徐 吉，雷中鋒

（1.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000；2.山西萬家寨水控水資源有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

引黃入晉工程聯(lián)接段清徐原水直供輸水管線，主要為清徐縣工業(yè)企業(yè)提供生產(chǎn)用水，陽煤太化公司為最大用水戶，供水設(shè)計保證率為95%。為在工程發(fā)生事故或檢修期間仍能不間斷供水，減少事故損失，于工業(yè)園區(qū)東西范莊村附近設(shè)事故備用調(diào)蓄池。水池容積按企業(yè)7 d用水量考慮，確定該事故備用調(diào)蓄池容積為60萬m3。

擬建調(diào)蓄水池位于清徐縣西范莊西北側(cè)，緊鄰清文路，兩側(cè)部分為耕地，中間為一養(yǎng)殖場，地形平坦，地面高程760.00～760.8 m，采用挖填方式修筑，整平高程為760.40 m。由于近期輸水方式為重力流，為了防止停止供水時管道拉空，輸水線路末端設(shè)控制閥室。調(diào)蓄池設(shè)計為半挖半填平原圍封型，土工膜防滲，設(shè)計壩高為4.60 m，壩頂高程為765.00 m，壩頂寬5.00 m；池底開挖深度約為5.80 m，池底高程為755.60 m；正常蓄水位764.20 m。

2 工程布置

2.1 工程布置

調(diào)蓄池平面布置呈方形，池底的寬為220 m、長為260 m；池頂高程為765 m，池底高程為755.6 m，水位設(shè)計為764.2 m，整個項目結(jié)構(gòu)主要分為進水建筑物、調(diào)蓄池、出水建筑物三大部分。

地面以上采用土料填筑高出地面4.6 m，挖深5.8 m，開挖邊坡1∶3，池底原土開挖后夯實碾壓，壩坡地基采用灌注碎石樁治理液化，樁徑0.6 m，間距1.5 m，地面以上采用土料填筑，壩高4.6 m，迎水面邊坡1∶3.0，背水面邊坡1∶2.5。

為了防止雨水對調(diào)節(jié)水池背水壩坡的沖刷，對調(diào)節(jié)水池背水壩坡高出地面以上部分做防沖護砌，護砌形式為帶孔聯(lián)鎖土工磚加植草護坡。為了滿足池體防滲要求，池底及壩坡迎水面鋪設(shè)一層復合土工膜（二布一膜）進行防滲，鋪設(shè)高度至壩頂高程。迎水面防滲結(jié)構(gòu)層從下至上依次為：二布一膜，200 mm厚中粗砂墊，200 mm厚碎石過渡層；表層鋪設(shè)一層厚150mm的預制混凝土自錨塊。池底防滲結(jié)構(gòu)層從下至上依次為：300 mm砂墊層；二布一膜，500 mm厚土層；表層鋪設(shè)一層厚150 mm預制混凝土自錨塊。

2.2 進水管布置

調(diào)蓄池供水管接太化供水支線，通過主管線的水流入調(diào)節(jié)閥室；閥室內(nèi)由調(diào)壓調(diào)流閥、伸縮節(jié)、DN 1 200 mm鋼管組成，閥室結(jié)構(gòu)為12 m×12 m，管底高程為756.37 m；水流通過調(diào)壓調(diào)流閥后，經(jīng)變徑管進入壩下穿管；蓄水池壩下穿管位于調(diào)蓄池東南方向，上接調(diào)節(jié)閥室調(diào)節(jié)閥及鋼管進水管，鋼管用鎮(zhèn)墩包封，中間為穿管；壩下穿管結(jié)構(gòu)為鋼管外包混凝土，鋼管長37 m，直徑DN1 600 mm，底高程為756.17 m，斜邊斷面為1∶0.3（壩下穿管結(jié)構(gòu)見圖1）；水流穿過壩下穿管后，通過下坡進入消力段，緩慢漫入調(diào)蓄池內(nèi)的消力池，末端消力池為混凝土澆筑結(jié)構(gòu)。

圖1 壩下穿管示意圖

為了消除富余能量，防止對池底沖刷的破壞，在進水管處布置C25鋼筋混凝土消力池，底高程為753.80 m，尺寸為15.0 m×4.5 m×3.0 m（長×寬×高），側(cè)墻、底板厚均為50 cm，底板下鋪設(shè)C15混凝土墊層，厚10 cm。進水管采用鋼管，管徑1.6 m，管中心線高程757.07 m，管外包厚50 cm的C25混凝土，下部鋪設(shè)厚度10 cm的C15混凝土墊層。

3 蓄水池壩下穿管空蝕問題分析

蓄水池壩下穿管有壓過流空蝕，主要包括水躍現(xiàn)象、過流問題以及材料抗空蝕性能較弱三個方面。

3.1 水躍現(xiàn)象

水躍為一種局部不穩(wěn)定流現(xiàn)象，出現(xiàn)水躍會引起水流中的氣核聚集后結(jié)團在低壓區(qū)域，之后會在高壓區(qū)域泯滅，從而引發(fā)空化、空蝕問題，造成管道壁侵蝕。尤其是躍尾斷面與管頂觸及的有壓水躍，會呈現(xiàn)水躍前的不穩(wěn)定斷面遷移，以及躍尾斷面壓力強烈的脈動現(xiàn)象，令水流水躍的紊動持續(xù)加強，導致破壞能力大大增加。

由于蓄水池壩下穿管設(shè)計，存在調(diào)節(jié)閥后以及變徑管等處的多種過流狀況，設(shè)計并未對多種過流狀況下引發(fā)水躍現(xiàn)象的問題引起足夠重視并采取相應(yīng)對策。所以未能最大程度地規(guī)避管道內(nèi)出現(xiàn)水躍現(xiàn)象的情況，水躍問題將影響管道工程的使用壽命以及供水安全。

3.2 過流問題

蓄水池壩下穿管進出口使用突變式形體同穿管相連，容易產(chǎn)生負壓，進而出現(xiàn)空化、空蝕現(xiàn)象；壩下穿管過流壁面不平整，很易降低管道過流能力，在高速水流下出現(xiàn)明顯的空蝕侵害。

設(shè)計蓄水池壩下穿管，管道的連接部分以及內(nèi)壁的狀態(tài)沒有采用漸變式的流線型形體進行連接，內(nèi)壁呈現(xiàn)出不平滑的狀態(tài)。另外在施工作業(yè)過程中，操作不規(guī)范等，也會造成管道結(jié)構(gòu)抵抗空蝕的侵害能力降低。

3.3 材料抗空蝕性能較弱

蓄水池壩下穿管被空蝕破壞問題的出現(xiàn)還與其材料的抗空蝕性能有關(guān)，其材料的抗空蝕性能較弱，就容易受到空蝕侵害，因此加強壩下穿管材料的抗空蝕性能非常重要。

本工程管線為鋼管+混凝土包封，這種設(shè)計將鋼管與混凝土兩種材料的優(yōu)勢有效地結(jié)合起來，具有比較好的抗壓及抗腐蝕能力。但由于管道銜接以及水流等方面引起的空化因素共同作用，也會出現(xiàn)空蝕問題，應(yīng)選擇使用更具抗空蝕優(yōu)勢的管材。

4 蓄水池壩下穿管的防空蝕措施

4.1 合理設(shè)計穿管結(jié)構(gòu)

加強蓄水池壩下穿管結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)充分考慮各種空化因素，規(guī)避水流不流暢狀況，使輸水線路在各種過流條件下，管道內(nèi)部不會產(chǎn)生水躍現(xiàn)象。

調(diào)整蓄水池壩下穿管的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在進水口段設(shè)調(diào)節(jié)閥以控制管內(nèi)水流；確保管道連接處平整順滑，消除管道內(nèi)部水躍現(xiàn)象；在壩下穿管末端設(shè)置消力池，

4.2 施工作業(yè)避免過流問題

加強規(guī)范施工，提升自身抵抗空蝕侵害能力。蓄水池壩下穿管的管道連接部分以及內(nèi)壁的狀態(tài)，可以通過使用漸變流線型管道完成連接，確保內(nèi)壁平滑。施工作業(yè)要保障內(nèi)壁平整以及管道形體合理，提升管道自身抵抗空蝕侵害的能力。

此外，應(yīng)該合理計算并擬定蓄水池壩下穿管的有壓水躍，留出通氣管的通氣面積以及通氣量的安全裕度。計算出庫流量及水位對應(yīng)的開度曲線，運用技術(shù)手段采取控流措施，指導水流調(diào)度、運行、管理，保障壩下穿管運行安全。

4.3 選用抗空蝕性能強的材料

根據(jù)鋼管+混凝土包封管道的局限性，采取設(shè)計、銜接以及水流等綜合措施，避免出現(xiàn)空蝕問題。加強壩下穿管材料抗空蝕的性能，延長管道使用壽命，提高管道安全運行水平。

采用具有抗空蝕優(yōu)勢材料，在包封的混凝土周邊置換成高塑性土。高塑性圍封土內(nèi)摻入比較多的粘土，是一種柔性材料，具有低彈模、低強度以及大應(yīng)變等特性，能夠與其他材料相適應(yīng)，具備非常好的防滲、防腐性能和良好的抗空蝕效果，也可以起到較好的裝飾及保光作用。在內(nèi)河及沿海輸送管道等鋼結(jié)構(gòu)的抗空蝕保護方面，具有獨特的防腐修復優(yōu)勢。

5 結(jié)論

空蝕是空化的后果，但并非所有空化都造成材料的損壞，只有不穩(wěn)定的空化，如不定常流動中出現(xiàn)的空化或封閉空泡的尾端，才會引起空蝕，因此空蝕往往出現(xiàn)在物體的局部區(qū)域?？瘴g的機理與材料受固體微?；蛞旱螞_擊而損壞是不同的，為消除和減輕空蝕損壞，運動部件應(yīng)在盡可能穩(wěn)定的條件下運轉(zhuǎn)。有效的辦法是在可能發(fā)生空蝕的部位涂上或包上彈性強的材料，或注入氣體以吸收空泡潰滅所輻射的能量，也可用化學防腐方法來減輕空蝕過程的腐蝕作用。為防止蓄水池壩下穿管空蝕現(xiàn)象的發(fā)生，除了防空蝕水力設(shè)計外，還應(yīng)進行相關(guān)的水工試驗，論證工程布置與水力設(shè)計的合理性。