虹吸管设计方法及其在工程中的应用

哈尔滨工业大学流体力学科技论文虹吸管设计方法及其在工程中的应用摘要：虹吸管是利用大气压力而工作的一种压力输水管道，具有施工工艺简单、能跨越高地减少土方开挖、工程维护方便、工程造价较低、不易引起穿越出渗漏破坏等优点。本文简要介绍了虹吸管的原理和设计方法，列举了虹吸管在排水工程和城市取水工程方面的几个典型应用。关键词：虹吸管；真空度；能量方程；设计；排水；城市取水Siphon Design Method and Its Applications in EngineeringAbstract: Siphon is a kind of pressure water pipe that utilize barometric pressure with featured by simple construction technology, decrease earthwork excavation that cross the highland, convenient engineering maintenance, low project cost, and less leakage damage at traversing points. This paper introduces principle and design method of siphon, lists some typical applications of siphon in drainage works and urban water engineering.Keywords: siphon; vacuum degree; energy equation; design; drain; urban water engineering一、 虹吸管的原理虹吸管是一种压力输水管道，一般顶部弯曲，且其高程高于上游供水水面，一旦在虹吸管内形成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，水流即能通过虹吸管最高处引向低处，形成连续的水流。虹吸管顶部的真空值理论上不能大于最大真空度，即10 m水柱高度。实际上，当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的连续性，故一般虹吸管的真空值在78 m之间。虹吸管具有施工工艺简单、能跨越高地、减少土方开挖、工程维护方便、工程造价较低、不易引起穿越处渗漏破坏等优点。二、 虹吸管的设计方法1. 过水能力计算虹吸管一般都采用钢材制作，求通过虹吸管内的流量按短管计算，Q=，其中代表管的横截面，可由已给定圆管直径d求得。为求平均流速，应用能量方程求解。能量方程是对流段上、下游两个过水断面建立的。过水断面应是与水流方向垂直或与流线垂直的断面。因此，根据能量方程建立的条件，断面须选在渐变流中。为了计算方便，基准面一般选在下游水面线上。建立能量方程要全面考虑两断面之间的水头损失，对两个断面上运动要素主要的不能漏掉，微小的可忽略不计，以免增加计算难度。经过以上分析之后，写能量方程，得：H+P1+1122g=0+P2+2222g+hw式中压强水头为0，流速水头可忽略不计，计算水头损失的各个系数均可比较简便地从水利学或水利手册上查表得出。各值求出后，代入能量方程便可求出，从而便可求过流量。也可以反过来求管的直径。2. 虹吸管中最大真空度及压力分布水流一进入虹吸管就出现负压。虹吸管中压强最小(负压最大)的断面位于堤顶最高处的管内，其负压值可写能量方程求得: Z1+P1+1122g=ZB+PB+BB22g+hw。式中PB为堤顶靠近下游侧弯管最高处的负压值;B为管内水在B点的流速，等直径(不变径)流速相同，可取。则虹吸管中造成的最大负压值为:PB=-ZB-22g-i+Lid22g。3. 虹吸管路的设计在要求的流量情况下，可采用经济管径的选择办法选择管径，一般情况，当Q120 m3/h时，管径为d=13Q，当Q120 m3/h时，管径为d=11.5Q。管径以mm计。为使管壁在工作时具有承受负压的稳定性，可根据管径与管壁厚度的比值选取，按一般安全要求d1130。4. 虹吸管设计时应注意的问题虹吸管是靠进出口之间的水位高差驱动水流的。这个水位差一般都比较有限，因此，设计中虹吸管各段连接应力求流畅，弯管圆滑，以减少局部水头损失，也就是说在构造上力求使局部损失系数最小。在满足需要的情况下，管内壁要光洁，弯管圆滑平顺，曲率半径不宜过小，管路总长度也力求短些。虹吸管在负压条件下工作，这就要求管路要具有较高的密封性，不能漏气，为此，一般尽力减少法兰盘连接，特别是处于上部的管段。如果是现场焊管，对焊接缝要严格检验或通过打压试验检测。另一方面，虹吸管内的设计流速一般在1 m/s以上，以使水流具有一定的挟气能力，把挟带在水中的空气带走，不至在管顶部形成“气室”，保持管内水流的连续性，这样可以较长时间工作。要提高虹吸管过水能力，进出水池条件也是很重要的。进水池中的水流应力求通畅、速度较缓而均匀，避免旋涡。出水口也应流畅，使出来的水尽快沿渠流走，不使水位壅高，保持上下游水位差，也就保持了水流的稳定性，保证了过流量。设计中大多数都将虹吸管进出口淹没在进出水池中，以防止进入空气。事实上，根据需要或条件限制出口不淹没在水中也是可以的。三、 虹吸管在工程中的应用1. 虹吸管在排水工程中的应用虹吸排水是一种古老的排水方法。在我国黄河中下游沿岸，部分河岸高出两侧农田的地区，可以利用虹吸管对这些农田进行灌溉和排淤。80年代末，法国运用虹吸排水这一技术来解决边坡地下水位过高的问题，降低了地下水位，稳定了边坡，取得了满意的效果。如代焦(Dijon)附近一条公路由于地下水离路面标高只有2m，造成公路破裂而往下蠕动，影响了公路的正常使用。后来采用虹吸排水方法，使地下水位降低至8m深。边坡蠕动消失，保证了公路路面的稳定。以往排除浅层地下水可以采用渗沟(边坡渗沟，支撑渗沟，截水和引水渗沟等等)排除深层地下水可采用渗水隧洞。但其工程数量大，施工困难，造价高。70年代国外发展水平钻孔排水、大孔径竖井结合水泵抽水等先进技术。这些措施在降低地下水位，提高边坡、滑坡的稳定性方面起着重要作用。但这些工程措施有的需要水平钻机，技术条件要求高，有的需要管理人员定期去井位抽水。上述种种原因限制了这些先进技术在我国的发展和推广。虹吸排水降低边坡、滑坡地下水位的应用技术适宜于我国南方多雨地区的边坡和滑坡病害的整治工作。推广后将具有较高的经济效益。另外，在屋面雨水排水系统中，虹吸屋面排水系统正在获得越来越广泛的应用。特别是在大型、高档的建筑中，其作为密闭的内排水系统与传统的重力流排水系统相比，在技术上、经济上都有明显的优势。屋面雨水排水系统，最早用的是重力流排水系统，即雨水由屋面天沟汇集后经雨水斗下接的立管靠重力自流排出。这种系统管线并不能被水完全充满。水沿立管管壁流下时，一般情况下只占立管断面的一部分，甚至一小部分为水，一部分为空气。可见，如果能将上述的“重力流”变为“满管流”，则立管管径就可以比原来的管径小得多，而且满管流会产生抽吸作用，提高排水速度。虹吸排水系统就是使排水系统在一定的水量下，使系统达到“满管流”状态的系统。对大型屋面可“分区排水”，整个屋面排水系统可由数个子系统组成，每个子系统一个天沟，这样天沟可避开伸缩缝。系统的设计是当天沟内雨水深度达到一定深度时，首先是尾管充满水达到虹吸条件，继而使整个系统产生虹吸，即可使屋面雨水快速排放。因虹吸排水流速很大，要通过消能井再排入市政雨水排水系统。而当雨量较小时，该虹吸系统也只有做为重力流系统使用。这样，虹吸排水系统可用比重力流排水系统小得多的管线排出几十年一遇的暴雨雨水。此外，在相同排水量的情况下，虹吸排水系统所需的斗前水深要小于重力流系统。比如，计算表明排水量为40 L/s时，用直径300 mm的重力流雨水管，其斗前水深需100 mm，而直径100 mm的虹吸雨水管，其斗前水深仅需73 mm，这对屋面的建筑和结构设计都非常有利。虹吸系统所用管径不仅比重力流小，而且可比重力流“少”。图1所示系统，即一个横管，一个立管，可以上接十余个雨水斗，而重力流系统则要多根立管。此外，虹吸系统的横管可以水平安装，而重力流系统其横管必须有不小于0.005的坡度，将使横管末端降低，从而影响使用空间或影响建筑结构处理。虹吸系统的立管因数量少，可利用楼梯间、立柱旁等处敷设，不占用更多的使用空间，横管也可以敷设在非敏感的公共走廊等处。总之，给建筑设计一个有利的条件。图1 屋面虹吸排水系统示意图2. 虹吸管在城市取水工程中的应用1) 工程概况某城市取水工程取水规模为4 x 10 4m3/d，取水水源为水库水。取水水库总库容为6.75 x 10 7m3，水库百年一遇设计洪水位为118.28 m，汛限水位为117.30 m，97%取水保证率水位为95.50 m，死水位为92.50 m，多年平均水位为109.50 m，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、水产养殖等综合利用的中型水库。由于水库的水位变幅非常大，高水位时即使单台水泵运行也将超出水泵电机的变频范围，泵房将超流量运行，非但不经济，同时也给净水厂的运行管理带来了一定的困难。针对此种情况，设计中增设了2条DN500的虹吸管。在水库中低水位时，水库水通过潜水泵提升翻越大坝后重力自流至净水厂；中高水位时，水泵停止运行，通过运行虹吸管将水库水提升后翻越大坝再重力自流至净水厂。通过增设的虹吸管，不仅解决了高水位时水泵超流量问题，同时还减少了水泵的日常运行费用，取得了一定的经济效益。2) 虹吸管的水力计算图2 虹吸管布置示意图虹吸水位的确定。由于本工程中虹吸管的安装高度已经先确定，所以必须通过计算确定能产生虹吸的水库水位。虹吸管最大真空一般发生在管子最高位置，即发生在外坡坝顶弯头前的B断面处，具体分析如下:以水库上游水位为基准面，基准面至坝顶弯管中心线的高差为Zs，对基准断面A及外坡坝顶弯头前B断面列能量方程: 0+PA+1122g=Zs+PB+2222g+（LD+B）222g。式中：1122g取0；2取1；L为从虹吸管进口至B断面的管长；B为虹吸管进口至B断面的局部水头损失系数之和。若要求管内真空值不大于某一值，即（PA-PB）/Hv，式中Hv为允许真空值，取8m。通过计算可得出Zs7.25 m，故虹吸管最高点与上游水面高差应7.25 m，即本工程中水库水位110.8 m时可进行虹吸取水。虹吸管输水能力计算。由于虹吸管长度不长，按短管计算，且管道出口淹没在水面以下，为淹没出流，当不考虑行进流速水头时，可用下式计算流量:Q=ucA2gZ，式中：uc为管道系统的流量系数，经计算为0.3；A为管道断面面积，经计算为0.196 m2；Z为上游水位与下游水位的最小水位差，为1.3 m。通过计算，每根管道的输水能力为0.296 m3/s，每天的输水能力为25574m3/d，能满足工程需要。参考文献1洪庆松.虹吸管在城市取水工程中的应用B.有色冶金设计与研究,2014,35:89-912肖建松,李绍琦,林先环.屋面雨水虹吸排水系统技术与施工要点B.广州建洲,2005,2:14-163张永防,张颖钧.虹吸排水应用技术的研究A.中国铁道科学,1999,20:52-604吴世凯.虹吸管的设计与应用A.东北水利水电,1993:2-45流体力学. 刘鹤年主编. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004