虹吸管在水利工程中的应用

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1、虹吸管在水利工程中的应用一、虹吸管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，若在虹吸管内造成真空，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，则水流即能通过虹吸管最高处引向低处。虹吸管顶部的真空值理论上不能大于最大真空值，即10米水柱高。实际上，当虹吸管内压强接近该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；故一般不使虹吸管中的真空值大于7~8米。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。二、虹吸管的水利计算虹吸管应用的原理比较简单，可广泛应用于水利工程中；在使用过程中必须首先对虹吸管的过流量及安装高程进行复核计算。例：有一小型水库，坝顶宽5米,内、

2、外边坡均为1：2.5,上游水面高程为0米(假设相对高程,以下同),下游出水口水面高程为-1米,虹吸管采用钢管制作,直径D=250㎜（见下图）。（一）虹吸管的输水能力计算虹吸管长度一般不大，故应按短管计算，且管道出口淹没在水面以下，为淹没出流。当不计行近流速影响时，可直接用公式Q=μcA(2gz)1/2计算流量：先确定λ值，用满宁公式C=1/n×R1/6计算C，对于钢管：n=0.011则R=A/x=D/4C=1/n×R1/6=1/0.011×(0.25/4)1/6=57.27沿程阻力系数:λ=8g/C2=8×9.8/57.272=0.024水头损失系数计算表（其中弯管ζ=【0.131+0.163

3、2(D/ρ)7/2】(θ/90)1/2）部位滤网底阀弯管1ρ=1125㎜θ=68°弯管2ρ=2125㎜θ=22°弯管3ρ=2125㎜θ=22°弯4ρ=2125㎜θ=22°蝶阀弯管5ρ=1000㎜θ=90°出口合计损失系数4．40.1150.0650.0650.0650．4210．13216.263管道系统的流量系数:μc=1/(λ×L/D+∑ζ)1/2=1/(0.024×55.73/0.25+6.263)1/2=0.293每根虹吸管的输水能力为：Q=μcA(2gz)1/2=0.293×3.14×0.1252×(2×9.8×1)1/2=0.064m3/s(二)虹吸管的最高安装高程计算:虹吸管中最

4、大真空一般发生在管子最高位置。即发生在外坡堤顶弯头前B断面处，具体分析如下：以水库上游水位为基准面，基准面至堤顶弯管中心线的高差为Zs,对基准面断面及外坡堤顶弯头前B断面（如图示）列能量方程0+Pa/r+α1v02/2g=Zs+PB/r+αv2/2g+(λ×LB/D+∑ζB)×v2/2g式中,LB为从虹吸管进口至B断面的管长,∑ζB为从虹吸管进口至B断面的水头损失系数之和取α1v02/2g=0;α=1.0则Pa/r-PB/r=Zs+(1+λ×LB/D+∑ζB)×v2/2g若要求管内真空值不大于某一允许值，即（Pa-PB）/r≤hv,式中hv为允许真空值，hv=8m。则Zs+(1+λ×LB/D+

5、∑ζB)×v2/2g≤hv即Zs≤hv-(1+λ×LB/D+∑ζB)×v2/2g而hv-(1+λ×LB/D+∑ζB)×v2/2g=8-（1+0.024×28.5/0.25+4.4+0.115+0.065）×1.3042/(2×9.8)=7.28m式中v=Q/A=0.064/3.14×(0.25/2)2=1.304m/s故虹吸管最高点与上游水面高差应满足Zs≤7.28m三、虹吸管的应用(一)、虹吸管在小型水库泄水涵管改造中的应用小型水库常规采用平斜管（即坝下涵管）输水，其施工方法是对坝体进行大开挖，埋涵管后进行土方回填,这样不但工期长,投资大，而且运行管理方面也有欠缺：一是出水量不能有效控制，会

6、造成浪费。二是在斜管上放、堵水既不方便，也不安全。三是新回填土方与老坝体土方存在沉降差，容易出现土方结合不好，坝体出现不均匀沉降，产生裂缝且破坏后难以维修等现象。采用虹吸管输水则很好的解决了这些问题，虹吸管技术相比传统的破坝修复涵管工艺具有造价低、施工期短、使用灵活、管理方便等特点，而且能节约用水。若设计灌溉流量按1秒每立米灌溉1万亩农田的标准计算，一组直径D=250㎜虹吸管的过流量为0.064m3/s，考虑旧钢管的流量修正系数K=1.3，则可灌溉农田达490亩左右,基本上可满足灌溉要求,若确实不够,可采取二组或更多组。虹吸管管材采用镀锌焊接钢管，经充水后，打开阀门，出水水流饱满、平顺、管身无

7、振动，，使用情况良好，基本能取代坝下涵管。虹吸管进水口与管顶的安装高度Zs需要考虑真空度余量，一般控制在7.28m以下的安装高度，下游出水口低于进水口1m以上。管道在运行中难免有空气跑入管道，在管道最高点应设立一个液气交换箱，该液气交换箱的功能是把跑入管道中的空气与箱中的水体进行交换，一箱200L的水一般可维持30~40d正常使用，箱中水位降至1/3左右，可由人工添加箱中水量，保证虹吸管的正常运行