虹吸管安裝高度問題淺析

史冬梅，周培華

（1.杭州市富陽區(qū)河道水庫管理中心，浙江 杭州 311400；2.杭州市蕭山區(qū)浦陽江流域管理中心，浙江 杭州 311251）

1 問題的提出

虹吸管廣泛應(yīng)用于灌溉、供水、工業(yè)生產(chǎn)及日常生活等領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地障礙、減少挖方、節(jié)省工程量、無能耗等，但存在安裝高度受限制的問題。圖1為虹吸管示意圖，其中H1值即為安裝高度。為此，須分析虹吸管安裝高度的影響因素，并針對這些因素，通過優(yōu)化設(shè)計布置、最大允許真空值合理取值、設(shè)置液氣交換設(shè)備或真空泵等措施，以提高虹吸管最大安裝高度及運(yùn)行可靠性。

圖1 虹吸管示意圖

2 虹吸管安裝高度限制條件

虹吸管安裝高度限制條件主要有2個：①水流的氣穴現(xiàn)象及汽化；②大氣壓能轉(zhuǎn)化為位能的極限。

2.1 限制條件一—水流的氣穴現(xiàn)象及汽化

水流內(nèi)部含有許多尚未溶解的空氣與蒸汽的微小氣泡，即氣核，當(dāng)水流中壓強(qiáng)降低，氣核便膨脹長大，形成氣穴現(xiàn)象。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下水的沸點(diǎn)為100 ℃。大氣壓越低，沸點(diǎn)越低，大氣壓越高，沸點(diǎn)越高。虹吸管內(nèi)形成負(fù)壓，最大負(fù)壓一般發(fā)生在管頂，當(dāng)管頂壓強(qiáng)降至接近該溫度下水的汽化壓強(qiáng)時，水將產(chǎn)生汽化，破壞水流的連續(xù)性，最終導(dǎo)致虹吸管斷流。

根據(jù)能量方程，管頂壓強(qiáng)水頭為：

式中：P2/γ為管頂壓強(qiáng)水頭，m；Z1為上游水位，m；P1/γ為大氣壓強(qiáng)水頭，m；V1為上游流速，m/s；Z2為管頂中心高程，m；V2為管頂流速，m/s；hw1-2為水頭損失，m。其中H1=Z2-Z1，即安裝高度，m。

由式（1）可見，安裝高度H1越大，管頂壓強(qiáng)P2/γ越小，相應(yīng)管頂真空值（負(fù)壓）越大，水流越容易發(fā)生氣穴及汽化。當(dāng)安裝高度H1超過最大允許值時，管頂壓強(qiáng)降至接近該溫度下水的汽化壓強(qiáng)，水將產(chǎn)生汽化，最終導(dǎo)致斷流。因此虹吸管安裝高度受到水流氣穴及汽化的限制。

2.2 限制條件二—壓能轉(zhuǎn)化為位能的極限

根據(jù)式（1）可得安裝高度：

式（2）中一般情況下V12/(2g) ≈0，即使P2/γ=0時水不會發(fā)生汽化，得H1=P1/γ-V22/(2g)-hw1-2，可見H1始終小于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)水柱高P1/γ。不過，安裝高度首先取決于限制條件一—水的氣穴現(xiàn)象及汽化。

3 虹吸管安裝高度具體影響因素

3.1 當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)

虹吸管安裝高度與當(dāng)?shù)卮髿鈮河嘘P(guān)。由式（2）可見，當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)P1越大，安裝高度H1也可越大。隨著海拔升高，大氣壓強(qiáng)下降，虹吸管允許安裝高度隨之降低。對不同海拔的大氣壓強(qiáng)水柱高，可按（10.33-當(dāng)?shù)馗叱?900）m進(jìn)行估算。因此虹吸管設(shè)計時，需關(guān)注當(dāng)?shù)卮髿鈮簲?shù)值，而不是簡單套用一些書籍給出的（70～80）kPa允許真空值。

3.2 當(dāng)?shù)厮疁?/h3>

表1為水的汽化壓強(qiáng)表。由表1可知，水溫越高，汽化壓強(qiáng)隨之加大，允許真空值隨之減小，其他條件相同的情況下，允許安裝高度降低。水溫30 ℃相比于10 ℃，汽化壓強(qiáng)高3.0 kPa，差值不小。因此，虹吸管安裝高度需考慮運(yùn)行期內(nèi)當(dāng)?shù)爻B(tài)化的高溫天氣因素。

表1 水的汽化壓強(qiáng)表

3.3 虹吸管最大允許真空值的取值

最大允許真空值的取值，對虹吸管設(shè)計安裝高度影響重大。過于保守的取值，計算得出的最大安裝高度偏小，取值過大又導(dǎo)致虹吸管不能可靠運(yùn)行。而且參考取值范圍往往較大，使得最大安裝高度相差甚遠(yuǎn)，因此有必要認(rèn)真探討。

《水力學(xué)》[1]指出虹吸管頂部真空值理論上不能大于最大真空值（即100 kPa），但實(shí)際上當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流的連續(xù)性，故一般不使虹吸管中的真空值大于70～80 kPa。

《給水排水設(shè)計手冊》[2]認(rèn)為一般采用允許真空高度60～70 kPa；《水力學(xué)》（西南交通大學(xué)版）[3]認(rèn)為要保證虹吸管能通過設(shè)計流量，一般限制管中最大真空高度不超過70～80 kPa；《給水排水工程快速設(shè)計手冊》認(rèn)為虹吸管允許真空高度可采用40～60 kPa，但不應(yīng)大于70 kPa。

SL 202—2015《水電站引水渠道及前池設(shè)計規(guī)范》附錄D“前池虹吸式進(jìn)水口設(shè)計”中要求虹吸管頂點(diǎn)的最大真空值不大于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)減去水的汽化壓強(qiáng)。實(shí)際上，水在接近汽化壓強(qiáng)的過程中已釋放出氣泡并不斷積累，因此該規(guī)范的提法不夠可靠。

關(guān)于虹吸管內(nèi)最大允許真空值取值問題，需要進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

3.4 設(shè)計布置

管徑、管道流速、上下游水位差、水頭損失等設(shè)計布置因素均對虹吸管安裝高度有較大影響。在斷面1～斷面2、斷面2～斷面3（見圖1）列能量方程[5-6]：

式中：Z3為斷面3水位，m；P3/γ為大氣壓強(qiáng)水頭，m；V3為斷面3流速，m/s；hw2-3為斷面2～斷面3之間的水頭損失，m。V1、V3可忽略不計，則管頂高程：

式中：（P1/γ-P2/γ）、（P3/γ-P2/γ）為管頂真空值。從式（4）中可得知：當(dāng)Z1和最大允許真空值已定時，要增大Z2（即增大安裝高度H1=Z2-Z1），須減小V2、減小hw1-2、加大hw2-3、加大Z3，都要通過優(yōu)化設(shè)計布置來實(shí)現(xiàn)。

4 提高虹吸管的安裝高度措施

研究提高虹吸管的安裝高度，同時也是研究在同等安裝高度下使虹吸管更穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4.1 優(yōu)化設(shè)計布置

優(yōu)化設(shè)計實(shí)例：某工程采用虹吸管跨越高地，從一較高水體往另一較低水體引水，兩水體基本無流動，即上下游流速水頭可忽略，兩水體水位差5 m，設(shè)計引水流量為0.5 m3/s，管道長度100.0 m，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00 kPa，虹吸管最大允許真空值取7.5 m（見圖2）。因受現(xiàn)場地勢較高制約要求盡量提高虹吸管管頂安裝高程，各方案優(yōu)化設(shè)計及計算結(jié)果見表2。

圖2 工程示意圖

表2 不同設(shè)計布置情況下的虹吸管最大安裝高度對比表

從表2可見，控制水頭差、控制流速、減小前段水頭損失、采用前粗后細(xì)等措施，可有效提高虹吸管最大安裝高度，而且提升空間較大，如表中優(yōu)化設(shè)計后的方案7比方案1最大安裝高度提高了1.87 m。

同理，在相同安裝高度情況下，采取以上措施可降低管道內(nèi)最大真空值，從而提高虹吸管運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 管頂設(shè)除氣設(shè)備

可在虹吸管頂設(shè)置液氣交換設(shè)備，實(shí)時使管頂積氣與液氣交換箱內(nèi)水體進(jìn)行交換，排除管頂積氣（見圖3）。

圖3 液氣交換設(shè)備示意圖

使用該類設(shè)備，理論上可將虹吸管最大安裝高度提升至使管頂壓強(qiáng)等于水的汽化壓強(qiáng)。因?yàn)榧词构茼斔诎l(fā)生汽化，產(chǎn)生的氣體可通過該設(shè)備及時排除，保障水流的連續(xù)性。但須根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置水箱大小及控制加水頻次，間隔一段時間對設(shè)備進(jìn)行檢查，觀測液氣交換箱水位管的水位，低于1/3時，須及時補(bǔ)充水量，防止虹吸管真空被破壞。前述表2中方案4，100 kPa大氣壓、水溫20 ℃情況下，若管頂壓強(qiáng)按等于水的汽化壓強(qiáng)控制（即2.4 kPa），流量、管徑、水頭差等不變，根據(jù)式（2）計算該虹吸管最大安裝高度可為8.90 m。

使用液氣交換設(shè)備，可適當(dāng)提高虹吸管安裝高度的同時，也可增強(qiáng)虹吸管運(yùn)行的可靠性。

4.3 其他措施

提高虹吸管安裝高度的其他措施主要有：管頂設(shè)真空泵，對管頂積氣進(jìn)行抽排；減少進(jìn)水摻氣量，保證虹吸管進(jìn)水口淹沒深度；加強(qiáng)管路氣密性，盡量減少外部空氣進(jìn)入虹吸管并在管頂聚集等措施。

5 結(jié) 語

虹吸管安裝高度的影響因素主要有當(dāng)?shù)貧鈮?、水溫、管?nèi)最大允許真空值的取值及設(shè)計布置等因素。針對這些因素，可通過優(yōu)化設(shè)計布置、最大允許真空值合理取值、設(shè)置液氣交換設(shè)備或真空泵等措施，提高虹吸管的最大安裝高度或使虹吸管運(yùn)行更加可靠。