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 Engineering
Abstract: 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 engineeri
ng
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7~8 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，，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：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拟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:。式中为堤顶靠近下游侧弯管最高处的负压值;为管内水在B点的流速，等直径(不变径)流速一样，可取。那么虹吸管中造成的最大负压值为:。
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方法选择管径，一般情况，当时，管径为，当时，管径为。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，按一般平安要求。
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拟有限，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，防止旋涡。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，局部河岸高出两侧农田的地区，可以利用虹吸管对这些农田进展灌溉和排淤。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年代国外开展水平钻孔排水、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开展和推广。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。

更多推荐

虹吸管,水流,能量,方程,工程,边坡