堰塞湖应急抢险大功率虹吸技术及装备研发

翁怡萌 蔡耀军 王小波

摘要：为了满足堰塞湖应急抢险对大流量虹吸装备研发制造的需求，首先分析了堰塞湖应急抢险大功率虹吸技术装备的应用场景与研发难点，对装备系统进行了针对性总体设计，介绍了设计中采用的水力流场流态优化、数字智能化调控、工业模块化装配等关键技术。该装备包含潜水整流单元、液气交换单元、智能监控单元三部分。其中整流单元采用群孔并联射流的管道进流方式，智能监控单元采取数据分布式管理，为系统的稳态运行提供数据支撑。该新装备具有运行稳定、泄水量大、安装简便、启动快速等优点，泄流能力可达3 500～15 000 m3/h，不仅可以用于堰塞湖应急排水抢险，也可以用于其他领域的大流量输排水作业。

关键词：堰塞湖； 虹吸应急泄流； 水力优化； 智能化调控； 输排水

中图法分类号： TV62

文献标志码： 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，堰塞体结构十分不均，多数情况下级配宽泛且不连续［1］，随着上游持续来水和湖水位升高，会发生漫顶冲刷而易溃决，给下游沿江基础设施、城乡居民、自然生态带来严重灾害。堰塞湖灾损与湖水位、蓄水量关系密切，因此，堰塞湖一旦形成，如何尽快打通湖水下泄通道，实现湖水尽快下泄，延缓水位上涨速度为工程抢险争取时间，就成为高危堰塞湖应急抢险的关键［2-3］。开挖引流槽是堰塞湖疏通排水最常用的方法，由于堰塞湖抢险可利用窗口期短，引流槽开挖效率、堰塞湖过流前能够开挖的深度直接影响抢险降危效果，因此在以往的抢险实践中，多次采用水泵抽排水延缓或控制水位上涨，也尝试采用水泵抽水来冲刷成槽［4］。现有可用于应急抢险的水泵功率小，流量一般小于0.5 m3/s，水泵排水仅适用于上游来水量小的堰塞湖，如2009年重庆武隆鸡尾山崩塌堰塞湖，在先期采用6台小型水泵应急排水基础上，后期安装3台排水能力0.17 m3/s的大型水泵控制了水位上涨［4］；2000年西藏易贡堰塞湖、2008年唐家山堰塞湖抢险过程中，曾尝试采用水泵抽水冲刷形成引流槽，但均因流量过小，不能形成稳定的水流而宣告失败。

虹吸技术装备是通过虹吸管两端的水头差，利用重力流使水流从水头高的一端流向水头低的一端。1973年，Hughes通过试验证明虹吸是重力流，水体在虹吸顶部很容易被拉断、出现气泡并产生水柱断裂而破坏流动的连续性［5］。在真空射流虹吸应用以前，虹吸应用以管径300 mm的小管径虹吸为主，1990年翁友彬发明了管径600～1 500 mm的虹吸整流射流器［6］，并用于水庫放水泄洪［7］。采用整流技术的大直径真空虹吸排水装备为堰塞湖应急排水和冲刷成槽提供了可能［8］，管径0.6～1.0 m时虹吸流量可以达到3～8 m3/s。根据野外冲刷试验［4］，该级别流量可以在1∶2.5～1∶3.5坡比的斜坡上冲刷起动10 cm左右的碎块石，并形成稳定的水石流。

堰塞湖水位上涨快，水头变动大，堰塞坝体形态复杂不平整，且上游来水量一般都较大，给传统虹吸技术应用于堰塞湖应急抢险带来了巨大挑战［9］。为研发适用于堰塞湖复杂抢险环境下的新型大流量虹吸排水装备，本文调研分析了堰塞湖虹吸装备研发的重难点问题，对堰塞湖虹吸装备开展了系统总体设计，并在堰塞湖大功率虹吸水流流态优化、虹吸数字化智能管控等方面得到了突破性研究成果。

1虹吸排水应用现状及存在的问题

在各地小型水库除险加固、防汛抢险中，虹吸排水与传统的破坝修复和新建隧洞相比，具有造价低、施工周期短、使用灵活等优点，得到了大量应用［10-11］，但也普遍存在诸多问题。经过对采用虹吸管排水的20多座水库现场调研表明，传统虹吸管现状应用均为小管径，大管径虹吸运行难且易断流，手动充水排气条件下虹吸形成慢，因水损大、漏气而无法正常放水或满管出水运行效率低，末端出水必须依靠增设淹没池保证密封效果，持续可控性差，必须在干旱期施工等。翁友彬研发的真空虹吸整流装备有效解决了上述问题，但也存在以下问题：其未实现数字智能控制与远程控制，限制了真空虹吸整流装备在人难以到达的危险场地的使用；关键部件（整流器）对水域环境的水深和地形要求较高，对复杂外界边界条件的适应能力差；设备材质重，不同功能的分区与制造优化不够，导致设备不能模块化制造、运输与安装，复杂地形情况下安装困难。

另外，由于已有的虹吸排水设施没有统一的行业标准，各种虹吸装置的适用条件缺乏系统研究，导致虹吸管放水装置设计生产、施工安装、运行维护水平参差不齐，使用单位对虹吸管设施评价褒贬不一。

2堰塞湖大功率虹吸装备研发难点

堰塞湖地形及水流场环境复杂，水体较浑浊，水头变化大。通过调研，确定堰塞湖大功率虹吸装备研发主要难点问题如下。

（1） 大功率需求下的大进水口管径，存在液态表面张力控制、吸入口及吸入口段管内水流流态问题。进水口设备淹没的水深变化大，有的工况埋深很浅，进水口流场紊乱，传统虹吸及翁友彬改进的进水口设备不能适应堰塞湖复杂环境下的漩涡吸气问题，存在漩涡水流携裹的气体及水的汽化导致高负压条件下高速

流动液态的气液相变问题，气体在管内集中，使大流量虹吸难以形成。因此需要研发适宜堰塞湖复杂环境下的大管径、高速水流状态下的虹吸进水口装备，使进水口的水流进气少而又流场流态优。

（2） 堰塞湖来水量变化不确定，水头变化大，水位上涨速度较快，虹吸系统自身具有一定的压力差调节能力，但在堰塞湖高水头、变水头流速增大及其他边界条件不断发生变化的情况下，存在失速空化、管体振动危险，如果不及时进行有效的人为干预，已经形成的虹吸流会发生稳态失衡而断流。为此，需要研究影响大虹吸持续稳定运行的相关参数变量，研发人为操控的虹吸自纠偏稳态运行的智控设备。堰塞湖周边不良地质灾害较发育，潜在危险性大，常规虹吸的人为现场操控存在很大的人身安全隐患，结合虹吸智能控制开发远程控制模块实现远程智能控制很有必要。

（3） 堰塞湖地理位置较偏僻，交通条件差，设备装卸困难；堰塞坝体形态不规整，表部平整性差，常规虹吸管道适宜性差，布设效率低。需要研发地形适宜性好、模块化、轻量化、快速组装的虹吸装备系统。

3大功率虹吸装备总体设计

针对以上传统虹吸技术难点问题，结合堰塞湖应急除险应用场景，需从以下3个方面开展堰塞湖快速应急虹吸泄流技术装备研究［12］：基于堰塞湖特殊环境的虹吸系统水力控制优化研究，提高虹吸流量与输送运行效率；针对高稳定性持续可控虹吸泄流的智能控制研究，提高虹吸形成、稳定性与可控性；基于装备模块化理念的工业虹吸系统集成，提高虹吸装备生产、运输、安装效率。

3.1装备系统设计

堰塞湖真空虹吸应急泄流装备系统针对堰塞湖复杂环境下的应急泄流需求，将流体整流、流场控制、真空液气交换、气液相变控制、智能监测-管控等大虹吸核心技术应用在堰塞湖快速泄流中［13］。装备包含潜水整流单元、液气交换单元、智能监控单元3个部分，如图1所示。潜水整流单元是大口径虹吸的核心装置，可以消除进水口吸入涡，对流场-流态进行控制；液气交换单元，负责虹吸的快速形成；智能监控单元，可现场及远程地实时智能控制管道空化的断流问题，自动控制虹吸的稳定运行。这3个单元各司其责，相辅相成，形成持续可控、安全可靠的堰塞湖大流量泄流运行模式，研发的装备需达到模块化、轻量化、装配化、集成化、数字化、智能化的现实要求，系统的技术架构如图2所示。

3.2虹吸水流流态优化

为优化虹吸水流流态，采用群孔并联射流的管道进流方式和设计理念，保持液态表面张力与黏性，将流体进行整流、射流，不但使管流形成微负压高速流动，还均衡了流态，实现提高流速、消除水锤、降低管压的多重效果。多孔垂直进流解决了浅淹没大管径进水口易出现吸气漩涡的难题，通过切割涡流，稳定流场，弱化边界层效应，降低了淹没深度。采用Creo软件进行三维建模，用ICEM-CFD软件进行网格划分，以不同管径、流量、流速、压力等为虹吸运行的衡量指标，采用Fluent软件对虹吸管内流场流态、进出口速度均匀度进行数值模拟。根据模拟结果，进行整流器的内流管多孔整流网格布局、顶部汇集收缩角、底部防触底导流锥等结构参数的水力学分析和优化组合，实现进流口压力差及流态最佳优化［14-15］，以此提高虹吸对最不利边界条件的适应度。典型截面速度分布见图3。截面1中，水流刚进入收缩管口，未出现集中过快的流速，属于平缓期；截面2阶段，水流进入流道变窄的喉管，水流速度变大，靠近中心的内流管流速明显高于旁支各管；截面3阶段，水流进入到扩散管，流速逐渐下降；截面4阶段，水流进入汇集段，速度较为不均匀，出现规则的紊乱状态；截面5阶段，水流进入到汇集收缩段，水流速度从壁面到中心均匀分布，高速上升；截面6阶段，已将所有水流汇集到虹吸管内，管内出现了大面积的高速区且集中在过流截面中心，速度整体较为均匀，水流速度达到最大值，流动状态理想且趋于平稳。

采用整流技术后，大管径虹吸高度允许值由常规的4～6 m提高到8 m，真空射流虹吸管内流态均匀不紊乱，不掺气，充盈度高，满管出流（图4）［16］，流速突破了一般管流经济流速，最高可达7～9 m/s，管道流态整体改善，流速梯度优化，泄流能力较常规虹吸管提高20%～40%。

3.3虹吸数字智能化管控

针对堰塞湖复杂环境条件，结合潜水整流、真空虹吸、引流控制技术，提出虹吸系统稳态偏移控制机制，对系统运行数据进行分布式管理，实现历史和实时数据的高速读取和安全备份，为数据智能解析算法提供充分可靠的数据来源。当数据链条研判边界条件将失稳时，充分融合虹吸系统机理特性和运行特征参数（图5），获取动态化工况效率评估信息，依据算法智能决策系统启动运行及关闭条件（图6），通过自控功能反馈及数据联动、可视呈现、数据融合、智能决策，及时通过内部算法调节控制阀门开度，改变水力损失系数，使管路系统稳定、运行效率回归到最优的稳定状态，解决失速空化偏离稳态的断流失稳问题。数字智能化管控单元可迅速诊断故障，对装备进行防水击、防空化、抗浮力等综合系统保护，全方位、全角度、全链条赋能虹吸应用，实现运管模式创新。鉴于堰塞湖周边环境恶劣，存在崩塌、滑坡等不良地质灾害威胁，虹吸装备智能操控具备远程操控性能，可最大程度保障抢险人员安全，满足运管多元化需求。

3.4虹吸装备工业模块化

以快速进场、快捷安装、稳定运行为目标，将大功率虹吸装备划分为管阀系统、真空动力设备系统、自动化控制电气系统等3个功能模块。以模块为单位进行标准化设计和工厂化生产，现场将不同工业模块按标准接口组装形成虹吸系统。在模块化同时，对管阀系统开展了轻量化研制，以提升设备运输和现场装配效率。与同等流量的传统装备相比，可提高系统组装效率60%，减少材料成本50%，系统可靠性增强，不同应用场景适应性更优（图7）。

目前，真空大虹吸已研制出600，800，1 000，1 200 mm四种规格的虹吸管，在没有交通道路达到坝顶的浙江省温州市天柱寺水库，现场安装条件复杂的湖北省陆水水库进行了示范应用，分别可达到3 500，6 500，10 000，15 000 m3/h以上的泄流能力。较传统虹吸装备，新装备管道流态整体改善，流速梯度优化，管内流速最高可达7～9 m/s，泄流能力较常规虹吸管提高20%～40%。该新型设备可多管并用，适于来水量小于100 m3/s的堰塞湖应急排水或超过该流量的堰塞湖引流冲刷成槽。

4结 语

针对堰塞湖应急抢险需求，引入对装备控制和运行机制决策研判具有重要意义的数字孪生理念，针对堰塞湖应急抢险的效率要求，通过数字智能化管控决策技术以及工业模块化设计制造技术，完成了虹吸动

力集成、真空液气交换单元撬装、智能化控制集成、潜

水整流设备和管道模块化，建立了基于工业标准化、模块化理念的大功率虹吸装备制造安装方案。研发过程中，有效控制了装备的质量可靠性、运行稳定性、经济生态性、决策科学性，使虹吸技術逐步向数字化场景、精准化决策的智能方向发展，使安装投放更加快捷高效。

该系统具有快速启动、泄水量大、运行稳定、能耗极低、安装简便等优点，不仅可以运用到堰塞湖应急排水抢险，也可以推广应用到其他的大流量取水-输排水作业中，如中小型水库应急泄洪、水库大坝取水、城市内涝排水、海洋潟湖和河湖生态环境治理等，具有显著的社会经济效益。

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（编辑：郑 毅）