清徐原水直供蓄水池坝下穿管防空蚀措施

徐 吉，雷中锋

（1.山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西 太原 030000；2.山西万家寨水控水资源有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概况

引黄入晋工程联接段清徐原水直供输水管线，主要为清徐县工业企业提供生产用水，阳煤太化公司为最大用水户，供水设计保证率为95%。为在工程发生事故或检修期间仍能不间断供水，减少事故损失，于工业园区东西范庄村附近设事故备用调蓄池。水池容积按企业7 d用水量考虑，确定该事故备用调蓄池容积为60万m3。

拟建调蓄水池位于清徐县西范庄西北侧，紧邻清文路，两侧部分为耕地，中间为一养殖场，地形平坦，地面高程760.00～760.8 m，采用挖填方式修筑，整平高程为760.40 m。由于近期输水方式为重力流，为了防止停止供水时管道拉空，输水线路末端设控制阀室。调蓄池设计为半挖半填平原围封型，土工膜防渗，设计坝高为4.60 m，坝顶高程为765.00 m，坝顶宽5.00 m；池底开挖深度约为5.80 m，池底高程为755.60 m；正常蓄水位764.20 m。

2 工程布置

2.1 工程布置

调蓄池平面布置呈方形，池底的宽为220 m、长为260 m；池顶高程为765 m，池底高程为755.6 m，水位设计为764.2 m，整个项目结构主要分为进水建筑物、调蓄池、出水建筑物三大部分。

地面以上采用土料填筑高出地面4.6 m，挖深5.8 m，开挖边坡1∶3，池底原土开挖后夯实碾压，坝坡地基采用灌注碎石桩治理液化，桩径0.6 m，间距1.5 m，地面以上采用土料填筑，坝高4.6 m，迎水面边坡1∶3.0，背水面边坡1∶2.5。

为了防止雨水对调节水池背水坝坡的冲刷，对调节水池背水坝坡高出地面以上部分做防冲护砌，护砌形式为带孔联锁土工砖加植草护坡。为了满足池体防渗要求，池底及坝坡迎水面铺设一层复合土工膜（二布一膜）进行防渗，铺设高度至坝顶高程。迎水面防渗结构层从下至上依次为：二布一膜，200 mm厚中粗砂垫，200 mm厚碎石过渡层；表层铺设一层厚150mm的预制混凝土自锚块。池底防渗结构层从下至上依次为：300 mm砂垫层；二布一膜，500 mm厚土层；表层铺设一层厚150 mm预制混凝土自锚块。

2.2 进水管布置

调蓄池供水管接太化供水支线，通过主管线的水流入调节阀室；阀室内由调压调流阀、伸缩节、DN 1 200 mm钢管组成，阀室结构为12 m×12 m，管底高程为756.37 m；水流通过调压调流阀后，经变径管进入坝下穿管；蓄水池坝下穿管位于调蓄池东南方向，上接调节阀室调节阀及钢管进水管，钢管用镇墩包封，中间为穿管；坝下穿管结构为钢管外包混凝土，钢管长37 m，直径DN1 600 mm，底高程为756.17 m，斜边断面为1∶0.3（坝下穿管结构见图1）；水流穿过坝下穿管后，通过下坡进入消力段，缓慢漫入调蓄池内的消力池，末端消力池为混凝土浇筑结构。

图1 坝下穿管示意图

为了消除富余能量，防止对池底冲刷的破坏，在进水管处布置C25钢筋混凝土消力池，底高程为753.80 m，尺寸为15.0 m×4.5 m×3.0 m（长×宽×高），侧墙、底板厚均为50 cm，底板下铺设C15混凝土垫层，厚10 cm。进水管采用钢管，管径1.6 m，管中心线高程757.07 m，管外包厚50 cm的C25混凝土，下部铺设厚度10 cm的C15混凝土垫层。

3 蓄水池坝下穿管空蚀问题分析

蓄水池坝下穿管有压过流空蚀，主要包括水跃现象、过流问题以及材料抗空蚀性能较弱三个方面。

3.1 水跃现象

水跃为一种局部不稳定流现象，出现水跃会引起水流中的气核聚集后结团在低压区域，之后会在高压区域泯灭，从而引发空化、空蚀问题，造成管道壁侵蚀。尤其是跃尾断面与管顶触及的有压水跃，会呈现水跃前的不稳定断面迁移，以及跃尾断面压力强烈的脉动现象，令水流水跃的紊动持续加强，导致破坏能力大大增加。

由于蓄水池坝下穿管设计，存在调节阀后以及变径管等处的多种过流状况，设计并未对多种过流状况下引发水跃现象的问题引起足够重视并采取相应对策。所以未能最大程度地规避管道内出现水跃现象的情况，水跃问题将影响管道工程的使用寿命以及供水安全。

3.2 过流问题

蓄水池坝下穿管进出口使用突变式形体同穿管相连，容易产生负压，进而出现空化、空蚀现象；坝下穿管过流壁面不平整，很易降低管道过流能力，在高速水流下出现明显的空蚀侵害。

设计蓄水池坝下穿管，管道的连接部分以及内壁的状态没有采用渐变式的流线型形体进行连接，内壁呈现出不平滑的状态。另外在施工作业过程中，操作不规范等，也会造成管道结构抵抗空蚀的侵害能力降低。

3.3 材料抗空蚀性能较弱

蓄水池坝下穿管被空蚀破坏问题的出现还与其材料的抗空蚀性能有关，其材料的抗空蚀性能较弱，就容易受到空蚀侵害，因此加强坝下穿管材料的抗空蚀性能非常重要。

本工程管线为钢管+混凝土包封，这种设计将钢管与混凝土两种材料的优势有效地结合起来，具有比较好的抗压及抗腐蚀能力。但由于管道衔接以及水流等方面引起的空化因素共同作用，也会出现空蚀问题，应选择使用更具抗空蚀优势的管材。

4 蓄水池坝下穿管的防空蚀措施

4.1 合理设计穿管结构

加强蓄水池坝下穿管结构设计，应充分考虑各种空化因素，规避水流不流畅状况，使输水线路在各种过流条件下，管道内部不会产生水跃现象。

调整蓄水池坝下穿管的结构状态，在进水口段设调节阀以控制管内水流；确保管道连接处平整顺滑，消除管道内部水跃现象；在坝下穿管末端设置消力池，

4.2 施工作业避免过流问题

加强规范施工，提升自身抵抗空蚀侵害能力。蓄水池坝下穿管的管道连接部分以及内壁的状态，可以通过使用渐变流线型管道完成连接，确保内壁平滑。施工作业要保障内壁平整以及管道形体合理，提升管道自身抵抗空蚀侵害的能力。

此外，应该合理计算并拟定蓄水池坝下穿管的有压水跃，留出通气管的通气面积以及通气量的安全裕度。计算出库流量及水位对应的开度曲线，运用技术手段采取控流措施，指导水流调度、运行、管理，保障坝下穿管运行安全。

4.3 选用抗空蚀性能强的材料

根据钢管+混凝土包封管道的局限性，采取设计、衔接以及水流等综合措施，避免出现空蚀问题。加强坝下穿管材料抗空蚀的性能，延长管道使用寿命，提高管道安全运行水平。

采用具有抗空蚀优势材料，在包封的混凝土周边置换成高塑性土。高塑性围封土内掺入比较多的粘土，是一种柔性材料，具有低弹模、低强度以及大应变等特性，能够与其他材料相适应，具备非常好的防渗、防腐性能和良好的抗空蚀效果，也可以起到较好的装饰及保光作用。在内河及沿海输送管道等钢结构的抗空蚀保护方面，具有独特的防腐修复优势。

5 结论

空蚀是空化的后果，但并非所有空化都造成材料的损坏，只有不稳定的空化，如不定常流动中出现的空化或封闭空泡的尾端，才会引起空蚀，因此空蚀往往出现在物体的局部区域。空蚀的机理与材料受固体微粒或液滴冲击而损坏是不同的，为消除和减轻空蚀损坏，运动部件应在尽可能稳定的条件下运转。有效的办法是在可能发生空蚀的部位涂上或包上弹性强的材料，或注入气体以吸收空泡溃灭所辐射的能量，也可用化学防腐方法来减轻空蚀过程的腐蚀作用。为防止蓄水池坝下穿管空蚀现象的发生，除了防空蚀水力设计外，还应进行相关的水工试验，论证工程布置与水力设计的合理性。