水库虹吸管的运用特性.doc

水库虹吸管的运用特性理论研究水库虹吸管的运用特性2008年第3期水库虹吸管的运用特性施俊跃陈革强卢健国赫健洪一民徐招才(1.浙江省水利管理总站,杭州市310016;2.杭州大禹虹吸科技有限公司,杭州市310016)【摘要】随着千库保安工程中水库虹吸管应用的日益普遍,需要对虹吸管的工作原理与运用特性作更进一步的了解,以便对存在于虹吸管设计与运用中的一些问题进行更深入的研究,本文就此作些探讨.【关键词】虹吸管;运行特性;真空度【中图分类号】TV652.2【文献标识码】B【文章编号】10081305(2008)03004103用水库虹吸管代替隐患较多的土坝涵管已经在浙江省千库保安工程中得到较成功的应用,已被普遍认可与接受.从近几年虹吸管实际工程的设计与运用中发现,对水库虹吸管的工作原理和运用特性研究甚少,从而对使用过程中出现的一些问题尚缺乏科学的分析与正确的处理办法,本文特就此对虹吸管的运行特性作一些探讨.1虹吸管工作原理虹吸管是一种跨越挡水建筑物并将水流引向下游某个低于上游库水位位置的严格密封性输水管道.由于虹吸管道在上游水位以上部分均高于正常运行压坡线,在管道正常输水过程中处于负压运用状态,故在启动前应设法将虹吸管道内的压强降低至某个能使水库内水体在大气压强与管道内压强的压强差作用下跨越挡水建筑物的压强数值,则上游水体将能从上游沿虹吸管道流向下游,如图1所示.L.L.雷图1虹吸管布置剖面图为便于在实际运用中对虹吸输水进行人为控制,进口设置进水底阀,出口配置控制阀门;驮峰顶部设置充水管及充水阀门和排气管及排气阀门,或者单设抽气管和阀门并配以真空泵,用以降低虹吸管驮峰顶部的压强.虹吸管中低于大气压强的数值即真空度,根据虹吸输水过程中的能量转换关系,该真空度应由虹吸高度h和驮峰末端前段管道中的水头损失确定,即驮峰顶部的真空水柱高度h应按下式计算:h=h+Ahf1(m)(1)式中:h驮峰顶部的真空水柱高度值,m;Ah驮缝末端D点前的虹吸管长度中的水头损失,m.一个大气压强的水柱高度为10.33m,海拔每升高900m就降低1m水柱高度的压强,所以,虹吸管所在地的大气压强为:订Pa=10.33一(m)(2)式中:虹吸管所在地的海拔高度,m.当上游水库水面的大气压强大于虹吸管驮峰顶虹吸管最高点称为驮峰,将虹吸管驮峰顶部高于上游最低水位的高度称为虹吸高度,胍表/示.工程介施俊年.男浙江省永肺人高级?41?理论研究水库虹吸管的运用特性2008年第3期部压强一定数值时,水流将在大气压强和上下游水位差的共同作用下,从压力较高的水库流向压力较低的虹吸管中,虹吸功能形成,即:nPo=10.33一V>=(+(3)no>0(4)式(3)为虹吸管形成虹吸的必要条件.式(4)为虹吸管形成虹吸的充分条件.虹吸管属于水力学中的简单管,根据能量守恒定律和管流计算公式,虹吸管中的水头损失与出El动能E=aVZ/2g之和总是与虹吸管具有的水头相等,即克服虹吸管中的水力磨阻与局部阻力的能量和出口动能是由水头提供的,形成虹吸功能的外加能量只需克服虹吸高度h即可.式(3)表明,虹吸管驮峰部位的压力降低是虹吸功能形成的必要条件,但是如果压力降低到当时温度下的水体汽化压力时,水将汽化,虹吸功能将被破坏.因此,虹吸管驮峰部位的压力降低必须予以控制.以20纯水的汽化压力为0.24m水柱高度为例,虹吸管驮峰部位的压力应满足下式:订尸2=10?33一一hs一f1>.24In(5)即:订:h+n<10.09一(6)虹吸管驮峰部位的水体,由于压力的降低,常压下水体中的不可见气核会因压力的降低而逐步膨胀扩大形成可见气泡后逸出,聚集在驮峰顶部形成气囊,当气囊体积增大到一定尺度后,虹吸功能亦将被破坏.为防止虹吸管驮峰部位形成气囊,h也应予严格控制,我们将在另一篇文章中加以讨论.2水库虹吸管的运用特性2.1水库虹吸管的组成根据虹吸管的工作原理和实际运用要求,水库虹吸管由以下部分组成:a)虹吸管进口底阀:即虹吸管的进水设备,俗称潜水装置.b)驮峰充水管和充水阀门及排气管和排气阀门,或者为排气管,排气阀门和真空泵,为虹吸管的真空形成设备.e)出口阀门:控制虹吸管出水流量的设备.2.2水库虹吸管形成虹吸方式水库虹吸管形成虹吸的有效实用方法有两种.?42?a)充水排气法:用水泵或人工从水库取水,经驮峰充水阀和充水管直接往虹吸管内充水,管内空气经驮峰排气管和排气阀门排出,当排气管口溢出水时,关闭充水阀和排气阀,然后打开出口阀门,管中水体在虹吸管道水头作用下连续流经出口阀门,虹吸功能形成.b)真空泵抽气法:用真空泵通过驮峰排气管和排气阀直接从虹吸管中抽气,降低虹吸管道中的压强,当虹吸管驮峰部位真空度达到等于或大于驮峰部位运行最大真空度后,关闭驮峰排气阀门,然后打开出口阀门,虹吸功能形成.2.3水库虹吸管的运用特性在水库虹吸管设计过程中,需要掌握管道的运用特性才能正确处理管径D与管长及水头之间的关系,才能正确控制虹吸管中的流速和驮峰顶部真空度h之间的关系,保证虹吸管正常稳定长期的运用,现就这几方面的问题讨论如下.a)水库虹吸管管道特性.虹吸管管道特性指管径D与管长及水头及流速之间的关系特性.根据短圆管的管流计算公式可以得出虹吸钢管几个管道参数之间的关系如下:r:1/4【_(1+)Jyc式中:考虹吸管道局部水头损失系数.式(7)表明了水库虹吸管几个参数之间的基本关系,因此,可以根据式(7)按已经确定的管线布置参数计算出管道直径D.式中流速是影响虹吸管安全稳定运行的重要参数,在虹吸管设计工作中,应预先加以控制:流速过小,运行过程中容易在驮峰部位形成气囊,从而中断虹吸功能.流速过小,可能不能满足输送的流量要求,过小的流速甚至不能打开虹吸管头部底阀;流速过大,虹吸管驮峰段管道末端前面管道中的水头损失过大,致使驮峰顶部的真空度超过水体不汽化的允许值,虹吸功能形不成,或形成虹吸运行后在很短的一段时间内就被破坏.在正确处理以上两者关系的前提下,确定一个虹吸管的安全流速,从而按式(7)确定虹吸管直径.在实际工程中,各自具有的客观条件均不相同,因而所需要控制的流速大小也不一致,须经计算后才能确定.在确定虹吸管道的线路布置后,可以根据式(7)计算虹吸管的管道特性曲线,作为理论研究水库虹吸管的运用特性2008年第3期竺篓.图2为按某一安全流速控3水库虹吸管的结构特性制的虹吸管道特性曲线.一一一婶e蚰哟O毛口B700尊OO图2管中某流速控制的大禹虹吸管参数b)水库虹吸管流速特性.对于已经确定直径的水库虹吸管道,可以根据虹吸管道流速公式计算管道的流速特性曲线,即,之间的关系曲线,以作为水库运用过程中不同库水位时的流速变化情况,作为运行控制依据.根据流速特性,可以得出不同水库水位时的管中流速,或者按预定的安全控制流速得出最低水头时的虹吸管长度.c)虹吸管道驮峰真空特性.对已确定虹吸管道布置和相关设计参数的虹吸管,可以计算该管道驮峰位置的真空特性:先绘制z,z两条关系曲线,据此计算出虹吸管驮峰部位真空特性曲线z,.从该曲线可以得到随着水库水位的变化,该虹吸管驮峰顶部真空度的变化数值,作为虹吸管运行中真空度控制的依据.图3所示为某水库虹吸管的真空特性曲线.图3某水库虹吸管运行特性曲线水库虹吸管在正常压坡线以上部分的管道均处在负压状态运行,因此,保证整根管道的严格密封性是虹吸管长期稳定运行的基本条件.为此,虹吸管道在结构与管道敷设的措施方面应使这种密封性能得到严格的保证,使得其具有区别于常规压力管道的以下特征:a)虹吸管道应尽可能避免使用伸缩节:常规压力管道敷设中,在镇墩后需设伸缩节以适应钢质管道的温度变化.但伸缩节在长期运行过程中是容易漏气的一个薄弱环节,且较难以克服.为此,在虹吸管道露天敷设中不使用镇墩固定,只用支墩支承.故,对于高水头和大直径管道,在管道拐弯处应有防止轴向力作用造成管道位移过大的措施.b)出口应形成管口淹没条件:虹吸管出口修建静水池形成淹没条件是保证虹吸管密封性的重要措施之一.水库虹吸管在运行过程中,管中水流随着上游水库水位的变化也在变化,当水库水位处于低水位运行时,管道出口段水流可能形不成满管水,空气就有机会从出口进入管道中上升至驮峰部位,逐步积累的结果,在驮峰就可能形成气囊,破坏虹吸功能.出口修建静水池是避免管口进气的最有效措施.静水池面积应足够大,管口淹没要足够深,避免因水位波动而使管口外露进气.c)驮峰排气阀门和出口伸缩蝴蝶阀的珐琅连接应采用高性能的止水橡胶垫片,阀门均采用铜质阀门.运用过程中应对阀门的密封性检查予以重视.4结论a)虹吸管驮峰顶部的真空度应满足文中式(6)的基本要求.b)根据虹吸管道的运用特性,应认真控制虹吸管道安全流速,