大口径HDPE虹吸管用于水利工程防汛的可行性研究

马辉文

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

虹吸抽排水是一种传统技术。虹吸管是利用大气压的能量引水的一种压力输排水管道，顶部弯曲且其高程高于供水水面，若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，则水流即能通过虹吸管最高处引向低处，形成连续的水流。

虹吸管又分为正虹吸管与倒虹吸管两种：倒虹吸管常用于通过谷地、沟壑、道路、河道等而设置的压力输排水管道；正虹吸管简称虹吸管，则是两低处跨越某一高地之间的输排水，这样铺设管路可减少土方开挖[1]。虹吸管的管材选择上一般为焊接钢管或无缝钢管，为避免腐蚀需采用镀锌防锈防腐处理，可明铺或暗敷，但由于钢管存在易锈蚀、自重大、运输施工不便、安装难度大等缺点。近些年来，用作虹吸管的新型管材如小直径(<300mm)的塑料管(聚氯乙烯PVC-U、聚乙烯PE)也得到了广泛应用，其主要优点有：耐腐蚀性好，水力性能好、管道内壁光滑、阻力系数小、不易积垢，材质轻、运输安装方便灵活、维修简捷容易，主材及配件普遍易采购等[2]。

1 项目背景

1.1 概述

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中下游干流，为Ⅱ等大(2)型工程。施工导流采用围堰一次性拦断河床，左岸滩地开挖明渠导流。一期在围堰(运行期3年)的保护下进行电站厂房、泄水闸、船闸等建筑物施工。二期进行左岸连接土坝施工，采用进占法进行导流明渠封堵，利用已建泄水闸过流。在批复的初设报告中，发生超标准洪水时，采取基坑预充水，围堰破堰行洪的方式度汛。

基坑预充水是整个充水破堰流程中关键的环节之一，根据充水设备的不同，预充水方式一般有大功率水泵抽水、预埋涵管充水和虹吸管充水3种方式，考虑到大功率水泵抽水存在较多不利因素、2019年围堰已填筑完成，2020年汛前再大开挖预埋涵管工程量大、沿涵管周边渗漏、新老堰体沉降差、影响施工安全等因素，设计在下游围堰断面布置了32根DN1000、间距3m、净距2m、单根全长85.75m的钢管(其中堰顶需拆除已有碾压混凝土路面、泥结石路面、块石垫层、道路土工格栅及部分堰体至高程48.99m后暗敷，开挖约2m深)，虹吸管通过真空泵抽气形成真空，钢管下部设镇墩、垫梁、出口防冲钢筋石笼(需下挖坡脚原始地面2.1m)等。

汉江流域暴雨多发生于7、8、9这3个月内，自2020年6月初以来，坝址上游降雨频繁且雨量充沛，导致汉江流量逐渐增大。一方面长期的降雨严重影响了虹吸管的安装进度，另一方面2020年的防汛形势较为严峻，加大了超标准洪水破堰方案的实施概率。因此，这些现实问题的存在使得现场对虹吸管的施工进度提出了更高的要求。

1.2 研究目的

钢管虹吸管于2020年5月29日进场开始施工，施工过程包括垫梁浇筑、钢管吊装、钢管焊接及混凝土镇墩浇筑等几个步骤。其中对施工进度影响对大的主要是钢管焊接和混凝土镇墩浇筑两个步骤。另期间受坝址长期降雨影响，2020年7月4日才完成1根(包括管阀、镇墩等)。

鉴于钢管虹吸管进展缓慢，且2020年防汛形势严峻，为加快虹吸管安装进度，建议将钢管替换为塑料管。考虑当虹吸管方案采用PE管进行施工时，PE管的切割、焊接、吊装均较为方便，PE管的焊接采用的是热熔焊，其焊接工艺不仅耗时较短且精度较高，可保证管道具备较好的密封性。此外，相较于钢管，PE管具备较强的柔性和较大的单位伸缩率，能适用一定程度的伸缩与变形。

聚乙烯PE管按其制作材质密度的不同分为高密度聚乙烯管(HDPE))、中密度聚乙烯管(MDPE)和低密度聚乙烯管(LDPE)；根据管壁结构的不同可分为实壁管、结构壁管(双壁波纹管和缠绕增强管)3种类型。HDPE管具有较高的强度和刚度，HDPE实壁管按材质分为PE80、PE100管[3]，按壁厚分为8个等级，为SDR9～SDR41(标准尺寸比SDR=公称外径dn/公称壁厚en)，相应的压力等级为0.32～1.6MPa(PE80)，0.4～2.0MPa(PE100)。市政、建筑工程常用的HDPE管材同传统管材相比，具有连接可靠，具有较好的密封性；耐腐蚀性好，耐老化，使用寿命长；耐磨性及可挠性好；水流阻力小；运输安装方便，可工厂预制等诸多优点。

根据本工程预充水时间短、流量大、管道受压大及成本因素等实际情况，综上最终拟选定高密度聚乙烯HDPE100级De800mmSDR17管(壁厚47.4mm)为材料制作虹吸管。同时对HDPE管明铺代替钢管暗敷进行了水力学计算及试验，验证此方案的管材、过流能力、最大安装高度(真空值)等是否满足虹吸管正常工作要求。

2 研究内容

2.1 水力学计算

根据目前下游横向围堰断面结构布设虹吸管，虹吸管的进口管顶高程为41.80m，堰顶管顶高程为51.478m，出口管顶高程为40.50m。具体布置如图1所示。

图1 下游横向围堰HDPE虹吸管断面布置示意图/mm

2.1.1虹吸管过流能力计算

根据《水力学》[4](2010版，赵振兴、何建京编)及《水力计算手册》[5](第二版，李炜编)等计算，虹吸管按有压管道恒定流的短管计算，根据短管出流的形式不同，短管的水力计算可分为自由出流和淹没出流两种。

计算虹吸管的过流能力：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根据《水力计算手册》[5](第二版，李炜编)计算，见表1。

H-上下游水位差(上游水位至出口管道中心高差)，即经过虹吸管的水面总落差，根据设计专题报告，当入库洪峰流量达到13500m3/s时，下游围堰堰前水位为46.99m高程，虹吸管自由出流，堰前水位至出口管道中心高差为6.89m。

根据上述公式及表1，计算单根虹吸管过流能力Q=2.24m3/s。

2.1.2虹吸管最大安装高度(最大真空值)计算校核

虹吸管中最大真空值一般发生在管道最高且距管道进口最远的位置。本工程中最大真空值发生在距进口最远而且最高的第二个转折处(坝顶弯头①)。

现以下游围堰临水面为基准面，令临水面与坝顶弯头①中心之间的高差为hs，根据上游竖断面1与坝顶弯头①竖断面2列伯努利能量方程：

(6)

(7)

2.1.3进口水深验算

根据DL/T 5398—2007《水电站进水口设计规范》[7]，有压进水口最小淹没深度可按戈登公式估算：

(8)

式中，S—进水口淹没深度，m；c—与进水口几何形状有关的系数，取0.55；v、d—意义同上。

计算S=2.64m。实际进口水深h进=46.99m-41.8m=5.19m。因h进>S，故进口水深满足设计要求。

2.1.4管壁厚度验算

2.2 试验验证

2.2.1真空试验

为验证该管材是否满足本次实验要求，在厂家生产车间对该型管道进行了真空实验。

试验设备：水环式真空泵(型号SK-2A)、真空压力表(Y-100，测量范围：0～-0.1MPa)、数显卡尺、π尺、透明直尺、卷尺、固定测试支架2个。

实验管段长12.6m，两端通过热熔堵头封堵，并于首端堵头处安装抽真空设备，于距首尾4.5m、4.6m处位置各设置1道自制方管门架(作变形测量参照用，每道门架可提供管道上、左、右3个方位的测量参照，且门架安装基面与管道接触地面同高程)，同时选取两个截面用软尺测量管道周长，如图2所示。2020年6月15日至6月21日，共测量82次，经两种方式测量计算复核管道外径变形值均在0.2～0.8mm范围内，且管内恢复大气压后管道外径能够恢复到原始值。本次实验经设计单位见证，根据实验测量数据，HDPE100级De800mmSDR17管在0.1MPa外压作用下，没有产生明显变形。

图2 管材厂家真空实验

2.2.2现场虹吸管通水试验

(1)试验目的

①实测采用水泵抽水将管道内充满水的方法是否可行；

②明确虹吸管在通水状态下的最大管顶真空值，即明确虹吸管顶高程与进口水位之差在何范围内，虹吸管可正常工作；

③明确虹吸管进口最小工作水深，即明确进口水位与虹吸管进口顶高程之差在何范围内，虹吸管可正常工作；

④明确虹吸管进出口最小工作水头差，即明确进口水位与虹吸管出口顶高程之差在何范围内，虹吸管可正常工作；

⑤实测虹吸管在通水过程中是否出现抖动。

(2)现场通水试验

①现场试验布置

2020年6月24～6月30日，在纵向围堰与下游围堰交叉处存渣场，根据设计要求开挖上口40m×40m，下口20m×20m，深4m的蓄水池，采用定制40m×40m的防水篷布铺设蓄水池，在蓄水池侧回填顶部8.5m×5m，高3.1m，坡比1∶2.5的临时“堰体”。2020年7月1日～7月2日，沿临时“堰体”及纵向围堰断面明铺组装工厂定制的HDPE虹吸管、管件，蓄水池蓄水，引接电源等试验准备。现场试验布置如图3—4所示，试验虹吸管及管材如图5所示。

图3 现场试验断面图/m

图4 蓄水池水位示意图

图5 试验虹吸管及管材示意图

②现场试验

试验日期：2020年7月3日。试验步骤：

9∶00-10∶00 用戈麦斯汽油机水泵(2寸、25m3出水，30m扬程)从DN110注水阀注入约28m3水，同时从DN110排气阀排完气后，全部再关闭。准备虹吸。

10∶12 dn800虹吸管开启调试。

10∶15 dn800出口阀开启，蓄水水面高程49.25m，水面宽度36.25m，进水池容量约：2642m3。

10∶18 虹吸进水口管顶出现漩涡，水位下降至48.75m，水面宽度33.75m，水池容量约为：2029m3。

10∶25 虹吸管进口管顶明显传出气漩涡的声音，水位下降至47.6m，水面宽度28m，水池容量约为930m3。

10∶26 因水位因素进入空气后，自动结束停止虹吸，水位下降至47.35m，水面宽度26.75m，水池容量为742m3。

整个试验过程中管道无明显变形与振动。水位从高程49.25m下降至47.35m，共计下降1.9m，下降容量约为1900m3，试验时长11分钟。据此推算平均流量约为2.88m3/s，管道出口处流速约为7.37m/s。试验推算值大于理论计算值。

(3)试验结论

①采用水泵抽水将管道内充满水的时间为1h，该方法有效可行。

②该虹吸管的最大真空值为6.4m，即虹吸管顶高程与进口水位之差在6.4m范围内，虹吸管可正常工作。

③虹吸管的进口水深(即水面至进口管顶的高差)不得小于2倍管径，否则会在管道进口处出现旋涡，降低虹吸管工效。

④虹吸管进出口水头差(即进口水位与出口管顶高程的高差)不小于4.65m时，虹吸管可以正常过流。

⑤在虹吸管正常通水运行时，管身无抖动。

3 工程应用

2020年5月29日～7月4日，完成1根钢管DN1000虹吸管的全部工作。2020年7月16日～7月28日，根据业主要求，在下游围堰堰顶完成明排20根HDPE管材及管件等的安装，后续根据汛情再安装。

鉴于2020年度防洪度汛的严峻形势，本工程根据水力学理论计算及室内、室外试验论证后，将原设计的开挖暗敷32根钢管(直径1m)虹吸管调整为60根大口径HDPE虹吸管(直径0.8m)明排，优化设计取消混凝土镇墩、支墩、垫梁等固管设施且减少管道出口防冲设施施工的开挖量，将虹吸实现方法由原真空泵抽真空法改为灌水法，管材厂家定制、现场快速组装。大大缩短了虹吸管施工工期，为本工程防护度汛赢得了宝贵的时间和迎战洪水的主动权。目前围堰基坑已安全度过2019—2021年3个汛期，圆满完成了它的使命，一期围堰于2022年6月拆除、基坑过水。

4 结语

虹吸管作为管道输排水方式之一，广泛应用在灌溉、泵站、疏浚、饮水取水等工程，在小型水库除险加固工程中多用于输水涵管重建和防洪抢险中，虹吸管管材一般为焊接钢管或无缝钢管和小直径(<300mm)的PVC管和PE管。本项目大口径(800mm)HDPE实壁管在基坑虹吸管预充水工程中的成功应用，为工程防洪度汛赢得了宝贵的时间和提供了科技度汛的经验，对在水利工程中应用大口径HDPE管提供了借鉴和补充，有一定的突破性。更大口径(>800mm)的HDPE虹吸管输排水还需更多研究与实践。