虹吸管安裝高度問題淺析

史冬梅，周培華

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

1 問題的提出

虹吸管廣泛應用于灌溉、供水、工業生產及日常生活等領域。其優點在于能跨越高地障礙、減少挖方、節省工程量、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，通過優化設計布置、最大允許真空值合理取值、設置液氣交換設備或真空泵等措施，以提高虹吸管最大安裝高度及運行可靠性。

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水流的氣穴現象及汽化；②大氣壓能轉化為位能的極限。

2.1 限制條件一—水流的氣穴現象及汽化

水流內部含有許多尚未溶解的空氣與蒸汽的微小氣泡，即氣核，當水流中壓強降低，氣核便膨脹長大，形成氣穴現象。

標準大氣壓條件下水的沸點為100 ℃。大氣壓越低，沸點越低，大氣壓越高，沸點越高。虹吸管內形成負壓，最大負壓一般發生在管頂，當管頂壓強降至接近該溫度下水的汽化壓強時，水將產生汽化，破壞水流的連續性，最終導致虹吸管斷流。

根據能量方程，管頂壓強水頭為：

式中：P2/γ為管頂壓強水頭，m；Z1為上游水位，m；P1/γ為大氣壓強水頭，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P2/γ越小，相應管頂真空值（負壓）越大，水流越容易發生氣穴及汽化。當安裝高度H1超過最大允許值時，管頂壓強降至接近該溫度下水的汽化壓強，水將產生汽化，最終導致斷流。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—壓能轉化為位能的極限

根據式（1）可得安裝高度：

式（2）中一般情況下V12/(2g) ≈0，即使P2/γ=0時水不會發生汽化，得H1=P1/γ-V22/(2g)-hw1-2，可見H1始終小于當地大氣壓強水柱高P1/γ。不過，安裝高度首先取決于限制條件一—水的氣穴現象及汽化。

3 虹吸管安裝高度具體影響因素

3.1 當地大氣壓強

虹吸管安裝高度與當地大氣壓有關。由式（2）可見，當地大氣壓強P1越大，安裝高度H1也可越大。隨著海拔升高，大氣壓強下降，虹吸管允許安裝高度隨之降低。對不同海拔的大氣壓強水柱高，可按（10.33-當地高程/900）m進行估算。因此虹吸管設計時，需關注當地大氣壓數值，而不是簡單套用一些書籍給出的（70～80）kPa允許真空值。

3.2 當地水溫

表1為水的汽化壓強表。由表1可知，水溫越高，汽化壓強隨之加大，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 ℃，汽化壓強高3.0 kPa，差值不小。因此，虹吸管安裝高度需考慮運行期內當地常態化的高溫天氣因素。

表1 水的汽化壓強表

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，取值過大又導致虹吸管不能可靠運行。而且參考取值范圍往往較大，使得最大安裝高度相差甚遠，因此有必要認真探討。

《水力學》[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），但實際上當虹吸管內壓強接近該溫度下的汽化壓強，液體將產生汽化，破壞水流的連續性，故一般不使虹吸管中的真空值大于70～80 kPa。

《給水排水設計手冊》[2]認為一般采用允許真空高度60～70 kPa；《水力學》（西南交通大學版）[3]認為要保證虹吸管能通過設計流量，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計手冊》認為虹吸管允許真空高度可采用40～60 kPa，但不應大于70 kPa。

SL 202—2015《水電站引水渠道及前池設計規范》附錄D“前池虹吸式進水口設計”中要求虹吸管頂點的最大真空值不大于當地大氣壓強減去水的汽化壓強。實際上，水在接近汽化壓強的過程中已釋放出氣泡并不斷積累，因此該規范的提法不夠可靠。

關于虹吸管內最大允許真空值取值問題，需要進一步試驗確定。

3.4 設計布置

管徑、管道流速、上下游水位差、水頭損失等設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，都要通過優化設計布置來實現。

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定可靠運行。

4.1 優化設計布置

優化設計實例：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，設計引水流量為0.5 m3/s，管道長度100.0 m，當地大氣壓為100 kPa，虹吸管最大允許真空值取7.5 m（見圖2）。因受現場地勢較高制約要求盡量提高虹吸管管頂安裝高程，各方案優化設計及計算結果見表2。

圖2 工程示意圖

表2 不同設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，如表中優化設計后的方案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最大真空值，從而提高虹吸管運行的穩定性和可靠性。

4.2 管頂設除氣設備

可在虹吸管頂設置液氣交換設備，實時使管頂積氣與液氣交換箱內水體進行交換，排除管頂積氣（見圖3）。

圖3 液氣交換設備示意圖

使用該類設備，理論上可將虹吸管最大安裝高度提升至使管頂壓強等于水的汽化壓強。因為即使管頂水在發生汽化，產生的氣體可通過該設備及時排除，保障水流的連續性。但須根據實際需要設置水箱大小及控制加水頻次，間隔一段時間對設備進行檢查，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，若管頂壓強按等于水的汽化壓強控制（即2.4 kPa），流量、管徑、水頭差等不變，根據式（2）計算該虹吸管最大安裝高度可為8.90 m。

使用液氣交換設備，可適當提高虹吸管安裝高度的同時，也可增強虹吸管運行的可靠性。

4.3 其他措施

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

5 結 語

虹吸管安裝高度的影響因素主要有當地氣壓、水溫、管內最大允許真空值的取值及設計布置等因素。針對這些因素，可通過優化設計布置、最大允許真空值合理取值、設置液氣交換設備或真空泵等措施，提高虹吸管的最大安裝高度或使虹吸管運行更加可靠。