陳起紅，胡棟輝

（1.寧波江河信息科技有限公司，浙江 余姚 315400；2.余姚市水利局，浙江 余姚 315400）

1 虹吸管概況

根據(jù)《浙江省山塘綜合整治技術(shù)導則》要求，山塘水庫在除險加固時，原壩下涵管均需進行封堵處理?？紤]到山塘水庫除險加固投資有限，多數(shù)采用虹吸管作為新的輸水設施。虹吸管是一種利用虹吸原理來輸送液體的裝置，一部分管軸高于上游面，出口則低于上游水面的管道，其中部分液體為負壓，出口可以自由出流或淹沒出流。本文主要研究如何解決其真空問題。

虹吸管流量公式采用曼寧公式：

式中：Q為流量，m3/s；u為流量系數(shù)，無量綱；A為面積，m2；g為9.81 m/s2；ΔH為上下游水位差，m；ξ為局部水頭損失系數(shù)，無量綱；n為管道糙率，無量綱；R為水力半徑，m；l為管道長度，m。

不同管徑的鍍鋅鋼管在不同的上下游水位差下，計算流速和流量見表1。n取0.012，∑ξ取3.0，l取50 m。

表1 不同水位差下管道流速和流量表

從計算結(jié)果看，在同樣水頭下，隨著管徑的增大，流速也增大。計算中要求管道必須為滿管流。虹吸管在實際運行中很多管子輕微漏氣及下游管子會引入空氣，往往導致虹吸管頂部存在大量空氣，不斷積累后產(chǎn)生斷流現(xiàn)象。

分析原因主要是：

（1）管道焊縫漏氣：虹吸管一般采用鍍鋅鋼管，需在工地現(xiàn)場進行焊接。由于受工地現(xiàn)場環(huán)境限制，焊接可靠度不高，隨著時間推移，焊縫容易銹蝕導致管道漏氣，以及管道未考慮熱脹冷縮，產(chǎn)生裂縫繼而漏氣。

（2）管道構(gòu)件漏氣：虹吸管頭部單向閥和頂部氣液交換箱構(gòu)件因安裝精密度原因或構(gòu)件腐蝕，導致密閉性不良，產(chǎn)生漏氣。運行一段時間后，經(jīng)調(diào)查，有很多虹吸管頭部單向閥堵塞或關(guān)閉不嚴。

（3）水體低壓汽化、溶解氣體析出：在長期負壓作用下，水體本身會產(chǎn)生汽化和溶解氣體析出現(xiàn)象，負壓大于60 kPa時更為明顯。山塘水庫通常以灌溉為主，不經(jīng)常放水，放水周期有時甚至達幾個月之久，水體釋放的氣體積累到一定程度，虹吸管內(nèi)的真空就會被破壞。

2 全自動真空器研制

解決虹吸管真空破壞問題，主要有2種方式：

（1）虹吸管管道進口設置單向閥，管道頂部設置氣液交換箱，在氣液交換箱中灌水，灌滿整個管道后關(guān)閥。

（2）利用真空泵從虹吸管最高處（頂部）抽空氣，待管頂有水溢出時關(guān)閉閥門（見圖1）。

圖1 虹吸管示意圖

本文主要考慮第二種方式，研制虹吸管全自動真空器，主要構(gòu)造是2個密閉箱，下密閉箱直接與虹吸管相連，即虹吸管內(nèi)水與下密閉箱連通，放置水位控制單元，對虹吸管內(nèi)水位情況進行實時監(jiān)控。當下密閉箱內(nèi)水位低于設定值時，觸發(fā)排氣信號，將虹吸管內(nèi)水提升上來；當下密閉箱內(nèi)水位高于設定值時，觸發(fā)關(guān)閉信號，停止排氣，使虹吸管長期處于滿水狀態(tài)。上密閉箱放置負壓發(fā)生器和電源控制單元。負壓發(fā)生器排氣量5~10 L/min，功率5~8 W，負壓80~90 kPa。虹吸管全自動真空器外殼采用Ф150 mm不銹鋼管，高度160 mm，內(nèi)部儲水量約1.5 L?？紤]到虹吸管全自動真空器安裝環(huán)境惡劣，山塘水庫高水位期間設備可能被淹沒，故對其進行整體密封，防水等級達到IP68（見圖2~3）。

圖2 全自動真空器示意圖

圖3 全自動真空器實物圖

另外，需要解決設備供電的問題。根據(jù)實際使用情況，虹吸管管道一般24 h漏氣量小于2~7 L，按上述選取的負壓發(fā)生器，24 h工作時間不超過10 min，典型工況下日耗電量不超過1 W?h，故采用12 V/5 W~12 V/10 W太陽能板和12 V/5 A?h動力電池組即可滿足30 d以上陰雨天氣連續(xù)工作需要，完全可解決山塘沒市電的問題。

本設備已獲實用新型專利（ZL201721399848.1）和浙江省水利新技術(shù)推廣證書，并應用廣泛。

3 虹吸管設計中應注意的細節(jié)問題

（1）經(jīng)調(diào)查，很多虹吸管設計時沒有考慮管道的熱脹冷縮問題，且設置鎮(zhèn)墩過多。若壩頂處按固端處理，則上下游支墩（鎮(zhèn)墩）均需按滑動設計。若上下游設有鎮(zhèn)墩，則虹吸管外需包油毛氈以便管道能夠伸縮。管道較長時，可設伸縮節(jié)。

（2）虹吸管下游端負壓不能過大。管道較長時，應在高差8~9 m處設置閥門，閥門后設置排氣閥，下游的空氣從排氣閥中出來，而不再積累至虹吸管管頂，以減少真空器工作時間。若出口閥門裝在高差大于8~9 m處但未裝排氣閥，則需控制放水流量，使虹吸管真空度低于設計值，以控制下游高差8~9 m處不出現(xiàn)負壓，一定要正壓。設排氣閥后，排氣時壓力為0 kPa，不排氣時為正壓，也就是控制真空器負壓不超過80~90 kPa。

（3）虹吸管正常工作的核心是管道防漏氣。鋼管或PE管施工完工后應運行0.3 MPa壓力試驗，各類管道閥門應采用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，出水閥后建議接彎管深入儲水池中0.2~0.5 m，以減少小流量放水時空氣侵入管道。

（4）加強管道防腐設計，尤其是焊接部位，有條件的情況下進行內(nèi)外防腐。

4 結(jié) 語

山塘水庫采用虹吸管輸水方便，投資成本低。通過安裝全自動真空器可徹底解決山塘水庫虹吸管放水過程中容易斷水的問題，在山塘水庫防洪調(diào)度、生態(tài)流量管理、農(nóng)村供水取水口等均可廣泛應用。