关于正虹吸应用于工程排水的思考

李一鹏

目前工程自流式排水包括明渠流及管流(含非满管及满管流两种方式)。现有方式均需保证排水结构物内的任一过水断面标高均不得高于进水口流水面标高,否则水将无法排除;“水往低处流”,思维定势也。

如采用正虹吸,只需满足进口流水标高不低于出口流水标高即可,进出口之间任一流水面标高原则上可比进口或出口流水面最多高7 m左右,对减少开挖工程量、规避管线拆迁等相应风险的好处不言而喻。

本文重点将就正虹吸排水方式应用于工程排水尤其是公路及市政排水方面作一些探讨,能做到抛砖引玉即是最大希望,请各位行家多多批评指正。

明渠均匀流水力公式：

满管均匀流水力公式：

其中,Q为流量,m3/s;N为糙度(无量纲数,查各种材料糙度表);R为水力半径,m;I为明渠排水坡度(无量纲数,如1%直接在式中写0.01);A为过水断面积,m2;g为重力加速度,m/s2,一般取9.8;h为进出口高差即水头差,m;λ为管道沿程水阻系数(无量纲数);L为正虹吸管总长度,m;D为正虹吸管内直径,m;为正虹吸管局部水阻系数之和(无量纲数)。

现有传统工程自流式排(引)水结构主要有明沟、盖板沟、渗沟、盲沟、盖板涵、拱涵、圆管涵、倒虹吸涵、渡槽等类型。

1)对于明沟、盖板沟、渗沟、盲沟等,以下情况可考虑采用正虹吸：当设计过水断面上存在旧有管线或管沟,采用倒虹吸施工也不方便,可考虑采用。正虹吸排水在经过这些管线时在排水标高上有0 m～7 m(一般以不超过6 m为宜)提升范围的选择。当采用传统方式要保证过水断面标高,涉及开挖量过大时,可考虑采用正虹吸,尤其当所需排水量愈小(如软基处理中只排除地表以下水的盲沟),正虹吸优势越明显。

2)对于非阶梯涵类型的填方区盖板涵、拱涵,如只考虑能排出水,将不再受全涵流水面标高不得高于进口流水面标高,进口流水面标高不得高于进口处原地面流水标高的限制,对于涵洞的设计和施工规避不利因素(如软基处理等)空间选择范围将更加灵活,更易实施优化(如涵长缩短、顶填土厚减少可让拱涵变为盖板涵等)。

3)代替倒虹吸。根据JTG/T D65-04-2007公路涵洞设计细则4.2.6条规定,倒虹吸管涵适用于路堑挖方高度不能满足设置渡槽的净空要求时的灌溉渠道,不适用于排洪河沟。

设倒虹吸进出水口标高分别为H进,H出,此段横穿处路面最高标高为H路,则必有H进＞H出＞H路,且有H进-H路小于净空要求,H出-H路小于净空要求,暂定净空要求为5.5 m,则采用正虹吸只需将水提升5.5 m-(H进-H路)≤5.5 m即可。因工程中采用正虹吸净提水高度最大为7 m,故采用正虹吸代替倒虹吸满足多数公路净空要求是没有问题的。

[1]盛维森.大型屋面虹吸雨水排水管道安装[J].山西建筑,2009,35(8)：211-212.