱ等大(2)型工程。施工導流采用圍堰一次性攔斷河床，左岸灘地開挖明渠導流。一期在圍堰(運行期3年)的保護下進行電站廠房、泄水閘、船閘等建筑物施工。二期進行左岸連接土壩施工，采用進占法進行導流明渠封堵，利用已建泄水閘過流。在批復的初設報告中，發(fā)生超標準洪水時，采取基坑預充水，圍堰破堰行洪的方式度汛。

基坑預充水是整個充水破堰流程中關鍵的環(huán)節(jié)之一，根據(jù)充水設備的不同，預充水方式一般有大功率水泵抽水、預埋涵管充水和虹吸管充水3種方式，考慮到大功率水泵抽水存在較多不利因素、2019年圍堰已填筑完成，2020年汛前再大開挖預埋涵管工程量大、沿涵管周邊滲漏、新老堰體沉降差、影響施工安全等因素，設計在下游圍堰斷面布置了32根DN1000、間距3m、凈距2m、單根全長85.75m的鋼管(其中堰頂需拆除已有碾壓混凝土路面、泥結石路面、塊石墊層、道路土工格柵及部分堰體至高程48.99m后暗敷，開挖約2m深)，虹吸管通過真空泵抽氣形成真空，鋼管下部設鎮(zhèn)墩、墊梁、出口防沖鋼筋石籠(需下挖坡腳原始地面2.1m)等。

漢江流域暴雨多發(fā)生于7、8、9這3個月內，自2020年6月初以來，壩址上游降雨頻繁且雨量充沛，導致漢江流量逐漸增大。一方面長期的降雨嚴重影響了虹吸管的安裝進度，另一方面2020年的防汛形勢較為嚴峻，加大了超標準洪水破堰方案的實施概率。因此，這些現(xiàn)實問題的存在使得現(xiàn)場對虹吸管的施工進度提出了更高的要求。

1.2 研究目的

鋼管虹吸管于2020年5月29日進場開始施工，施工過程包括墊梁澆筑、鋼管吊裝、鋼管焊接及混凝土鎮(zhèn)墩澆筑等幾個步驟。其中對施工進度影響對大的主要是鋼管焊接和混凝土鎮(zhèn)墩澆筑兩個步驟。另期間受壩址長期降雨影響，2020年7月4日才完成1根(包括管閥、鎮(zhèn)墩等)。

鑒于鋼管虹吸管進展緩慢，且2020年防汛形勢嚴峻，為加快虹吸管安裝進度，建議將鋼管替換為塑料管。考慮當虹吸管方案采用PE管進行施工時，PE管的切割、焊接、吊裝均較為方便，PE管的焊接采用的是熱熔焊，其焊接工藝不僅耗時較短且精度較高，可保證管道具備較好的密封性。此外，相較于鋼管，PE管具備較強的柔性和較大的單位伸縮率，能適用一定程度的伸縮與變形。

聚乙烯PE管按其制作材質密度的不同分為高密度聚乙烯管(HDPE))、中密度聚乙烯管(MDPE)和低密度聚乙烯管(LDPE)；根據(jù)管壁結構的不同可分為實壁管、結構壁管(雙壁波紋管和纏繞增強管)3種類型。HDPE管具有較高的強度和剛度，HDPE實壁管按材質分為PE80、PE100管[3]，按壁厚分為8個等級，為SDR9～SDR41(標準尺寸比SDR=公稱外徑dn/公稱壁厚en)，相應的壓力等級為0.32～1.6MPa(PE80)，0.4～2.0MPa(PE100)。市政、建筑工程常用的HDPE管材同傳統(tǒng)管材相比，具有連接可靠，具有較好的密封性；耐腐蝕性好，耐老化，使用壽命長；耐磨性及可撓性好；水流阻力小；運輸安裝方便，可工廠預制等諸多優(yōu)點。

根據(jù)本工程預充水時間短、流量大、管道受壓大及成本因素等實際情況，綜上最終擬選定高密度聚乙烯HDPE100級De800mmSDR17管(壁厚47.4mm)為材料制作虹吸管。同時對HDPE管明鋪代替鋼管暗敷進行了水力學計算及試驗，驗證此方案的管材、過流能力、最大安裝高度(真空值)等是否滿足虹吸管正常工作要求。

2 研究內容

2.1 水力學計算

根據(jù)目前下游橫向圍堰斷面結構布設虹吸管，虹吸管的進口管頂高程為41.80m，堰頂管頂高程為51.478m，出口管頂高程為40.50m。具體布置如圖1所示。

圖1 下游橫向圍堰HDPE虹吸管斷面布置示意圖/mm

2.1.1虹吸管過流能力計算

根據(jù)《水力學》[4](2010版，趙振興、何建京編)及《水力計算手冊》[5](第二版，李煒編)等計算，虹吸管按有壓管道恒定流的短管計算，根據(jù)短管出流的形式不同，短管的水力計算可分為自由出流和淹沒出流兩種。

計算虹吸管的過流能力：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)《水力計算手冊》[5](第二版，李煒編)計算，見表1。

H-上下游水位差(上游水位至出口管道中心高差)，即經(jīng)過虹吸管的水面總落差，根據(jù)設計專題報告，當入庫洪峰流量達到13500m3/s時，下游圍堰堰前水位為46.99m高程，虹吸管自由出流，堰前水位至出口管道中心高差為6.89m。

根據(jù)上述公式及表1，計算單根虹吸管過流能力Q=2.24m3/s。

2.1.2虹吸管最大安裝高度(最大真空值)計算校核

虹吸管中最大真空值一般發(fā)生在管道最高且距管道進口最遠的位置。本工程中最大真空值發(fā)生在距進口最遠而且最高的第二個轉折處(壩頂彎頭①)。

現(xiàn)以下游圍堰臨水面為基準面，令臨水面與壩頂彎頭①中心之間的高差為hs，根據(jù)上游豎斷面1與壩頂彎頭①豎斷面2列伯努利能量方程：

(6)

(7)

2.1.3進口水深驗算

根據(jù)DL/T 5398—2007《水電站進水口設計規(guī)范》[7]，有壓進水口最小淹沒深度可按戈登公式估算：

(8)

式中，S—進水口淹沒深度，m；c—與進水口幾何形狀有關的系數(shù)，取0.55；v、d—意義同上。

計算S=2.64m。實際進口水深h進=46.99m-41.8m=5.19m。因h進>S，故進口水深滿足設計要求。

2.1.4管壁厚度驗算

2.2 試驗驗證

2.2.1真空試驗

為驗證該管材是否滿足本次實驗要求，在廠家生產(chǎn)車間對該型管道進行了真空實驗。

試驗設備：水環(huán)式真空泵(型號SK-2A)、真空壓力表(Y-100，測量范圍：0～-0.1MPa)、數(shù)顯卡尺、π尺、透明直尺、卷尺、固定測試支架2個。

實驗管段長12.6m，兩端通過熱熔堵頭封堵，并于首端堵頭處安裝抽真空設備，于距首尾4.5m、4.6m處位置各設置1道自制方管門架(作變形測量參照用，每道門架可提供管道上、左、右3個方位的測量參照，且門架安裝基面與管道接觸地面同高程)，同時選取兩個截面用軟尺測量管道周長，如圖2所示。2020年6月15日至6月21日，共測量82次，經(jīng)兩種方式測量計算復核管道外徑變形值均在0.2～0.8mm范圍內，且管內恢復大氣壓后管道外徑能夠恢復到原始值。本次實驗經(jīng)設計單位見證，根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)，HDPE100級De800mmSDR17管在0.1MPa外壓作用下，沒有產(chǎn)生明顯變形。

圖2 管材廠家真空實驗

2.2.2現(xiàn)場虹吸管通水試驗

(1)試驗目的

①實測采用水泵抽水將管道內充滿水的方法是否可行；

②明確虹吸管在通水狀態(tài)下的最大管頂真空值，即明確虹吸管頂高程與進口水位之差在何范圍內，虹吸管可正常工作；

③明確虹吸管進口最小工作水深，即明確進口水位與虹吸管進口頂高程之差在何范圍內，虹吸管可正常工作；

④明確虹吸管進出口最小工作水頭差，即明確進口水位與虹吸管出口頂高程之差在何范圍內，虹吸管可正常工作；

⑤實測虹吸管在通水過程中是否出現(xiàn)抖動。

(2)現(xiàn)場通水試驗

①現(xiàn)場試驗布置

2020年6月24～6月30日，在縱向圍堰與下游圍堰交叉處存渣場，根據(jù)設計要求開挖上口40m×40m，下口20m×20m，深4m的蓄水池，采用定制40m×40m的防水篷布鋪設蓄水池，在蓄水池側回填頂部8.5m×5m，高3.1m，坡比1∶2.5的臨時“堰體”。2020年7月1日～7月2日，沿臨時“堰體”及縱向圍堰斷面明鋪組裝工廠定制的HDPE虹吸管、管件，蓄水池蓄水，引接電源等試驗準備。現(xiàn)場試驗布置如圖3—4所示，試驗虹吸管及管材如圖5所示。

圖3 現(xiàn)場試驗斷面圖/m

圖4 蓄水池水位示意圖

圖5 試驗虹吸管及管材示意圖

②現(xiàn)場試驗

試驗日期：2020年7月3日。試驗步驟：

9∶00-10∶00 用戈麥斯汽油機水泵(2寸、25m3出水，30m揚程)從DN110注水閥注入約28m3水，同時從DN110排氣閥排完氣后，全部再關閉。準備虹吸。

10∶12 dn800虹吸管開啟調試。

10∶15 dn800出口閥開啟，蓄水水面高程49.25m，水面寬度36.25m，進水池容量約：2642m3。

10∶18 虹吸進水口管頂出現(xiàn)漩渦，水位下降至48.75m，水面寬度33.75m，水池容量約為：2029m3。

10∶25 虹吸管進口管頂明顯傳出氣漩渦的聲音，水位下降至47.6m，水面寬度28m，水池容量約為930m3。

10∶26 因水位因素進入空氣后，自動結束停止虹吸，水位下降至47.35m，水面寬度26.75m，水池容量為742m3。

整個試驗過程中管道無明顯變形與振動。水位從高程49.25m下降至47.35m，共計下降1.9m，下降容量約為1900m3，試驗時長11分鐘。據(jù)此推算平均流量約為2.88m3/s，管道出口處流速約為7.37m/s。試驗推算值大于理論計算值。

(3)試驗結論

①采用水泵抽水將管道內充滿水的時間為1h，該方法有效可行。

②該虹吸管的最大真空值為6.4m，即虹吸管頂高程與進口水位之差在6.4m范圍內，虹吸管可正常工作。

③虹吸管的進口水深(即水面至進口管頂?shù)母卟?不得小于2倍管徑，否則會在管道進口處出現(xiàn)旋渦，降低虹吸管工效。

④虹吸管進出口水頭差(即進口水位與出口管頂高程的高差)不小于4.65m時，虹吸管可以正常過流。

⑤在虹吸管正常通水運行時，管身無抖動。

3 工程應用

2020年5月29日～7月4日，完成1根鋼管DN1000虹吸管的全部工作。2020年7月16日～7月28日，根據(jù)業(yè)主要求，在下游圍堰堰頂完成明排20根HDPE管材及管件等的安裝，后續(xù)根據(jù)汛情再安裝。

鑒于2020年度防洪度汛的嚴峻形勢，本工程根據(jù)水力學理論計算及室內、室外試驗論證后，將原設計的開挖暗敷32根鋼管(直徑1m)虹吸管調整為60根大口徑HDPE虹吸管(直徑0.8m)明排，優(yōu)化設計取消混凝土鎮(zhèn)墩、支墩、墊梁等固管設施且減少管道出口防沖設施施工的開挖量，將虹吸實現(xiàn)方法由原真空泵抽真空法改為灌水法，管材廠家定制、現(xiàn)場快速組裝。大大縮短了虹吸管施工工期，為本工程防護度汛贏得了寶貴的時間和迎戰(zhàn)洪水的主動權。目前圍堰基坑已安全度過2019—2021年3個汛期，圓滿完成了它的使命，一期圍堰于2022年6月拆除、基坑過水。

4 結語

虹吸管作為管道輸排水方式之一，廣泛應用在灌溉、泵站、疏浚、飲水取水等工程，在小型水庫除險加固工程中多用于輸水涵管重建和防洪搶險中，虹吸管管材一般為焊接鋼管或無縫鋼管和小直徑(<300mm)的PVC管和PE管。本項目大口徑(800mm)HDPE實壁管在基坑虹吸管預充水工程中的成功應用，為工程防洪度汛贏得了寶貴的時間和提供了科技度汛的經(jīng)驗，對在水利工程中應用大口徑HDPE管提供了借鑒和補充，有一定的突破性。更大口徑(>800mm)的HDPE虹吸管輸排水還需更多研究與實踐。