堰塞湖大流量虹吸泄流關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)

翁怡萌 蔡耀軍 王小波 欒約生 張 亮 聶 勇

（1.北京中瀚環(huán)球真空流體科技有限責(zé)任公司，北京 100096；2.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010；3.水利部長江勘測技術(shù)研究所，湖北 武漢 430011；4.湖北省十堰市丹江口市水政監(jiān)察大隊(duì)，湖北 十堰 442714）

0 引言

我國西南地區(qū)發(fā)生幾次大地震，頻繁衍生“堰塞湖”災(zāi)害。堰塞湖造成的災(zāi)害損失不亞于地震本身，堰塞湖在庫水位不斷抬高，水量不斷累積，滲透、漫頂、掏蝕、沖刷等作用下，極易發(fā)生失控性潰決。由于固體物質(zhì)堵塞河道，大量過流滯留，一旦失控潰決，洪水淹沒災(zāi)害隨著潰口的發(fā)展和潰決洪水的演進(jìn)加劇傳播，對(duì)下游造成極大威脅?？晒?yīng)急處置的時(shí)間極為有限，排險(xiǎn)處置難度大。真空虹吸應(yīng)急泄流排水技術(shù)是一種能跨越壩體，并將水流引向下游的輸水管道技術(shù)，可在土石堤壩與堰塞湖上實(shí)現(xiàn)非開挖、大流量泄洪引流，可在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)庫水進(jìn)行削減，防止堰塞湖水不斷蓄積對(duì)下游造成慘重的沖刷損失，具有可控性好、節(jié)省能源、跨越地形障礙、多臺(tái)套并用等優(yōu)點(diǎn)，靠勢(shì)能驅(qū)動(dòng)持續(xù)工作。越是在應(yīng)急搶險(xiǎn)的復(fù)雜環(huán)境條件下，越能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

做好應(yīng)急泄流工作是堰塞湖搶險(xiǎn)救災(zāi)的關(guān)鍵。應(yīng)對(duì)因自然、地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的突發(fā)水患災(zāi)情，須遵循以人為本，充分利用自然力量排除自然災(zāi)害的理念，制定切實(shí)可行的排洪預(yù)案并付諸實(shí)施，保證堰塞湖應(yīng)急處置順利進(jìn)行。該文分析了虹吸大流量排水除險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)及其研發(fā)方向，聚焦研發(fā)目標(biāo)，為確保精準(zhǔn)的水量安全控泄提供新的思路和方法。

1 虹吸技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用概述

虹吸分為正虹吸和倒虹吸，虹吸弓彎凸向上的為正虹吸，弓彎凹向下的為倒虹吸，一般也將正虹吸簡稱為虹吸。虹吸和倒虹吸的輸水原理相同，即都是通過虹吸兩端的壓強(qiáng)差使流體發(fā)生流動(dòng)，倒虹吸在開始工作時(shí)可以依靠流體自身重力向下流動(dòng)而驅(qū)動(dòng)流體排空管內(nèi)空氣，從而使流體充滿整個(gè)虹吸管，保證液體持續(xù)通過虹吸管形成倒虹吸；而正虹吸工作前流體受重力向下作用不能向上流動(dòng)，須人為制造虹吸管為真空狀態(tài)，管內(nèi)流體在壓強(qiáng)差作用下越過虹吸的頂部后就可以受重力作用而向下流動(dòng)，從而形成持續(xù)虹吸流動(dòng)。

在真空動(dòng)力泵應(yīng)用以前，虹吸應(yīng)用都以小管徑為主；真空動(dòng)力泵應(yīng)用后，解決了虹吸啟動(dòng)時(shí)使虹吸管內(nèi)維持真空的問題，但當(dāng)管徑達(dá)到米級(jí)的工程量級(jí)時(shí)，虹吸管內(nèi)常會(huì)發(fā)生斷流而使虹吸現(xiàn)象難以維持，這是因?yàn)樵谝粋€(gè)大氣壓和常溫下，溶解在水里的空氣的體積約占水體體積的2%左右，天然水體里實(shí)際分布著大量肉眼看不見的氣核，當(dāng)氣核聚集到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致水柱斷裂，使虹吸斷流。

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，隨著真空技術(shù)和虹吸技術(shù)發(fā)展完善，虹吸管徑由厘米級(jí)達(dá)到米級(jí)，虹吸技術(shù)在中小水庫的溢洪道溢流中得到應(yīng)用。福建省的翁友彬于1990年發(fā)明了虹吸整流器（翁氏虹吸），在實(shí)現(xiàn)自然虹吸管徑尺寸和虹吸高度方面取得了重要突破，2003年利用該技術(shù)在杭州黃石垅水庫建成的大型虹吸管系統(tǒng)管徑達(dá)1.52m，創(chuàng)造了虹吸管徑的吉尼斯世界紀(jì)錄（圖1），但也存在進(jìn)水口吸入渦流的問題。

圖1 杭州黃石垅水庫的虹吸吉尼斯世界紀(jì)錄（大管管徑 1.52m，2003年）

2 堰塞湖排水方式及特點(diǎn)

堰塞湖一般交通不便，庫容和上游來水量不同。針對(duì)不同的外界條件，堰塞湖泄流排水有不同的方式，常用的有開挖壩體引流槽、水泵抽水強(qiáng)排等泄水方式（表1），隨著虹吸技術(shù)不斷完善，虹吸泄流也被納入堰塞湖泄流的應(yīng)用范疇。

表1 堰塞湖排水方式及特點(diǎn)

虹吸泄流可以延緩壩前水位上升或降低壩前水位，避免壩體泄流沖刷過程的可控性差等問題，確保流量可控可調(diào)，還可同時(shí)配置多個(gè)泄水管，按需動(dòng)態(tài)排水，滿足大流量泄流需要，是充分依靠自然力優(yōu)勢(shì)的堰塞湖應(yīng)急泄流方式。

3 堰塞湖虹吸泄流裝備系統(tǒng)組成

堰塞湖虹吸應(yīng)急泄流系統(tǒng)包括潛水整流單元、液氣交換單元、虹吸管道單元3個(gè)部分（圖2），涵蓋整流、射流、氣液相變等流體流態(tài)控制技術(shù)；智能監(jiān)測液氣交換技術(shù)；虹吸自適應(yīng)穩(wěn)態(tài)智能決策泄流精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)；保證環(huán)剛度、密封性、地形坡降的大型管道快速搭建技術(shù)。

圖2 堰塞湖虹吸泄流裝備系統(tǒng)

潛水整流單元由浮島式壓水板、整流射流器、導(dǎo)流錐組成。浮島式壓水板的設(shè)置，可使流速分布均勻，使水流順暢并無漩渦地接近整流器的吸入口，對(duì)整流器入水口的流場進(jìn)行整體的控制；整流射流器采用群射流方式增大流體效能、保護(hù)液態(tài)表面張力，具備流態(tài)控制、消除進(jìn)水口吸入渦、減少水頭損失、消除氣蝕水錘、提高流體輸送效率、使管道內(nèi)受壓均勻等優(yōu)點(diǎn)，可通過調(diào)節(jié)整流器潛水深度取到任一深度斷面的水體；將機(jī)械式導(dǎo)流錐整合到整流器吸水頭部，可改進(jìn)傳統(tǒng)虹吸容易觸底以及泥沙淤積的問題，增加了安全性，并達(dá)到入水口引流控制的效果，使流場速度分布均勻度更佳，消除了進(jìn)水口的附底渦，保證了流場的穩(wěn)定可控，提升裝備水力性能。

液氣交換單元將啟動(dòng)機(jī)、真空泵閥、補(bǔ)水泵、緩沖罐、液氣交換箱等設(shè)備集成于真空動(dòng)力撬裝機(jī)柜內(nèi)，整體搭載于可移動(dòng)式底盤上，進(jìn)行管頂抽排氣作業(yè)，為管道制造負(fù)壓環(huán)境，保證虹吸管液氣交換，形成虹吸效應(yīng)。同時(shí)由流量、溫度、壓力、水位、閥門開度等各類傳感器，可編程控制器，現(xiàn)場、遠(yuǎn)程、應(yīng)急操作人機(jī)界面，多功能電氣儀表，遠(yuǎn)程指揮終端，動(dòng)力信號(hào)電纜及保護(hù)管線等組成數(shù)據(jù)采集監(jiān)測平臺(tái)，可對(duì)流量、水位、壓力、閥門開度、泵閥啟閉等參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場及遠(yuǎn)程數(shù)字化智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守并控制虹吸形成及運(yùn)行。

虹吸管道單元區(qū)別于須采用傳統(tǒng)施工鋪設(shè)作業(yè)的固定式大型硬質(zhì)管道，因其應(yīng)用場景的特殊性，必須具備快速拼裝、輕量化、高機(jī)動(dòng)性、便于運(yùn)輸且安全可靠的特點(diǎn)。采用可折疊展開、角度可調(diào)的液壓桁架式虹吸管道單元，可多組管道任意組合延長管道長度，也可根據(jù)地形起伏在管道任意節(jié)點(diǎn)加裝預(yù)設(shè)彎頭組件改變管道走向及坡度。折疊展開動(dòng)作依靠液壓傳動(dòng)，可將管道由折疊運(yùn)輸狀態(tài)快速形成可運(yùn)行展開狀態(tài)。管道外部鋼結(jié)構(gòu)桁架，使整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保護(hù)外壓荷載不對(duì)管道流體運(yùn)行產(chǎn)生影響，也對(duì)管道運(yùn)行時(shí)承內(nèi)壓能力進(jìn)行提升，防止管道振動(dòng)。整體提升了虹吸管道環(huán)剛度、密封性、機(jī)動(dòng)性。

4 堰塞湖虹吸泄流關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)

4.1 進(jìn)水口水力控制優(yōu)化技術(shù)與裝備

傳統(tǒng)的虹吸進(jìn)水口存在水流紊亂而能耗大、水壓損失大、水流紊亂則水流攜帶的摻氣多等問題，受國家重點(diǎn)研發(fā)（2019YFC1510804）資助，課題組采用群多孔并聯(lián)射流技術(shù)研發(fā)改進(jìn)了進(jìn)流方式，將原來大面積的進(jìn)口管徑分成了很多垂直進(jìn)流的細(xì)管，管道進(jìn)口直徑為，細(xì)管直徑為，細(xì)管數(shù)量為（圖3），形成了多孔細(xì)管過流結(jié)構(gòu)的水流進(jìn)口裝置（集成式細(xì)管流的整流器），裝置直徑為，保護(hù)液態(tài)表面張力與黏性，能有效地提高流速、消除水錘、降低管壓；頂部的倒U型虹吸布置，從源頭上直接阻斷氣體進(jìn)入管道，解決了低水位時(shí)大管徑管道進(jìn)口容易出現(xiàn)吸氣漩渦的重要問題，每根細(xì)管都具有完全開啟、部分開啟、完全關(guān)閉的功能，可以根據(jù)管道流量的變化自動(dòng)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)內(nèi)部閥門的開啟程度（流量自適應(yīng)性），使管道壓力平穩(wěn)，避免管道系統(tǒng)壓力急劇變化，為虹吸穩(wěn)定運(yùn)行提供基本保障；垂直進(jìn)流方式及多孔細(xì)管過流結(jié)構(gòu)，保證流體有序進(jìn)入管道，并在單管中引入了分散開啟力的設(shè)計(jì)，從而極大地降低了大管徑虹吸的啟動(dòng)難度。進(jìn)水口水力控制優(yōu)化模塊化裝備如圖4所示。

圖3 常規(guī)虹吸進(jìn)口與改進(jìn)的水流進(jìn)口整流器

圖4 改進(jìn)的水流進(jìn)口整流器裝備

4.2 液氣交換虹吸智能控制技術(shù)與裝備

液氣交換技術(shù)是通過真空泵組（液氣交換系統(tǒng)）形成虹吸管內(nèi)真空并在大氣壓強(qiáng)作用下形成虹吸的技術(shù)，液氣交換系統(tǒng)如圖5所示，真空泵組切斷閥用于液氣交換過程的開啟與切斷，閥門開啟后，水環(huán)式真空泵先啟動(dòng)，液氣交換裝置將虹吸形成初期從進(jìn)水口攜裹進(jìn)入的空氣通過頂部集氣后強(qiáng)迫排出，緩沖罐防止液體倒吸以平穩(wěn)真空度，補(bǔ)水泵對(duì)液氣交換箱進(jìn)行補(bǔ)水保護(hù)。虹吸管內(nèi)最大負(fù)壓一般發(fā)生在管子最高位置頂點(diǎn)，液氣交換裝備必須設(shè)置在虹吸管最高點(diǎn)處。液氣交換裝備如圖6所示。

圖5 真空泵組（液氣交換系統(tǒng)）基本組成圖

圖6 液氣交換系統(tǒng)（真空泵組）裝備

液氣交換裝備需要根據(jù)水位變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。目的是提高裝備的運(yùn)行效率，保證裝備正常運(yùn)行，提高效率。裝備有效運(yùn)行的條件是庫內(nèi)水位高程與壩頂高程差值在8m范圍內(nèi)，裝備效率最大化的關(guān)鍵是通過調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)壓力防止管道內(nèi)流速過快而產(chǎn)生的不可控因素，如引起管道振動(dòng)或液體相變引起空化。需要對(duì)裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)智能監(jiān)測反饋，把握運(yùn)行工況。

4.3 虹吸泄流精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)

虹吸泄流精準(zhǔn)調(diào)控具有實(shí)時(shí)交互、動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)的虹吸穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)信號(hào)監(jiān)測反饋，可快速調(diào)節(jié)內(nèi)壓保持穩(wěn)態(tài)，在形成虹吸的基礎(chǔ)上增加了動(dòng)態(tài)糾偏功能模塊，提高系統(tǒng)智能決策能力。

對(duì)影響堰塞湖虹吸應(yīng)急穩(wěn)態(tài)泄流的相關(guān)變量（水頭、實(shí)際流量、流速、壓力、虹吸高度、水頭損失、閥門開度等）進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性建設(shè)（圖7），運(yùn)用關(guān)系函數(shù)算法實(shí)時(shí)輸出流量、允許虹吸高度、管頂最大負(fù)壓值、最高臨界空化流速與虹吸穩(wěn)態(tài)相關(guān)變量參數(shù)計(jì)算值，通過末端控制閥門開度使流速在失速空化發(fā)生前減速并且使實(shí)測管頂負(fù)壓值不超過計(jì)算管頂最大負(fù)壓值'，從而完成全過程的自調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)控制，異常情況可實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)。解決了堰塞湖環(huán)境水位上漲速度快、邊界條件變化顯著情況下，虹吸系統(tǒng)容易失速空化而偏離穩(wěn)態(tài)的問題，使堰塞湖虹吸持續(xù)穩(wěn)定、精準(zhǔn)可控。

圖7 虹吸泄流精準(zhǔn)調(diào)控特征參數(shù)

4.4 系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)

真空應(yīng)急泄流虹吸與水庫小口徑虹吸管不同，不使用傳統(tǒng)施工方式，須在短時(shí)間內(nèi)，定點(diǎn)定位、搭建管道、裝配設(shè)備、啟動(dòng)運(yùn)行。堰塞湖地形不平坦，高低起伏，大型管道尺寸在1m以上，須保證快速安裝，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氣密良好。潛水整流裝備體型大，裝配后須涉及水上安裝作業(yè)，施工難度大，任務(wù)重。

真空虹吸應(yīng)急泄流排水的技術(shù)核心是進(jìn)口流場流態(tài)控制，如果進(jìn)口水流不穩(wěn)、流速分布不均，就無法實(shí)現(xiàn)虹吸管泄水。在水體邊界條件不斷變化的前提下，為保證持續(xù)穩(wěn)定大虹吸的順利實(shí)施，須在進(jìn)水頭部加裝潛水整流器，輔助穩(wěn)流引流措施，做好液態(tài)表面張力保護(hù)、入水口吸入渦控制、文丘里群陣射流、負(fù)壓環(huán)境的氣液相變控制。

為解決關(guān)鍵問題，施工技術(shù)方案由虹吸整體布置、地形高程定位、管道快速展開、液壓法蘭對(duì)接、潛水裝備投放等虹吸形成方案以及系統(tǒng)啟動(dòng)保證、動(dòng)態(tài)運(yùn)行管控等虹吸運(yùn)行措施共同形成。虹吸形成難、控制難，其過程須遵循一定的技術(shù)原則，采用安全施工布置方式，利用真空虹吸技術(shù)特征，使地形地貌與裝備運(yùn)行充分結(jié)合，借助自然力，充分發(fā)揮裝備的優(yōu)勢(shì)。

4.5 技術(shù)總結(jié)

真空技術(shù)使虹吸管由厘米級(jí)達(dá)到米級(jí)，使正虹吸技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目，翁氏虹吸的虹吸整流器在實(shí)現(xiàn)自然虹吸管徑尺寸和虹吸高度方面取得了重要突破；國家重點(diǎn)研發(fā)課題（2019YFC1510804）進(jìn)一步改進(jìn)虹吸進(jìn)口的進(jìn)水整流裝置，整合了虹吸的液氣交換裝置，提升了虹吸精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)水平，開發(fā)了堰塞湖虹吸泄流系統(tǒng)，制造了相應(yīng)的裝備，使大管徑虹吸可以有效地適用于復(fù)雜環(huán)境下的堰塞湖快速排水。

5 結(jié)論

由于堰塞壩堆積體規(guī)模大，水位上漲速度快，因此必須在有限時(shí)間內(nèi)采取工程措施進(jìn)行應(yīng)急泄流搶險(xiǎn)救援。采用大虹吸系統(tǒng)疏導(dǎo)引水，可利用其大流量、精準(zhǔn)性、智能化、高效率的特點(diǎn)，在堰塞湖災(zāi)情發(fā)生時(shí)快速搭建管道，下泄峰值流量，減少湖區(qū)淹沒，防止漫頂潰壩的情況，有明顯的減災(zāi)效果，為救援工作贏得寶貴的時(shí)間，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。為堰塞湖快速應(yīng)急處置提供新的技術(shù)解決途徑。