虹吸管在酸性水庫取水工程中的應(yīng)用

周彩霞朱學(xué)勝鄭 偉

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.中鐵建銅冠投資有限公司,安徽 銅陵 244000)

0 前言

含硫金屬礦山在開采過程中，在空氣、水、微生物等物質(zhì)的作用下會發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成含大量重金屬離子的酸性水，對周邊環(huán)境造成巨大威脅[1]。酸性水的收集與處理是目前很多金屬礦山面臨的難題，露天采場及廢石堆場產(chǎn)生的酸性水通常采用酸性水庫的形式收集和臨時儲存，并通過庫內(nèi)取水設(shè)施輸送至水處理系統(tǒng)或者綜合利用系統(tǒng)進(jìn)行處理或者再利用。

酸性水庫的防滲通常采用全庫水平防滲、垂直防滲或者聯(lián)合防滲的形式，大多數(shù)采用HDPE 土工膜全庫水平防滲的形式。

酸性水庫的傳統(tǒng)取水方式有岸邊泵站式、庫內(nèi)浮船式、“井-管-庫外泵站”式。傳統(tǒng)的取水方式通常需要消耗電能，或者對地形地質(zhì)條件要求較高，容易產(chǎn)生大量開挖及邊坡支護(hù)工作，有的穿越防滲層造成防滲層失效。在壩高較低、庫內(nèi)水位變幅較小的情況下，采用虹吸管取水可以避免傳統(tǒng)取水方式的缺點(diǎn)，避免管道穿過防滲層，工程量小，節(jié)約能源，運(yùn)行管理便捷。

本文結(jié)合某礦山酸性水庫實例，將虹吸管應(yīng)用于該酸性水庫取水工程中，介紹了虹吸管取水的布置方式、水力計算方法以及實施效果，供同類工程借鑒。

1 酸性水庫取水方式

1.1 傳統(tǒng)取水方式

在實際工程中，根據(jù)取水量、地形、地質(zhì)、施工、運(yùn)行管理等條件的不同，傳統(tǒng)的酸性水庫取水方式包括岸邊泵站式、庫內(nèi)浮船取水、“井-管-庫外泵站”式。

1.1.1 岸邊泵站式

在岸邊設(shè)置泵站吸水，優(yōu)點(diǎn)是取水水量及揚(yáng)程可以通過水泵來控制，缺點(diǎn)是消耗電能，且泵站受地形條件影響，容易產(chǎn)生大量開挖及邊坡支護(hù)工作；同時由于受水泵吸上高度和安裝位置的限制，該方式適用于岸邊有足夠水深、庫內(nèi)水位變幅小的情況。

1.1.2 庫內(nèi)浮船取水

在庫內(nèi)設(shè)浮船泵站的方式取水靈活，適用于庫內(nèi)水位變幅大，但水位漲落速度低，水流不急，冬季無冰凌，停泊條件良好的情況。浮船取水的方式可較好地適應(yīng)庫內(nèi)水位變化，但船體需要進(jìn)行防腐處理，維護(hù)檢修較頻繁，也需要消耗電能。

1.1.3 “井-管-庫外泵站”式

該方式在庫內(nèi)設(shè)取水井，且取水井底部需要設(shè)置通向壩外的排水涵管。該方式可充分利用庫內(nèi)水頭，較好地適應(yīng)庫內(nèi)水位變化，但壩底排水涵管對壩底部的工程地質(zhì)條件要求較高，且不易檢修，造價較高；此外穿越壩體防滲層的施工較為困難，容易造成穿膜處防滲體失效而導(dǎo)致滲漏。

1.2 虹吸管取水

虹吸管的原理是在虹吸管內(nèi)形成真空，利用上游水面的大氣壓強(qiáng)和虹吸管內(nèi)部壓強(qiáng)之差，將水流從上游庫內(nèi)最高處引向低處。虹吸管的優(yōu)點(diǎn)是能跨越高地，避免了管道穿壩時破壞壩體防滲層，開挖量少，設(shè)備少，運(yùn)行費(fèi)低，管理方便。由于受虹吸管允許真空值的限制，虹吸管取水適用于壩高較低、庫內(nèi)水位變化范圍較小的條件。

2 虹吸管取水的水力計算

2.1 虹吸管的輸水能力計算

虹吸管是一種壓力輸水管道，長度一般不大，按短管計算。當(dāng)不計行近流速影響，管道出口為淹沒出流時，虹吸管的輸水量計算方法[2-4]如下：

式中：Q——流量，m3/s；

μc——管道系統(tǒng)的流量系數(shù)；

A——管道的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

z——上游和下游的水位差，m；

λ——沿程阻力系數(shù)；

d——管道直徑，m；

l——虹吸管長度，m；

ζ——局部水頭損失系數(shù)；

C——謝齊系數(shù)，m1/2/s；

n——粗糙系數(shù)；

R——水力半徑，m；圓管滿流時，

2.2 安裝高程計算

虹吸管最大真空值一般出現(xiàn)在管道最高點(diǎn)，如圖1 所示的外坡壩頂彎頭前的B 斷面處。

圖1 虹吸管示意圖

對庫內(nèi)上游水面斷面0—0 和壩頂彎頭前B—B斷面列能量方程[2]，得到：

式中：

lB——從虹吸管進(jìn)口至B—B 斷面的長度，m；

zs——虹吸管最高點(diǎn)與上游水面的高差，m；

pa——斷面0—0 處的大氣壓強(qiáng)，Pa；

pB——斷面B—B 處的壓強(qiáng)，Pa；

v0——斷面0—0 處的流速，m/s；

v——斷面B—B 處的流速，m/s；

α1、α——斷面0—0 處和斷面B—B 處的動能修正系數(shù)，通常取α1=α=1；

ρ——密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

根據(jù)zs的最大值和上游最低水位，即可確定虹吸管的極限安裝高程。

3 工程實例

3.1 工程概況

某礦山酸性水庫用于收集排土場產(chǎn)生的酸性廢水，其攔擋壩為土石壩，壩高13 m，壩頂標(biāo)高1 140 m，1 133 m 標(biāo)高處有一錨固平臺，上游壩面及庫區(qū)均采用HDPE 土工膜防滲。攔擋壩下游設(shè)有酸性水處理系統(tǒng)結(jié)合池，需將庫內(nèi)酸性水引入該結(jié)合池中，進(jìn)而對酸性水進(jìn)行處理。酸性水處理系統(tǒng)要求輸水能力不小于400 m3/h。

考慮到本工程壩高較低，庫內(nèi)水位變幅小，能滿足虹吸管取水條件，同時攔擋壩上游設(shè)有防滲層，采用虹吸管取水可以避免管道穿壩處防滲層破壞引發(fā)的滲漏。

初步選擇采用耐腐蝕性較好的HDPE 管作為虹吸管取水，其規(guī)格為外徑315 mm，壁厚18.7 mm。

3.2 虹吸管布置及配套設(shè)施

虹吸管取水端布置在錨固平臺上，進(jìn)水口標(biāo)高為1 133.00 m，出水端伸入水處理系統(tǒng)結(jié)合池，結(jié)合池最高水位標(biāo)高為1 131.00 m，考慮淹沒出流。設(shè)計虹吸管最高點(diǎn)安裝高程為1 138.90 m，高于正常蓄水位1 138.00 m，可避免管道穿越防滲層引起的滲漏破壞。另外，在虹吸管進(jìn)水口處設(shè)置底閥和鋼筋混凝土支撐槽，在上游管道底部和頂部設(shè)袋裝土支撐和控制管道位移，在下游管道設(shè)管墩，在攔擋壩高點(diǎn)設(shè)置真空泵，在下游管道末端設(shè)置蝶閥。虹吸管布置如圖2 所示。

圖2 虹吸管布置圖

虹吸管的操作管理簡便，當(dāng)酸性水庫水位超過1 133.00 m 時，即可開啟虹吸管進(jìn)行輸水。啟動虹吸管時，首先關(guān)閉下游蝶閥，并利用真空泵將虹吸管內(nèi)抽成真空，待庫內(nèi)水進(jìn)入管道后適時關(guān)閉真空泵，并打開下游蝶閥。

3.3 虹吸管水力復(fù)核

根據(jù)式(1)～(8)，計算不同上游、下游水位條件下虹吸管的輸水量和允許最高安裝高程，結(jié)果見表1～表2。

根據(jù)表1、表2 的計算結(jié)果，本工程虹吸管的輸水能力為0.119～0.253 m3/s(即428～910 m3/h)，滿足工程輸水能力不小于400 m3/h 的要求；虹吸管的極限安裝高程為1 138.96 m，高于設(shè)計安裝高程1 138.90 m，滿足虹吸管的水力要求。

表1 下游水位為1 129 m 時虹吸管的水力復(fù)核表

表2 下游水位為1 131 m 時虹吸管的水力復(fù)核表

4 結(jié)束語

礦山酸性水庫取水輸水工程中，若地形標(biāo)高適宜、壩高較低、庫內(nèi)水位變幅小，可考慮采用虹吸管取水輸水，不僅能避免管道破壞防滲層造成的酸性水泄露，還能達(dá)到節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、便于管理的效果。本工程已投入運(yùn)行，效果較好，可以為類似工程提供參考。