虹吸管設(shè)計(jì)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hi藝簡(jiǎn)單、能跨越高地減少土方開(kāi)挖、i程維護(hù)方便、i程造價(jià)較低、不易弓1起穿越出滲漏破壞等優(yōu)點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹了虹吸管的原理和設(shè)計(jì)方法，列舉了虹吸管在排水工程和城市取水i程方面的幾個(gè)典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：虹吸管；真空度；能量方程；設(shè)計(jì)；排水；城市取水SiphonDesignMethodandItsApplicationsinEngineeringAbstract:Siphonisakindofpressurewaterpipethatutilizebarometricpressurewithfeaturedbysimpleconstructiontechnology,decreaseearthworkexcavationthatcrossthehighland,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(qiáng)和虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)之間產(chǎn)生壓差，水流即能通過(guò)虹吸管最高處弓|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(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)時(shí)，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ill藝簡(jiǎn)單、能跨越高地、減少土方開(kāi)挖、工程維護(hù)方便、工程造價(jià)較低、不易弓1起穿越處滲漏破壞等優(yōu)點(diǎn)。二、虹吸管的設(shè)計(jì)方法過(guò)水能力計(jì)算虹吸管一般都采用鋼材制作，求通過(guò)虹吸管內(nèi)的流量按短管計(jì)算，Q二siu，其中、.代表管的橫截面，可由巳給定圓管直徑d求得。為求平均流速，應(yīng)用能量方程求解。能量方程是對(duì)流段上、下游兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娼⒌?。過(guò)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(jì)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(duì)兩個(gè)斷面上運(yùn)動(dòng)要素主要的不能漏掉，微小的可忽略不計(jì)，以免增加計(jì)算難度。經(jīng)過(guò)以上分析之后，寫(xiě)能量方程，得：式中壓強(qiáng)水頭為0,流速水頭可忽略不計(jì)，計(jì)算水頭損失的各個(gè)系數(shù)均可比較簡(jiǎn)便地從水利學(xué)或水利手冊(cè)上查表得出。各值求出后，代入能量方程便可求出一,從而便可求過(guò)流量。也可以反過(guò)來(lái)求管的直徑。虹吸管中最大真空度及壓力分布水流一進(jìn)入虹吸管就出現(xiàn)負(fù)壓。虹吸管中壓強(qiáng)最?。ㄘ?fù)壓最大）的斷面位于堤頂最高處的管內(nèi)，其負(fù)壓值可寫(xiě)能量方程求得：。式中■七為堤頂靠近下游側(cè)彎管最高處的負(fù)壓值；法為管內(nèi)水在8點(diǎn)的流速，等直徑（不變徑）流速相同，可取一。則虹吸管中造成的最大負(fù)壓值為:。虹吸管路的設(shè)計(jì)在要求的流量情況下，可采用經(jīng)濟(jì)管徑的選擇亦法選擇管徑，一般情況，當(dāng)m3Q：；：120V時(shí)，管徑為d=13j?，當(dāng)時(shí)，管徑為d=lLS*（。管徑以mm計(jì)。為使管壁在工作時(shí)具有承受負(fù)壓的穩(wěn)定性，可根據(jù)管徑與管壁厚度的比值選取，按一般安全要求。虹吸管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題虹吸管是靠進(jìn)出口之間的水位高差驅(qū)動(dòng)水流的。這個(gè)水位差一般都比較有限，因此，設(shè)計(jì)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(shuō)在構(gòu)造上力求使局部損失系數(shù)最小。在滿(mǎn)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(guò)小，管路總長(zhǎng)度也力求短些。虹吸管在負(fù)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(pán)連接，特別是處于上部的管段。如果是現(xiàn)場(chǎng)焊管，對(duì)焊接縫要嚴(yán)格檢驗(yàn)或通過(guò)打壓試驗(yàn)檢測(cè)。另一方面，虹吸管內(nèi)的設(shè)計(jì)流速一般在1m/s以上，以便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(zhǎng)時(shí)間工作。要提高虹吸管過(guò)水能力，進(jìn)出水池條件也是很重要的。進(jìn)水池中的水流應(yīng)力求通暢、速度較緩而均勻，避免旋渦。出水口也應(yīng)流暢，使出來(lái)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(guò)流量。設(shè)計(jì)中大多數(shù)都將虹吸管進(jìn)出口淹沒(méi)在進(jìn)出水池中，以防止進(jìn)入空氣。事實(shí)上，根據(jù)需要或條件限制出口不淹沒(méi)在水中也是可以的。三、虹吸管在工程中的應(yīng)用1.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(guó)黃河中下游沿岸，部分河岸高出兩側(cè)農(nóng)田的地區(qū)，可以利用虹吸管對(duì)這些農(nóng)田進(jìn)行灌溉和排淤。80年代末，法國(guó)運(yùn)用虹吸排水這一技術(shù)來(lái)解決邊坡地下水位過(guò)高的問(wèn)題，降低了地下水位，穩(wěn)定了邊坡，取得了滿(mǎn)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(dòng)，影響了公路的正常使用。后來(lái)采用虹吸排水方法，使地下水位降低至8m深。邊坡蠕動(dòng)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，截水和弓I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(jià)高。70年代國(guó)外發(fā)展水平鉆孔排水、大孔徑豎井結(jié)合水泵抽水等先進(jìn)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(jī)，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(jìn)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)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(guó)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(jì)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(lái)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(jì)上都有明顯的優(yōu)勢(shì)。屋面雨水排水系統(tǒng)，最早用的是重力流排水系統(tǒng)，即雨水由屋面天溝匯集后經(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(mǎn)。水沿立管管壁流下時(shí)，一般情況下只占立管斷面的一部分，甚至一小部分為水，-部分為空氣?？梢?jiàn)，如果能將上述的“重力流”變?yōu)椤皾M(mǎn)管流”，則立管管徑就可以比原來(lái)的管徑小得多，而且滿(mǎn)管流會(huì)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)達(dá)到“滿(mǎn)管流”狀態(tài)的系統(tǒng)。對(duì)大型屋面可“分區(qū)排水”，整個(gè)屋面排水系統(tǒng)可由數(shù)個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)一個(gè)天溝，這樣天溝可避開(kāi)伸縮縫。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)天溝內(nèi)雨水深度達(dá)到-定深度時(shí)，首先是尾管充滿(mǎn)水達(dá)到虹吸條件，繼而使整個(gè)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(guò)消能井再排入市政雨水排水系統(tǒng)。而當(dāng)雨量較小時(shí)，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)水得多的管線排出幾十年一遇的暴雨雨水。此外，在相同排水量的情況下，虹吸排水系統(tǒng)所需的斗前水深要水于重力流系統(tǒng)。比如，計(jì)算表明排水量為40L/s時(shí)，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(duì)屋面的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都非常有利。虹吸系統(tǒng)所用管徑不僅比重力流水，而且可比重力流“少”。圖1所示系統(tǒng)，即一個(gè)橫管，一個(gè)立管，可以上接十余個(gè)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結(jié)構(gòu)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。息之，給建筑設(shè)計(jì)一個(gè)有利的條件。1雨水斗2尾管3水平管4立管匕大小頭6消能并圖1屋面虹吸排水系統(tǒng)示意圖2.虹吸管在城市取水工程中的應(yīng)用1）工程概況104m3某城市取水工程取水規(guī)模為丁宜二^，取水水源為水庫(kù)水。取水水庫(kù)總庫(kù)容為5.75筮如細(xì)，水庫(kù)百年一遇設(shè)計(jì)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(kù)。由于水庫(kù)的水位變幅非常大，高水位時(shí)即使單臺(tái)水泵運(yùn)行也將超出水泵電機(jī)的變頻X圍，泵房將超流量運(yùn)行，非但不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也給凈水廠的運(yùn)行管理帶來(lái)了一定的困難。針對(duì)此種情況，設(shè)計(jì)中增設(shè)了2條DN500的虹吸管。在水庫(kù)中低水位時(shí)，水庫(kù)水通過(guò)潛水泵提升翻越大壩后重力自流至凈水廠；中高水位時(shí)，水泵停止運(yùn)行，通過(guò)運(yùn)行虹吸管將水庫(kù)水提升后翻越大壩再重力自流至凈水廠。通過(guò)增設(shè)的虹吸管，不僅解決了高水位時(shí)水泵超流量問(wèn)題，同時(shí)還減少了水泵的日常運(yùn)行費(fèi)用，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。2）虹吸管的水力計(jì)算圖2虹吸管布置示意圖虹吸水位的確定。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(guò)計(jì)算確定能產(chǎn)生虹吸的水庫(kù)水位。虹吸管最大真空-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，具體分析如下出水庫(kù)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上，對(duì)基準(zhǔn)斷面A及外坡壩頂彎頭前B斷面列能量方程:21S2十壘r+-O丫5+2上￥（討）皿廿取0；2取1;L為從虹吸管進(jìn)口至B斷面的管長(zhǎng);為虹吸管進(jìn)口至B斷+元。式中:二7列能量方程:21S2十壘r+-O取0；2取1;L為從虹吸管進(jìn)口至B斷面的管長(zhǎng);為虹吸管進(jìn)口至B斷虹吸管輸水能力計(jì)算。由于虹吸管長(zhǎng)度不長(zhǎng)，按短管計(jì)算，且管道出口淹沒(méi)在水面以下，為淹沒(méi)出流，當(dāng)不考慮行進(jìn)流速水頭時(shí)，可用下式計(jì)算流量：，式中：七為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為0.3；A為管道斷面面積，經(jīng)計(jì)算為0.196；：疽；Z為上游水位與下游水位的最小in3水位差，為1.3m。通過(guò)計(jì)算，每根管道的輸水能力為。：