曾 宇，孫國政，馮國強(qiáng)，戚高晟，劉 帥，黃 凱，周建芬

（1.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.諸暨市水利局，浙江 諸暨 311800；3.湖州市南潯區(qū)千金鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，浙江 湖州 313016）

太陽能動力虹吸管在小型水利工程中的應(yīng)用

曾 宇1，孫國政2，馮國強(qiáng)3，戚高晟1，劉 帥1，黃 凱1，周建芬1

（1.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.諸暨市水利局，浙江 諸暨 311800；3.湖州市南潯區(qū)千金鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，浙江 湖州 313016）

研發(fā)太陽能發(fā)電裝置，為小型水庫虹吸管運(yùn)行維護(hù)提供動力支持。該系統(tǒng)主要由太陽能發(fā)電裝置、潛水泵、虹吸管、控制閥、逆止閥等組件構(gòu)成。通過優(yōu)化配置，降低偏遠(yuǎn)地區(qū)小型水利工程取水工程建設(shè)成本。針對取水工程運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制裝置并提供技術(shù)參數(shù)匹配表，改進(jìn)虹吸管關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)，為工程應(yīng)用提供理論和應(yīng)用參數(shù)。

太陽能發(fā)電；虹吸管；參數(shù)匹配；組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 問題的提出

我國水資源存在時(shí)空分布不均、開發(fā)利用難度較大的問題。山區(qū)丘陵地區(qū)的水資源的開發(fā)利用問題更加突出，實(shí)現(xiàn)水資源合理配置，緩解山區(qū)丘陵地區(qū)人民的用水緊張任務(wù)十分艱巨。虹吸管作為簡便高效的水庫山塘輸水設(shè)施，由于具有工程量少、施工方便、節(jié)約勞動力及造價(jià)低、可以工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在我國農(nóng)田水利建設(shè)中，修建了大量虹吸管，對建設(shè)旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田及供應(yīng)城市工業(yè)和生活用水都起了一定作用[1]。在山區(qū)，由于水頭充裕，虹吸管特別受歡迎。

目前山區(qū)水庫山塘供電設(shè)施不健全，存在部分工程不通電或通電而夏季用電高峰階段停電斷電等情況，導(dǎo)致電機(jī)無法為虹吸管補(bǔ)水提供動力，在一定程度上制約了虹吸管的應(yīng)用。山區(qū)丘陵道路地勢復(fù)雜多樣，架設(shè)電纜成本高，制約了虹吸管在山區(qū)丘陵水庫山塘工程中的廣泛應(yīng)用[2]。

針對上述問題，本項(xiàng)目研發(fā)和改進(jìn)虹吸管裝置，應(yīng)用清潔可再生能源—太陽能發(fā)電為虹吸管運(yùn)行提供動力，改進(jìn)關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)，改善虹吸管的密封性能，保證虹吸管高效可靠運(yùn)行。解決了虹吸管在水庫山塘中的推廣應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)難題，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究背景

虹吸管是一種壓力輸水管道，一般頂部彎曲且其高程高于上游供水水面，由于虹吸管內(nèi)的真空，在上游水面的大氣壓強(qiáng)和虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)之間產(chǎn)生壓差，利用虹吸原理使水流通過虹吸管最高處，跨過壩頂引向下游低處，達(dá)到正常供水的目的[3]。汛期來臨前放空水庫蓄水，利于工程安全檢修和安全度汛。

工程應(yīng)用中，虹吸管的優(yōu)點(diǎn)：①利用虹吸管內(nèi)壓力差使蓄水跨越壩頂，避免或減少埋設(shè)輸水涵管對土石壩的大開挖，避免建設(shè)壩下涵管形成的滲漏隱患；②水庫山塘建設(shè)配置太陽能發(fā)電裝置的虹吸管成本較低，只有壩下涵管建設(shè)費(fèi)用的50%左右。缺點(diǎn)有：①虹吸管運(yùn)行需要動力支持；②虹吸管運(yùn)行過程中存在漏氣現(xiàn)象，管內(nèi)真空度降低影響虹吸管工作，解決了補(bǔ)水問題才可以保證其正常運(yùn)行。只有解決了上述2個(gè)缺點(diǎn)，即為虹吸管運(yùn)行提供便捷可靠的動力，保持虹吸管真空狀態(tài)，減少漏氣，才能更加充分的發(fā)揮虹吸管的優(yōu)點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 設(shè)計(jì)思路

虹吸的實(shí)質(zhì)是：在重力作用下,管內(nèi)最高點(diǎn)液體往低位管口處移動，在U型管內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，使高位管口的液體被吸進(jìn)最高點(diǎn)，從而使液體源源不斷地流入低位置容器[4]。

水庫山塘虹吸管運(yùn)行需借助動力促使管道進(jìn)入虹吸狀態(tài)，本設(shè)計(jì)采用太陽能發(fā)電裝置，解決水庫山塘虹吸管補(bǔ)水動力問題。對于某些供電難的水庫山塘，該太陽能發(fā)電裝置便捷的解決了虹吸管運(yùn)行動力問題。該裝置建成后運(yùn)行維護(hù)簡單，便于村民使用管護(hù)。本設(shè)計(jì)利用清潔能源，采用太陽能驅(qū)動潛水泵為集水箱與虹吸管補(bǔ)水，降耗節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展，不會有二次污染。

虹吸管駝峰處管頂高程宜與水庫山塘正常蓄水位相同，利于虹吸管進(jìn)入虹吸狀態(tài)。在虹吸管頂部設(shè)置集水箱和排氣閥，少量漏氣情況下，可利用集水箱的蓄水為虹吸管補(bǔ)水排氣，使得虹吸管全斷面滿水，達(dá)到正常運(yùn)行的條件，避免每次補(bǔ)水都需要啟用潛水泵抽水，使虹吸管的使用更加方便。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，本系統(tǒng)主要組件為輸水管道、太陽能發(fā)電裝置、逆止閥、集水箱、控制閥等，其系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 太陽能發(fā)電虹吸管系統(tǒng)布置圖

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 確定進(jìn)出水口水位差值H

充分利用進(jìn)出水口水位差，盡量減小管徑，一般按庫內(nèi)最低水位和放水渠道水面高差確定[5]。

3.2.2 虹吸管的泄流量計(jì)算

式中：Q為過水流量，m3/s；d為圓管內(nèi)徑，m；λ為沿程損失系數(shù)；ξ為局部損失系數(shù)；z為虹吸管上下游水位差，m；g為重力加速度，m/s2；L為虹吸管長度，m[6]。

3.2.3 充水設(shè)備的選擇

根據(jù)虹吸管容積，計(jì)算潛水泵的流量，從而確定充水泵型號規(guī)格，一般均有定型產(chǎn)品，能滿足在短時(shí)間內(nèi)（約30 min）將管道充滿即可[5]。

在設(shè)計(jì)中需要包括彎頭損失，而在下游管段部分位能轉(zhuǎn)換成壓能，壓強(qiáng)沿程增加，所以需計(jì)算最高管段末端轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的真空度[6]。

為保證安全一般將該值控制在7 m以內(nèi)。

式中：hν為虹吸管的真空值，Pa；Zs為管道最高點(diǎn)的安裝高度，m；L2為最高點(diǎn)至進(jìn)口的管長，m；Σξ為最高點(diǎn)至進(jìn)口的管線局部阻力系數(shù)和；L為虹吸管的總長度，m；V2為管道流速（V = Q/A），m/s。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 管道材料的選擇

常用的材料一般為鋼管，可采用鍍鋅防銹防腐處理，然后明鋪或暗敷，這樣可以避免腐蝕，增強(qiáng)耐久性。但鋼管存在自重大、運(yùn)輸施工不便、安裝難度大等缺點(diǎn)。

近幾年來，許多新型管材得到了廣泛應(yīng)用，如塑料管（PE、UPVC管等）[7]。其主要優(yōu)點(diǎn)有：管道內(nèi)壁光滑、阻力系數(shù)小、耐腐蝕性好、水力性能好、不易積垢。材質(zhì)輕，運(yùn)輸安裝方便靈活，維修簡捷容易。但是為了增強(qiáng)塑料管材的耐久性常常需采用暗敷。

3.3.2 虹吸吸管的部分組件

干線公路項(xiàng)目施工過程中的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)管理問題探析………………………………………………………… 李梅（4-229）

進(jìn)水口：進(jìn)口設(shè)置喇叭形進(jìn)水口，這樣可以改善水流條件；同時(shí)進(jìn)口處需設(shè)置攔污設(shè)施，防止水流夾帶水草、雜質(zhì)進(jìn)入管道；進(jìn)口還需安裝逆止閥，便于虹吸管充水形成真空，避免虹吸管內(nèi)的水倒流回水庫。

管最高點(diǎn)：位于虹吸管最高點(diǎn)的集水箱灌水充滿整個(gè)管段，達(dá)到排除空氣、形成真空、產(chǎn)生虹吸的目的。在管段最高點(diǎn)設(shè)置充水控制閥。充水排氣完畢，關(guān)閉充水控制閥即可。

管出口：需設(shè)置出水控制閥，便于充水和放水。

3.3.3 虹吸管組件改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)水庫山塘虹吸管設(shè)計(jì)存在諸多問題，本項(xiàng)目在理論分析實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上對虹吸管的組件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，虹吸管關(guān)鍵組件原狀與改進(jìn)設(shè)計(jì)對比見表1。

表1 虹吸管關(guān)鍵組件原狀與改進(jìn)設(shè)計(jì)對比表

3.4 太陽能發(fā)電虹吸管系統(tǒng)組件

太陽能發(fā)電虹吸管系統(tǒng)組件配置見表2。太陽能發(fā)電虹吸管系統(tǒng)壩頂主要組件布置見圖2。

表2 太陽能發(fā)電虹吸管系統(tǒng)組件配置表

圖2 太陽能發(fā)電虹吸管系統(tǒng)壩頂主要組件布置圖

4 太陽能動力虹吸管的運(yùn)用注意事項(xiàng)

4.1 虹吸管在小型水庫輸水涵管改造中的應(yīng)用

小型水庫通常采用壩下涵管輸水，出現(xiàn)問題后需要對壩體進(jìn)行大開挖，埋涵管后進(jìn)行土方回填，這樣不但工期長投資大，而且施工質(zhì)量控制不當(dāng)會造成壩體不均勻沉降。采用虹吸管輸水則可以避免這些問題。太陽能動力虹吸管技術(shù)相比傳統(tǒng)的虹吸管技術(shù)具有造價(jià)低、施工期短、使用靈活、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，而且維修方便。

4.2 注意事項(xiàng)

（1）虹吸管進(jìn)水口與管頂?shù)陌惭b高度需要考慮足夠真空度余量，一般控制在7 m 以下的安裝高度差，同時(shí)進(jìn)水口高于下游出水口1 m以上[7]。

（2）安裝太陽能動力虹吸管需要注意對電路的保護(hù)，隨著太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)的進(jìn)步，該應(yīng)用將愈來愈廣。安裝時(shí)注意保持管道的氣密性，連接處施工需謹(jǐn)慎，要選擇有專業(yè)資質(zhì)的施工隊(duì)伍。監(jiān)理旁站監(jiān)督，各種閥門無漏氣，并做強(qiáng)度檢測和嚴(yán)密性試驗(yàn)，保持管道的真空度。

（3）日常運(yùn)行需安排專人定期檢查太陽能動力虹吸管，及時(shí)為虹吸管設(shè)施補(bǔ)水，避免虹吸管真空狀態(tài)被破壞。

5 結(jié) 語

配置太陽能裝置的虹吸管系統(tǒng)解決了偏遠(yuǎn)山區(qū)虹吸管運(yùn)行動力問題，做到因地制宜，合理布置。本系統(tǒng)的造價(jià)遠(yuǎn)低于偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的成本，并且單次補(bǔ)水費(fèi)用耗能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有補(bǔ)水技術(shù)。本系統(tǒng)大大降低了生產(chǎn)、運(yùn)行以及維護(hù)成本。

浙江省多個(gè)縣市區(qū)開展小型農(nóng)田水利建設(shè)，經(jīng)調(diào)研，由于工程地質(zhì)、工程造價(jià)、施工難度等原因，虹吸管引水技術(shù)在山塘水庫輸水中適應(yīng)性良好。本新型虹吸管系統(tǒng)解決了虹吸管運(yùn)行動力問題，改進(jìn)了關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)虹吸管運(yùn)行動力難題，提高了虹吸管的工程適用性。本系統(tǒng)在浙江省湖州市小型水利工程虹吸管輸水設(shè)施改造工程中實(shí)驗(yàn)效果良好。綜上所述，本系統(tǒng)適用性良好，應(yīng)用前景廣。

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Application of Solar Power Siphon in Intake Engineering ZENG Yu1，SUN Guo - zheng2，QI Gao - sheng1，LIU Shuai1，

HUANG Kai1，ZHOU Jian - fen1
(1. Institute of Hydraulic & Environmental Engineering，Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，Zhejiang，China；2. Zhuji Water Conservancy Bureau，Zhuji 311800，Zhejiang，China；3. Agricultural Service Center，Qianjin Town，Nanxun District，Huzhou，Huzhou 313016，Zhejiang，China)

This paper studied the system of solar power equipment to support the operation and maintenance of small reservoir siphon.The system consists of solar power installation，submersible pump，siphon，control valve，check valves and other components.By optimizing confi guration，the costs of intake engineering in remote areas were reduced. In view of the characteristics of the intake engineering，the authors designed control device and provided the technical parameter matching table.By improving key components，the authors provided the theoretical and experimental basis for engineering application.

solar power system；siphon；technical parameter match；optimization of key components

TV22

A

1008 - 701X(2017)02 - 0046 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.013

2016-12-20

浙江省自然科學(xué)基金計(jì)劃（Y15E090011）。

曾 宇(1995 - )，男，本科在讀，主要從事水利水電工程結(jié)構(gòu)研究。E - mail：422752381@qq.com

周建芬，E - mail：52707079@qq.com