虹吸作用在水利建设中的应用

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虹吸作用在水利建设中的应用
作者:章统代远菊李谋张泽熙
来源:《建材发展导向》2013年第04期
摘要:通过对虹吸作用在水利建设中两个方面的重要应用,虹吸管和倒虹吸管的简单介绍,显示了虹吸作用对水利设施建设的重要性以及其广阔的市场前景。

关键词:虹吸作用;虹吸管;倒虹吸管
1 虹吸作用的原理
虹吸作用是一种流体力学现象,可以不借助外界的抽吸力而使液体流动。

常见的利用虹吸作用的设备有虹吸管和倒虹吸管两种。

设备的入口处位置高于出口处,中间管道呈U型,U型开口朝下称为虹吸管,开口朝上称为倒虹吸管。

利用伯努利方程可知,在虹吸管中,入口处的压强高于管顶的压强,使管顶形成真空,由于压差的作用,便可使液体从位置低于管顶的入口处流过管道的最高点,然后从出口处流出。

而在倒虹吸管中管道最低点的压强高于出口处的压强,便可使液体在压差的作用下由管底从出口处流出。

从能量的角度看,虹吸作用就是将入口处和出口处的势能之差转换为动能之差,从而使液体产生流动。

2 虹吸管在水利建设中的应用
虹吸管中的真空值即管顶的压强理论上不能大于最大真空值即10m水柱高。

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,故一般虹吸管的压强值不大于7—8m水柱高。

工程中管顶的安装高度一般控制在7.28m以下,下游出水口低于进水口1m以上。

虹吸管在水库泄水涵管改造中有着极为广泛的应用,一般水库常规的泄水方式为坝下涵管输水,其缺点在于:一、开挖范围较大,施工复杂;二、对出水量的控制难度较大;三、开挖后回填的土方与坝体原土方存在较大沉降差时,坝体会产生不均匀沉降出现裂缝且破坏后维修困难。

而水利建设中使用的虹吸管大都为镀锌焊接钢管,安装时开挖较少出水量可由阀门控制,因此许多情况下可以作为补充或代替坝下涵管的输水方式。

由我国自主设计的浙江黄石垅水库大坝上的虹吸管全长近百米,直径达1520mm,跨越水库坝体8m高度,打破了虹吸管最大直径无法突破60mm、高度6.5m、管长60m的限制。

且其虹吸高度也突破了理论常规,开辟了超大型虹吸管在流体工程中的市场应用。

除用于水库泄水涵管改造以外,虹吸管还广泛应用于水库的防洪抢险中。

例如2006年广西鹿寨县龙岩水库的抢险中虹吸管就起到了举足轻重的作用。

2006 年 8 月 11 日,水库管理人员在废弃的浆砌石涵管距出口60m 处墙上发现漏水孔且有坝体土颗粒带出,17 日漏水孔处带
出的坝体土料的量加大,险情恶化,急需排水处理。

此时水库水位为155.30m、蓄水量
260m3。

由于放水管放水量有限排洪道开挖受阻,故采用了10组内径100mm的虹吸管用于排水,具有关数据显示此次抢险过程中虹吸管的排水量不低于100万m3。

虹吸管所需设备简单且架设方便,在抗洪抢险尤其是偏远地区水库的抢险中优点尤为突出。

3 倒虹吸管在水利建设中的应用
倒虹吸管是当渠道横跨山谷、河流、道路时为连接渠道而设置的压力管道。

根据管路埋设情况及管随压力水头的大小,对于高差不大的倒虹吸管的布置分为竖井式和缓坡式,对于高差较大的大中型倒虹吸管常采用斜管式和架空式。

倒虹吸输水系统一般由进口段、管身段和出口段三部分组成。

进口段由渐变段、进水口、拦污栅、闸门、沉砂池和挡水墙组成。

管身段的截面形状常见的有圆形、矩形和直墙圆拱形等。

管道可布置成单管、双管或多管,单管建设简单造价低,适合于小流量的输水管路,设置成双管或多管,则可轮流检修不影响运行,流量较小时,可利用部分管路过水以增加管内流速,防止泥沙在管中淤积。

出口段一般设消力池并与下游平顺连接,以调整出水口水流的流速分布。

河南省水利设计院与郑州工业大学在对淇河倒虹吸管的模型试验中,提出在倒虹吸管下游设置节制闸门可以调节进水口的水位和改善水流状态,除始流状态外任何流量下均不发生水跃现象。

倒虹吸管的建筑材料主要为预应力钢筋混凝土管,由于其承压较高,具有较高的抗裂性、抗渗性,相比于虹吸管其在开始工作时不需要人为的制造管中真空,且输水量一般较虹吸管大,因此使用更为广泛。

倒虹吸管的发展具有悠久的历史。

中国古代所说的渴乌,便是一种倒虹吸管。

新中国成立以后,我国修建了大量的倒虹吸管,在结构形式、用材、施工方法和制管工艺上有了大幅发展。

湖南省邵阳地区大圳灌区的新安卜倒虹吸管道是我国第一条大直径高压水泥管道,全长5562m、共1013节、内径2m、壁厚13cm,工程设计流量为7.5m3/s,为大圳灌区的水利建设带来了可观的经济效益。

在我国南水中北调大型水利设施建设中,倒虹吸管由于其工程量小、造价低、施工安全方便、不影响河流洪水宣泄等优点,在穿越河流、山谷等建筑物时的应用也非常普遍,其中较为著名的有沁河渠道倒虹吸管、安阳河渠道倒虹吸管、淝河渠道倒虹吸管和南水北调中线总干渠邢石段渠道倒虹吸管等。

参考文献
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[2] 姚伯龙.虹吸管在水利工程中的应用[J].中国科技博览,2012年第30期.
[3] 徐彦唬,刘罡.倒虹吸管的组成与结构布置[J].黑龙江水利科技, 2012年35卷40期.。