虹吸管設(shè)計方法及其在工程中應(yīng)用

-.z虹吸管設(shè)計方法及其在工程中的應(yīng)用摘要：虹吸管是利用大氣壓力而工作的一種壓力輸水管道，具有施工工藝簡單、能跨越高地減少土方開挖、工程維護方便、工程造價較低、不易引起穿越出滲漏破壞等優(yōu)點。本文簡要介紹了虹吸管的原理和設(shè)計方法，列舉了虹吸管在排水工程和城市取水工程方面的幾個典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：虹吸管；真空度；能量方程；設(shè)計；排水；城市取水SiphonDesignMethodandItsApplicationsinEngineeringAbstract:Siphonisakindofpressurewaterpipethatutilizebarometricpressurewithfeaturedbysimpleconstructiontechnology,decreaseearthworke*cavationthatcrossthehighland,convenientengineeringmaintenance,lowprojectcost,andlessleakagedamageattraversingpoints.Thispaperintroducesprincipleanddesignmethodofsiphon,listssometypicalapplicationsofsiphonindrainageworksandurbanwaterengineering.Keywords:siphon;vacuumdegree;energyequation;design;drain;urbanwaterengineering虹吸管的原理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，一旦在虹吸管內(nèi)形成真空，使作用在上游水面的大氣壓強和虹吸管內(nèi)壓強之間產(chǎn)生壓差，水流即能通過虹吸管最高處引向低處，形成連續(xù)的水流。虹吸管頂部的真空值理論上不能大于最大真空度，即10m水柱高度。實際上，當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強接近該溫度下的汽化壓強時，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流的連續(xù)性，故一般虹吸管的真空值在7~8m之間。虹吸管具有施工工藝簡單、能跨越高地、減少土方開挖、工程維護方便、工程造價較低、不易引起穿越處滲漏破壞等優(yōu)點。虹吸管的設(shè)計方法過水能力計算虹吸管一般都采用鋼材制作，求通過虹吸管內(nèi)的流量按短管計算，QUOTE，其中QUOTE代表管的橫截面，可由已給定圓管直徑d求得。為求平均流速，應(yīng)用能量方程求解。能量方程是對流段上、下游兩個過水?dāng)嗝娼⒌?。過水?dāng)嗝鎽?yīng)是與水流方向垂直或與流線垂直的斷面。因此，根據(jù)能量方程建立的條件，斷面須選在漸變流中。為了計算方便，基準(zhǔn)面一般選在下游水面線上。建立能量方程要全面考慮兩斷面之間的水頭損失，對兩個斷面上運動要素主要的不能漏掉，微小的可忽略不計，以免增加計算難度。經(jīng)過以上分析之后，寫能量方程，得：QUOTE式中壓強水頭為0，流速水頭可忽略不計，計算水頭損失的各個系數(shù)均可比較簡便地從水利學(xué)或水利手冊上查表得出。各值求出后，代入能量方程便可求出QUOTE，從而便可求過流量。也可以反過來求管的直徑。虹吸管中最大真空度及壓力分布水流一進入虹吸管就出現(xiàn)負壓。虹吸管中壓強最小(負壓最大)的斷面位于堤頂最高處的管內(nèi)，其負壓值可寫能量方程求得:QUOTE。式中QUOTE為堤頂靠近下游側(cè)彎管最高處的負壓值;QUOTE為管內(nèi)水在B點的流速，等直徑(不變徑)流速一樣，可取QUOTE。則虹吸管中造成的最大負壓值為:。虹吸管路的設(shè)計在要求的流量情況下，可采用經(jīng)濟管徑的選擇方法選擇管徑，一般情況，當(dāng)QUOTE時，管徑為QUOTE，當(dāng)QUOTE時，管徑為QUOTE。管徑以mm計。為使管壁在工作時具有承受負壓的穩(wěn)定性，可根據(jù)管徑與管壁厚度的比值選取，按一般平安要求。虹吸管設(shè)計時應(yīng)注意的問題虹吸管是靠進出口之間的水位高差驅(qū)動水流的。這個水位差一般都比較有限，因此，設(shè)計中虹吸管各段連接應(yīng)力求流暢，彎管圓滑，以減少局部水頭損失，也就是說在構(gòu)造上力求使局部損失系數(shù)最小。在滿足需要的情況下，管內(nèi)壁要光潔，彎管圓滑平順，曲率半徑不宜過小，管路總長度也力求短些。虹吸管在負壓條件下工作，這就要求管路要具有較高的密封性，不能漏氣，為此，一般盡力減少法蘭盤連接，特別是處于上部的管段。如果是現(xiàn)場焊管，對焊接縫要嚴格檢驗或通過打壓試驗檢測。另一方面，虹吸管內(nèi)的設(shè)計流速一般在1m/s以上，以使水流具有一定的挾氣能力，把挾帶在水中的空氣帶走，不至在管頂部形成“氣室〞，保持管內(nèi)水流的連續(xù)性，這樣可以較長時間工作。要提高虹吸管過水能力，進出水池條件也是很重要的。進水池中的水流應(yīng)力求通暢、速度較緩而均勻，防止旋渦。出水口也應(yīng)流暢，使出來的水盡快沿渠流走，不使水位壅高，保持上下游水位差，也就保持了水流的穩(wěn)定性，保證了過流量。設(shè)計中大多數(shù)都將虹吸管進出口淹沒在進出水池中，以防止進入空氣。事實上，根據(jù)需要或條件限制出口不淹沒在水中也是可以的。虹吸管在工程中的應(yīng)用虹吸管在排水工程中的應(yīng)用虹吸排水是一種古老的排水方法。在我國黃河中下游沿岸，局部河岸高出兩側(cè)農(nóng)田的地區(qū)，可以利用虹吸管對這些農(nóng)田進展灌溉和排淤。80年代末，法國運用虹吸排水這一技術(shù)來解決邊坡地下水位過高的問題，降低了地下水位，穩(wěn)定了邊坡，取得了滿意的效果。如代焦(Dijon)附近一條公路由于地下水離路面標(biāo)高只有2m，造成公路破裂而往下蠕動，影響了公路的正常使用。后來采用虹吸排水方法，使地下水位降低至8m深。邊坡蠕動消失，保證了公路路面的穩(wěn)定。以往排除淺層地下水可以采用滲溝(邊坡滲溝，支撐滲溝，截水和引水滲溝等等)排除深層地下水可采用滲水隧洞。但其工程數(shù)量大，施工困難，造價高。70年代國外開展水平鉆孔排水、大孔徑豎井結(jié)合水泵抽水等先進技術(shù)。這些措施在降低地下水位，提高邊坡、滑坡的穩(wěn)定性方面起著重要作用。但這些工程措施有的需要水平鉆機，技術(shù)條件要求高，有的需要管理人員定期去井位抽水。上述種種原因限制了這些先進技術(shù)在我國的開展和推廣。虹吸排水降低邊坡、滑坡地下水位的應(yīng)用技術(shù)適宜于我國南方多雨地區(qū)的邊坡和滑坡病害的整治工作。推廣后將具有較高的經(jīng)濟效益。另外，在屋面雨水排水系統(tǒng)中，虹吸屋面排水系統(tǒng)正在獲得越來越廣泛的應(yīng)用。特別是在大型、高檔的建筑中，其作為密閉的內(nèi)排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力流排水系統(tǒng)相比，在技術(shù)上、經(jīng)濟上都有明顯的優(yōu)勢。屋面雨水排水系統(tǒng)，最早用的是重力流排水系統(tǒng)，即雨水由屋面天溝聚集后經(jīng)雨水斗下接的立管靠重力自流排出。這種系統(tǒng)管線并不能被水完全充滿。水沿立管管壁流下時，一般情況下只占立管斷面的一局部，甚至一小局部為水，一局部為空氣?？梢?，如果能將上述的“重力流〞變?yōu)椤皾M管流〞，則立管管徑就可以比原來的管徑小得多，而且滿管流會產(chǎn)生抽吸作用，提高排水速度。虹吸排水系統(tǒng)就是使排水系統(tǒng)在一定的水量下，使系統(tǒng)到達“滿管流〞狀態(tài)的系統(tǒng)。對大型屋面可“分區(qū)排水〞，整個屋面排水系統(tǒng)可由數(shù)個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)一個天溝，這樣天溝可避開伸縮縫。系統(tǒng)的設(shè)計是當(dāng)天溝內(nèi)雨水深度到達一定深度時，首先是尾管充滿水到達虹吸條件，繼而使整個系統(tǒng)產(chǎn)生虹吸，即可使屋面雨水快速排放。因虹吸排水流速很大，要通過消能井再排入市政雨水排水系統(tǒng)。而當(dāng)雨量較小時，該虹吸系統(tǒng)也只有做為重力流系統(tǒng)使用。這樣，虹吸排水系統(tǒng)可用比重力流排水系統(tǒng)小得多的管線排出幾十年一遇的暴雨雨水。此外，在一樣排水量的情況下，虹吸排水系統(tǒng)所需的斗前水深要小于重力流系統(tǒng)。比方，計算說明排水量為40L/s時，用直徑300mm的重力流雨水管，其斗前水深需100mm，而直徑100mm的虹吸雨水管，其斗前水深僅需73mm，這對屋面的建筑和構(gòu)造設(shè)計都非常有利。虹吸系統(tǒng)所用管徑不僅比重力流小，而且可比重力流“少〞。圖1所示系統(tǒng)，即一個橫管，一個立管，可以上接十余個雨水斗，而重力流系統(tǒng)則要多根立管。此外，虹吸系統(tǒng)的橫管可以水平安裝，而重力流系統(tǒng)其橫管必須有不小于0.005的坡度，將使橫管末端降低，從而影響使用空間或影響建筑構(gòu)造處理。虹吸系統(tǒng)的立管因數(shù)量少，可利用樓梯間、立柱旁等處敷設(shè)，不占用更多的使用空間，橫管也可以敷設(shè)在非敏感的公共走廊等處。總之，給建筑設(shè)計一個有利的條件。圖1屋面虹吸排水系統(tǒng)示意圖虹吸管在城市取水工程中的應(yīng)用工程概況*城市取水工程取水規(guī)模為QUOTE，取水水源為水庫水。取水水庫總庫容為QUOTE，水庫百年一遇設(shè)計洪水位為118.28m，汛限水位為117.30m，97%取水保證率水位為95.50m，死水位為92.50m，多年平均水位為109.50m，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。由于水庫的水位變幅非常大，高水位時即使單臺水泵運行也將超出水泵電機的變頻*圍，泵房將超流量運行，非但不經(jīng)濟，同時也給凈水廠的運行管理帶來了一定的困難。針對此種情況，設(shè)計中增設(shè)了2條DN500的虹吸管。在水庫中低水位時，水庫水通過潛水泵提升翻越大壩后重力自流至凈水廠；中高水位時，水泵停頓運行，通過運行虹吸管將水庫水提升后翻越大壩再重力自流至凈水廠。通過增設(shè)的虹吸管，不僅解決了高水位時水泵超流量問題，同時還減少了水泵的日常運行費用，取得了一定的經(jīng)濟效益。虹吸管的水力計算圖2虹吸管布置示意圖虹吸水位確實定。由于本工程中虹吸管的安裝高度已經(jīng)先確定，所以必須通過計算確定能產(chǎn)生虹吸的水庫水位。虹吸管最大真空一般發(fā)生在管子最高位置，即發(fā)生在外坡壩頂彎頭前的B斷面處，具體分析如下:以水庫上游水位為基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面至壩頂彎管中心線的高差為QUOTE，對基準(zhǔn)斷面A及外坡壩頂彎頭前B斷面列能量方程:QUOTE。式中：QUOTE取0；QUOTE取1；L為從虹吸管進口至B斷面的管長；QUOTE為虹吸管進口至B斷面的局部水頭損失系數(shù)之和。假設(shè)要求管內(nèi)真空值不大于*一值，即QUOTE，式中QUOTE為允許真空值，取8m。通過計算可得出QUOTE，故虹吸管最高點與上游水面高差應(yīng)QUOTE7.25m，即本工程中水庫水位QUOTE110.8m時可進展虹吸取水。虹吸管輸水能力計算。由于虹吸管長度不長，按短管計算，且管道出口淹沒在水面以下，為淹沒出流，當(dāng)不考慮行進流速水頭時，可用下式計算流量:QUOTE，式中：QUOTE為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)，經(jīng)計算為0.3；A為管道斷面面積，經(jīng)計算為0.196QUOTE；Z為上游水位與下游水位的最小水位差，為1.3m。通過計算，每根管道的輸水能力為QUOTE