堰塞湖應(yīng)急搶險大功率虹吸技術(shù)及裝備研發(fā)

翁怡萌 蔡耀軍 王小波

摘要：為了滿足堰塞湖應(yīng)急搶險對大流量虹吸裝備研發(fā)制造的需求，首先分析了堰塞湖應(yīng)急搶險大功率虹吸技術(shù)裝備的應(yīng)用場景與研發(fā)難點，對裝備系統(tǒng)進行了針對性總體設(shè)計，介紹了設(shè)計中采用的水力流場流態(tài)優(yōu)化、數(shù)字智能化調(diào)控、工業(yè)模塊化裝配等關(guān)鍵技術(shù)。該裝備包含潛水整流單元、液氣交換單元、智能監(jiān)控單元三部分。其中整流單元采用群孔并聯(lián)射流的管道進流方式，智能監(jiān)控單元采取數(shù)據(jù)分布式管理，為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行提供數(shù)據(jù)支撐。該新裝備具有運行穩(wěn)定、泄水量大、安裝簡便、啟動快速等優(yōu)點，泄流能力可達3 500～15 000 m3/h，不僅可以用于堰塞湖應(yīng)急排水搶險，也可以用于其他領(lǐng)域的大流量輸排水作業(yè)。

關(guān)鍵詞：堰塞湖； 虹吸應(yīng)急泄流； 水力優(yōu)化； 智能化調(diào)控； 輸排水

中圖法分類號： TV62

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.006

0引 言

堰塞湖由滑坡、泥石流等自然作用堵塞河流而形成，堰塞體結(jié)構(gòu)十分不均，多數(shù)情況下級配寬泛且不連續(xù)［1］，隨著上游持續(xù)來水和湖水位升高，會發(fā)生漫頂沖刷而易潰決，給下游沿江基礎(chǔ)設(shè)施、城鄉(xiāng)居民、自然生態(tài)帶來嚴重災(zāi)害。堰塞湖災(zāi)損與湖水位、蓄水量關(guān)系密切，因此，堰塞湖一旦形成，如何盡快打通湖水下泄通道，實現(xiàn)湖水盡快下泄，延緩水位上漲速度為工程搶險爭取時間，就成為高危堰塞湖應(yīng)急搶險的關(guān)鍵［2-3］。開挖引流槽是堰塞湖疏通排水最常用的方法，由于堰塞湖搶險可利用窗口期短，引流槽開挖效率、堰塞湖過流前能夠開挖的深度直接影響搶險降危效果，因此在以往的搶險實踐中，多次采用水泵抽排水延緩或控制水位上漲，也嘗試采用水泵抽水來沖刷成槽［4］?，F(xiàn)有可用于應(yīng)急搶險的水泵功率小，流量一般小于0.5 m3/s，水泵排水僅適用于上游來水量小的堰塞湖，如2009年重慶武隆雞尾山崩塌堰塞湖，在先期采用6臺小型水泵應(yīng)急排水基礎(chǔ)上，后期安裝3臺排水能力0.17 m3/s的大型水泵控制了水位上漲［4］；2000年西藏易貢堰塞湖、2008年唐家山堰塞湖搶險過程中，曾嘗試采用水泵抽水沖刷形成引流槽，但均因流量過小，不能形成穩(wěn)定的水流而宣告失敗。

虹吸技術(shù)裝備是通過虹吸管兩端的水頭差，利用重力流使水流從水頭高的一端流向水頭低的一端。1973年，Hughes通過試驗證明虹吸是重力流，水體在虹吸頂部很容易被拉斷、出現(xiàn)氣泡并產(chǎn)生水柱斷裂而破壞流動的連續(xù)性［5］。在真空射流虹吸應(yīng)用以前，虹吸應(yīng)用以管徑300 mm的小管徑虹吸為主，1990年翁友彬發(fā)明了管徑600～1 500 mm的虹吸整流射流器［6］，并用于水庫放水泄洪［7］。采用整流技術(shù)的大直徑真空虹吸排水裝備為堰塞湖應(yīng)急排水和沖刷成槽提供了可能［8］，管徑0.6～1.0 m時虹吸流量可以達到3～8 m3/s。根據(jù)野外沖刷試驗［4］，該級別流量可以在1∶2.5～1∶3.5坡比的斜坡上沖刷起動10 cm左右的碎塊石，并形成穩(wěn)定的水石流。

堰塞湖水位上漲快，水頭變動大，堰塞壩體形態(tài)復(fù)雜不平整，且上游來水量一般都較大，給傳統(tǒng)虹吸技術(shù)應(yīng)用于堰塞湖應(yīng)急搶險帶來了巨大挑戰(zhàn)［9］。為研發(fā)適用于堰塞湖復(fù)雜搶險環(huán)境下的新型大流量虹吸排水裝備，本文調(diào)研分析了堰塞湖虹吸裝備研發(fā)的重難點問題，對堰塞湖虹吸裝備開展了系統(tǒng)總體設(shè)計，并在堰塞湖大功率虹吸水流流態(tài)優(yōu)化、虹吸數(shù)字化智能管控等方面得到了突破性研究成果。

1虹吸排水應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題

在各地小型水庫除險加固、防汛搶險中，虹吸排水與傳統(tǒng)的破壩修復(fù)和新建隧洞相比，具有造價低、施工周期短、使用靈活等優(yōu)點，得到了大量應(yīng)用［10-11］，但也普遍存在諸多問題。經(jīng)過對采用虹吸管排水的20多座水庫現(xiàn)場調(diào)研表明，傳統(tǒng)虹吸管現(xiàn)狀應(yīng)用均為小管徑，大管徑虹吸運行難且易斷流，手動充水排氣條件下虹吸形成慢，因水損大、漏氣而無法正常放水或滿管出水運行效率低，末端出水必須依靠增設(shè)淹沒池保證密封效果，持續(xù)可控性差，必須在干旱期施工等。翁友彬研發(fā)的真空虹吸整流裝備有效解決了上述問題，但也存在以下問題：其未實現(xiàn)數(shù)字智能控制與遠程控制，限制了真空虹吸整流裝備在人難以到達的危險場地的使用；關(guān)鍵部件（整流器）對水域環(huán)境的水深和地形要求較高，對復(fù)雜外界邊界條件的適應(yīng)能力差；設(shè)備材質(zhì)重，不同功能的分區(qū)與制造優(yōu)化不夠，導(dǎo)致設(shè)備不能模塊化制造、運輸與安裝，復(fù)雜地形情況下安裝困難。

另外，由于已有的虹吸排水設(shè)施沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，各種虹吸裝置的適用條件缺乏系統(tǒng)研究，導(dǎo)致虹吸管放水裝置設(shè)計生產(chǎn)、施工安裝、運行維護水平參差不齊，使用單位對虹吸管設(shè)施評價褒貶不一。

2堰塞湖大功率虹吸裝備研發(fā)難點

堰塞湖地形及水流場環(huán)境復(fù)雜，水體較渾濁，水頭變化大。通過調(diào)研，確定堰塞湖大功率虹吸裝備研發(fā)主要難點問題如下。

（1） 大功率需求下的大進水口管徑，存在液態(tài)表面張力控制、吸入口及吸入口段管內(nèi)水流流態(tài)問題。進水口設(shè)備淹沒的水深變化大，有的工況埋深很淺，進水口流場紊亂，傳統(tǒng)虹吸及翁友彬改進的進水口設(shè)備不能適應(yīng)堰塞湖復(fù)雜環(huán)境下的漩渦吸氣問題，存在漩渦水流攜裹的氣體及水的汽化導(dǎo)致高負壓條件下高速

流動液態(tài)的氣液相變問題，氣體在管內(nèi)集中，使大流量虹吸難以形成。因此需要研發(fā)適宜堰塞湖復(fù)雜環(huán)境下的大管徑、高速水流狀態(tài)下的虹吸進水口裝備，使進水口的水流進氣少而又流場流態(tài)優(yōu)。

（2） 堰塞湖來水量變化不確定，水頭變化大，水位上漲速度較快，虹吸系統(tǒng)自身具有一定的壓力差調(diào)節(jié)能力，但在堰塞湖高水頭、變水頭流速增大及其他邊界條件不斷發(fā)生變化的情況下，存在失速空化、管體振動危險，如果不及時進行有效的人為干預(yù)，已經(jīng)形成的虹吸流會發(fā)生穩(wěn)態(tài)失衡而斷流。為此，需要研究影響大虹吸持續(xù)穩(wěn)定運行的相關(guān)參數(shù)變量，研發(fā)人為操控的虹吸自糾偏穩(wěn)態(tài)運行的智控設(shè)備。堰塞湖周邊不良地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，潛在危險性大，常規(guī)虹吸的人為現(xiàn)場操控存在很大的人身安全隱患，結(jié)合虹吸智能控制開發(fā)遠程控制模塊實現(xiàn)遠程智能控制很有必要。

（3） 堰塞湖地理位置較偏僻，交通條件差，設(shè)備裝卸困難；堰塞壩體形態(tài)不規(guī)整，表部平整性差，常規(guī)虹吸管道適宜性差，布設(shè)效率低。需要研發(fā)地形適宜性好、模塊化、輕量化、快速組裝的虹吸裝備系統(tǒng)。

3大功率虹吸裝備總體設(shè)計

針對以上傳統(tǒng)虹吸技術(shù)難點問題，結(jié)合堰塞湖應(yīng)急除險應(yīng)用場景，需從以下3個方面開展堰塞湖快速應(yīng)急虹吸泄流技術(shù)裝備研究［12］：基于堰塞湖特殊環(huán)境的虹吸系統(tǒng)水力控制優(yōu)化研究，提高虹吸流量與輸送運行效率；針對高穩(wěn)定性持續(xù)可控虹吸泄流的智能控制研究，提高虹吸形成、穩(wěn)定性與可控性；基于裝備模塊化理念的工業(yè)虹吸系統(tǒng)集成，提高虹吸裝備生產(chǎn)、運輸、安裝效率。

3.1裝備系統(tǒng)設(shè)計

堰塞湖真空虹吸應(yīng)急泄流裝備系統(tǒng)針對堰塞湖復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)急泄流需求，將流體整流、流場控制、真空液氣交換、氣液相變控制、智能監(jiān)測-管控等大虹吸核心技術(shù)應(yīng)用在堰塞湖快速泄流中［13］。裝備包含潛水整流單元、液氣交換單元、智能監(jiān)控單元3個部分，如圖1所示。潛水整流單元是大口徑虹吸的核心裝置，可以消除進水口吸入渦，對流場-流態(tài)進行控制；液氣交換單元，負責虹吸的快速形成；智能監(jiān)控單元，可現(xiàn)場及遠程地實時智能控制管道空化的斷流問題，自動控制虹吸的穩(wěn)定運行。這3個單元各司其責，相輔相成，形成持續(xù)可控、安全可靠的堰塞湖大流量泄流運行模式，研發(fā)的裝備需達到模塊化、輕量化、裝配化、集成化、數(shù)字化、智能化的現(xiàn)實要求，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

3.2虹吸水流流態(tài)優(yōu)化

為優(yōu)化虹吸水流流態(tài)，采用群孔并聯(lián)射流的管道進流方式和設(shè)計理念，保持液態(tài)表面張力與黏性，將流體進行整流、射流，不但使管流形成微負壓高速流動，還均衡了流態(tài)，實現(xiàn)提高流速、消除水錘、降低管壓的多重效果。多孔垂直進流解決了淺淹沒大管徑進水口易出現(xiàn)吸氣漩渦的難題，通過切割渦流，穩(wěn)定流場，弱化邊界層效應(yīng)，降低了淹沒深度。采用Creo軟件進行三維建模，用ICEM-CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，以不同管徑、流量、流速、壓力等為虹吸運行的衡量指標，采用Fluent軟件對虹吸管內(nèi)流場流態(tài)、進出口速度均勻度進行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，進行整流器的內(nèi)流管多孔整流網(wǎng)格布局、頂部匯集收縮角、底部防觸底導(dǎo)流錐等結(jié)構(gòu)參數(shù)的水力學分析和優(yōu)化組合，實現(xiàn)進流口壓力差及流態(tài)最佳優(yōu)化［14-15］，以此提高虹吸對最不利邊界條件的適應(yīng)度。典型截面速度分布見圖3。截面1中，水流剛進入收縮管口，未出現(xiàn)集中過快的流速，屬于平緩期；截面2階段，水流進入流道變窄的喉管，水流速度變大，靠近中心的內(nèi)流管流速明顯高于旁支各管；截面3階段，水流進入到擴散管，流速逐漸下降；截面4階段，水流進入?yún)R集段，速度較為不均勻，出現(xiàn)規(guī)則的紊亂狀態(tài)；截面5階段，水流進入到匯集收縮段，水流速度從壁面到中心均勻分布，高速上升；截面6階段，已將所有水流匯集到虹吸管內(nèi)，管內(nèi)出現(xiàn)了大面積的高速區(qū)且集中在過流截面中心，速度整體較為均勻，水流速度達到最大值，流動狀態(tài)理想且趨于平穩(wěn)。

采用整流技術(shù)后，大管徑虹吸高度允許值由常規(guī)的4～6 m提高到8 m，真空射流虹吸管內(nèi)流態(tài)均勻不紊亂，不摻氣，充盈度高，滿管出流（圖4）［16］，流速突破了一般管流經(jīng)濟流速，最高可達7～9 m/s，管道流態(tài)整體改善，流速梯度優(yōu)化，泄流能力較常規(guī)虹吸管提高20%～40%。

3.3虹吸數(shù)字智能化管控

針對堰塞湖復(fù)雜環(huán)境條件，結(jié)合潛水整流、真空虹吸、引流控制技術(shù)，提出虹吸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏移控制機制，對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分布式管理，實現(xiàn)歷史和實時數(shù)據(jù)的高速讀取和安全備份，為數(shù)據(jù)智能解析算法提供充分可靠的數(shù)據(jù)來源。當數(shù)據(jù)鏈條研判邊界條件將失穩(wěn)時，充分融合虹吸系統(tǒng)機理特性和運行特征參數(shù)（圖5），獲取動態(tài)化工況效率評估信息，依據(jù)算法智能決策系統(tǒng)啟動運行及關(guān)閉條件（圖6），通過自控功能反饋及數(shù)據(jù)聯(lián)動、可視呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合、智能決策，及時通過內(nèi)部算法調(diào)節(jié)控制閥門開度，改變水力損失系數(shù)，使管路系統(tǒng)穩(wěn)定、運行效率回歸到最優(yōu)的穩(wěn)定狀態(tài)，解決失速空化偏離穩(wěn)態(tài)的斷流失穩(wěn)問題。數(shù)字智能化管控單元可迅速診斷故障，對裝備進行防水擊、防空化、抗浮力等綜合系統(tǒng)保護，全方位、全角度、全鏈條賦能虹吸應(yīng)用，實現(xiàn)運管模式創(chuàng)新。鑒于堰塞湖周邊環(huán)境惡劣，存在崩塌、滑坡等不良地質(zhì)災(zāi)害威脅，虹吸裝備智能操控具備遠程操控性能，可最大程度保障搶險人員安全，滿足運管多元化需求。

3.4虹吸裝備工業(yè)模塊化

以快速進場、快捷安裝、穩(wěn)定運行為目標，將大功率虹吸裝備劃分為管閥系統(tǒng)、真空動力設(shè)備系統(tǒng)、自動化控制電氣系統(tǒng)等3個功能模塊。以模塊為單位進行標準化設(shè)計和工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場將不同工業(yè)模塊按標準接口組裝形成虹吸系統(tǒng)。在模塊化同時，對管閥系統(tǒng)開展了輕量化研制，以提升設(shè)備運輸和現(xiàn)場裝配效率。與同等流量的傳統(tǒng)裝備相比，可提高系統(tǒng)組裝效率60%，減少材料成本50%，系統(tǒng)可靠性增強，不同應(yīng)用場景適應(yīng)性更優(yōu)（圖7）。

目前，真空大虹吸已研制出600，800，1 000，1 200 mm四種規(guī)格的虹吸管，在沒有交通道路達到壩頂?shù)恼憬刂菔刑熘滤畮?，現(xiàn)場安裝條件復(fù)雜的湖北省陸水水庫進行了示范應(yīng)用，分別可達到3 500，6 500，10 000，15 000 m3/h以上的泄流能力。較傳統(tǒng)虹吸裝備，新裝備管道流態(tài)整體改善，流速梯度優(yōu)化，管內(nèi)流速最高可達7～9 m/s，泄流能力較常規(guī)虹吸管提高20%～40%。該新型設(shè)備可多管并用，適于來水量小于100 m3/s的堰塞湖應(yīng)急排水或超過該流量的堰塞湖引流沖刷成槽。

4結(jié) 語

針對堰塞湖應(yīng)急搶險需求，引入對裝備控制和運行機制決策研判具有重要意義的數(shù)字孿生理念，針對堰塞湖應(yīng)急搶險的效率要求，通過數(shù)字智能化管控決策技術(shù)以及工業(yè)模塊化設(shè)計制造技術(shù)，完成了虹吸動

力集成、真空液氣交換單元撬裝、智能化控制集成、潛

水整流設(shè)備和管道模塊化，建立了基于工業(yè)標準化、模塊化理念的大功率虹吸裝備制造安裝方案。研發(fā)過程中，有效控制了裝備的質(zhì)量可靠性、運行穩(wěn)定性、經(jīng)濟生態(tài)性、決策科學性，使虹吸技術(shù)逐步向數(shù)字化場景、精準化決策的智能方向發(fā)展，使安裝投放更加快捷高效。

該系統(tǒng)具有快速啟動、泄水量大、運行穩(wěn)定、能耗極低、安裝簡便等優(yōu)點，不僅可以運用到堰塞湖應(yīng)急排水搶險，也可以推廣應(yīng)用到其他的大流量取水-輸排水作業(yè)中，如中小型水庫應(yīng)急泄洪、水庫大壩取水、城市內(nèi)澇排水、海洋潟湖和河湖生態(tài)環(huán)境治理等，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

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（編輯：鄭 毅）