虹吸管安装高度问题浅析

史冬梅，周培华

（1.杭州市富阳区河道水库管理中心，浙江 杭州 311400；2.杭州市萧山区浦阳江流域管理中心，浙江 杭州 311251）

1 问题的提出

虹吸管广泛应用于灌溉、供水、工业生产及日常生活等领域。其优点在于能跨越高地障碍、减少挖方、节省工程量、无能耗等，但存在安装高度受限制的问题。图1为虹吸管示意图，其中H1值即为安装高度。为此，须分析虹吸管安装高度的影响因素，并针对这些因素，通过优化设计布置、最大允许真空值合理取值、设置液气交换设备或真空泵等措施，以提高虹吸管最大安装高度及运行可靠性。

图1 虹吸管示意图

2 虹吸管安装高度限制条件

虹吸管安装高度限制条件主要有2个：①水流的气穴现象及汽化；②大气压能转化为位能的极限。

2.1 限制条件一—水流的气穴现象及汽化

水流内部含有许多尚未溶解的空气与蒸汽的微小气泡，即气核，当水流中压强降低，气核便膨胀长大，形成气穴现象。

标准大气压条件下水的沸点为100 ℃。大气压越低，沸点越低，大气压越高，沸点越高。虹吸管内形成负压，最大负压一般发生在管顶，当管顶压强降至接近该温度下水的汽化压强时，水将产生汽化，破坏水流的连续性，最终导致虹吸管断流。

根据能量方程，管顶压强水头为：

式中：P2/γ为管顶压强水头，m；Z1为上游水位，m；P1/γ为大气压强水头，m；V1为上游流速，m/s；Z2为管顶中心高程，m；V2为管顶流速，m/s；hw1-2为水头损失，m。其中H1=Z2-Z1，即安装高度，m。

由式（1）可见，安装高度H1越大，管顶压强P2/γ越小，相应管顶真空值（负压）越大，水流越容易发生气穴及汽化。当安装高度H1超过最大允许值时，管顶压强降至接近该温度下水的汽化压强，水将产生汽化，最终导致断流。因此虹吸管安装高度受到水流气穴及汽化的限制。

2.2 限制条件二—压能转化为位能的极限

根据式（1）可得安装高度：

式（2）中一般情况下V12/(2g) ≈0，即使P2/γ=0时水不会发生汽化，得H1=P1/γ-V22/(2g)-hw1-2，可见H1始终小于当地大气压强水柱高P1/γ。不过，安装高度首先取决于限制条件一—水的气穴现象及汽化。

3 虹吸管安装高度具体影响因素

3.1 当地大气压强

虹吸管安装高度与当地大气压有关。由式（2）可见，当地大气压强P1越大，安装高度H1也可越大。随着海拔升高，大气压强下降，虹吸管允许安装高度随之降低。对不同海拔的大气压强水柱高，可按（10.33-当地高程/900）m进行估算。因此虹吸管设计时，需关注当地大气压数值，而不是简单套用一些书籍给出的（70～80）kPa允许真空值。

3.2 当地水温

表1为水的汽化压强表。由表1可知，水温越高，汽化压强随之加大，允许真空值随之减小，其他条件相同的情况下，允许安装高度降低。水温30 ℃相比于10 ℃，汽化压强高3.0 kPa，差值不小。因此，虹吸管安装高度需考虑运行期内当地常态化的高温天气因素。

表1 水的汽化压强表

3.3 虹吸管最大允许真空值的取值

最大允许真空值的取值，对虹吸管设计安装高度影响重大。过于保守的取值，计算得出的最大安装高度偏小，取值过大又导致虹吸管不能可靠运行。而且参考取值范围往往较大，使得最大安装高度相差甚远，因此有必要认真探讨。

《水力学》[1]指出虹吸管顶部真空值理论上不能大于最大真空值（即100 kPa），但实际上当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强，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70～80 kPa。

《给水排水设计手册》[2]认为一般采用允许真空高度60～70 kPa；《水力学》（西南交通大学版）[3]认为要保证虹吸管能通过设计流量，一般限制管中最大真空高度不超过70～80 kPa；《给水排水工程快速设计手册》认为虹吸管允许真空高度可采用40～60 kPa，但不应大于70 kPa。

SL 202—2015《水电站引水渠道及前池设计规范》附录D“前池虹吸式进水口设计”中要求虹吸管顶点的最大真空值不大于当地大气压强减去水的汽化压强。实际上，水在接近汽化压强的过程中已释放出气泡并不断积累，因此该规范的提法不够可靠。

关于虹吸管内最大允许真空值取值问题，需要进一步试验确定。

3.4 设计布置

管径、管道流速、上下游水位差、水头损失等设计布置因素均对虹吸管安装高度有较大影响。在断面1～断面2、断面2～断面3（见图1）列能量方程[5-6]：

式中：Z3为断面3水位，m；P3/γ为大气压强水头，m；V3为断面3流速，m/s；hw2-3为断面2～断面3之间的水头损失，m。V1、V3可忽略不计，则管顶高程：

式中：（P1/γ-P2/γ）、（P3/γ-P2/γ）为管顶真空值。从式（4）中可得知：当Z1和最大允许真空值已定时，要增大Z2（即增大安装高度H1=Z2-Z1），须减小V2、减小hw1-2、加大hw2-3、加大Z3，都要通过优化设计布置来实现。

4 提高虹吸管的安装高度措施

研究提高虹吸管的安装高度，同时也是研究在同等安装高度下使虹吸管更稳定可靠运行。

4.1 优化设计布置

优化设计实例：某工程采用虹吸管跨越高地，从一较高水体往另一较低水体引水，两水体基本无流动，即上下游流速水头可忽略，两水体水位差5 m，设计引水流量为0.5 m3/s，管道长度100.0 m，当地大气压为100 kPa，虹吸管最大允许真空值取7.5 m（见图2）。因受现场地势较高制约要求尽量提高虹吸管管顶安装高程，各方案优化设计及计算结果见表2。

图2 工程示意图

表2 不同设计布置情况下的虹吸管最大安装高度对比表

从表2可见，控制水头差、控制流速、减小前段水头损失、采用前粗后细等措施，可有效提高虹吸管最大安装高度，而且提升空间较大，如表中优化设计后的方案7比方案1最大安装高度提高了1.87 m。

同理，在相同安装高度情况下，采取以上措施可降低管道内最大真空值，从而提高虹吸管运行的稳定性和可靠性。

4.2 管顶设除气设备

可在虹吸管顶设置液气交换设备，实时使管顶积气与液气交换箱内水体进行交换，排除管顶积气（见图3）。

图3 液气交换设备示意图

使用该类设备，理论上可将虹吸管最大安装高度提升至使管顶压强等于水的汽化压强。因为即使管顶水在发生汽化，产生的气体可通过该设备及时排除，保障水流的连续性。但须根据实际需要设置水箱大小及控制加水频次，间隔一段时间对设备进行检查，观测液气交换箱水位管的水位，低于1/3时，须及时补充水量，防止虹吸管真空被破坏。前述表2中方案4，100 kPa大气压、水温20 ℃情况下，若管顶压强按等于水的汽化压强控制（即2.4 kPa），流量、管径、水头差等不变，根据式（2）计算该虹吸管最大安装高度可为8.90 m。

使用液气交换设备，可适当提高虹吸管安装高度的同时，也可增强虹吸管运行的可靠性。

4.3 其他措施

提高虹吸管安装高度的其他措施主要有：管顶设真空泵，对管顶积气进行抽排；减少进水掺气量，保证虹吸管进水口淹没深度；加强管路气密性，尽量减少外部空气进入虹吸管并在管顶聚集等措施。

5 结 语

虹吸管安装高度的影响因素主要有当地气压、水温、管内最大允许真空值的取值及设计布置等因素。针对这些因素，可通过优化设计布置、最大允许真空值合理取值、设置液气交换设备或真空泵等措施，提高虹吸管的最大安装高度或使虹吸管运行更加可靠。