虹吸管全自动真空器及有关问题探讨

陈起红，胡栋辉

（1.宁波江河信息科技有限公司，浙江 余姚 315400；2.余姚市水利局，浙江 余姚 315400）

1 虹吸管概况

根据《浙江省山塘综合整治技术导则》要求，山塘水库在除险加固时，原坝下涵管均需进行封堵处理。考虑到山塘水库除险加固投资有限，多数采用虹吸管作为新的输水设施。虹吸管是一种利用虹吸原理来输送液体的装置，一部分管轴高于上游面，出口则低于上游水面的管道，其中部分液体为负压，出口可以自由出流或淹没出流。本文主要研究如何解决其真空问题。

虹吸管流量公式采用曼宁公式：

式中：Q为流量，m3/s；u为流量系数，无量纲；A为面积，m2；g为9.81 m/s2；ΔH为上下游水位差，m；ξ为局部水头损失系数，无量纲；n为管道糙率，无量纲；R为水力半径，m；l为管道长度，m。

不同管径的镀锌钢管在不同的上下游水位差下，计算流速和流量见表1。n取0.012，∑ξ取3.0，l取50 m。

表1 不同水位差下管道流速和流量表

从计算结果看，在同样水头下，随着管径的增大，流速也增大。计算中要求管道必须为满管流。虹吸管在实际运行中很多管子轻微漏气及下游管子会引入空气，往往导致虹吸管顶部存在大量空气，不断积累后产生断流现象。

分析原因主要是：

（1）管道焊缝漏气：虹吸管一般采用镀锌钢管，需在工地现场进行焊接。由于受工地现场环境限制，焊接可靠度不高，随着时间推移，焊缝容易锈蚀导致管道漏气，以及管道未考虑热胀冷缩，产生裂缝继而漏气。

（2）管道构件漏气：虹吸管头部单向阀和顶部气液交换箱构件因安装精密度原因或构件腐蚀，导致密闭性不良，产生漏气。运行一段时间后，经调查，有很多虹吸管头部单向阀堵塞或关闭不严。

（3）水体低压汽化、溶解气体析出：在长期负压作用下，水体本身会产生汽化和溶解气体析出现象，负压大于60 kPa时更为明显。山塘水库通常以灌溉为主，不经常放水，放水周期有时甚至达几个月之久，水体释放的气体积累到一定程度，虹吸管内的真空就会被破坏。

2 全自动真空器研制

解决虹吸管真空破坏问题，主要有2种方式：

（1）虹吸管管道进口设置单向阀，管道顶部设置气液交换箱，在气液交换箱中灌水，灌满整个管道后关阀。

（2）利用真空泵从虹吸管最高处（顶部）抽空气，待管顶有水溢出时关闭阀门（见图1）。

图1 虹吸管示意图

本文主要考虑第二种方式，研制虹吸管全自动真空器，主要构造是2个密闭箱，下密闭箱直接与虹吸管相连，即虹吸管内水与下密闭箱连通，放置水位控制单元，对虹吸管内水位情况进行实时监控。当下密闭箱内水位低于设定值时，触发排气信号，将虹吸管内水提升上来；当下密闭箱内水位高于设定值时，触发关闭信号，停止排气，使虹吸管长期处于满水状态。上密闭箱放置负压发生器和电源控制单元。负压发生器排气量5~10 L/min，功率5~8 W，负压80~90 kPa。虹吸管全自动真空器外壳采用Ф150 mm不锈钢管，高度160 mm，内部储水量约1.5 L。考虑到虹吸管全自动真空器安装环境恶劣，山塘水库高水位期间设备可能被淹没，故对其进行整体密封，防水等级达到IP68（见图2~3）。

图2 全自动真空器示意图

图3 全自动真空器实物图

另外，需要解决设备供电的问题。根据实际使用情况，虹吸管管道一般24 h漏气量小于2~7 L，按上述选取的负压发生器，24 h工作时间不超过10 min，典型工况下日耗电量不超过1 W∙h，故采用12 V/5 W~12 V/10 W太阳能板和12 V/5 A∙h动力电池组即可满足30 d以上阴雨天气连续工作需要，完全可解决山塘没市电的问题。

本设备已获实用新型专利（ZL201721399848.1）和浙江省水利新技术推广证书，并应用广泛。

3 虹吸管设计中应注意的细节问题

（1）经调查，很多虹吸管设计时没有考虑管道的热胀冷缩问题，且设置镇墩过多。若坝顶处按固端处理，则上下游支墩（镇墩）均需按滑动设计。若上下游设有镇墩，则虹吸管外需包油毛毡以便管道能够伸缩。管道较长时，可设伸缩节。

（2）虹吸管下游端负压不能过大。管道较长时，应在高差8~9 m处设置阀门，阀门后设置排气阀，下游的空气从排气阀中出来，而不再积累至虹吸管管顶，以减少真空器工作时间。若出口阀门装在高差大于8~9 m处但未装排气阀，则需控制放水流量，使虹吸管真空度低于设计值，以控制下游高差8~9 m处不出现负压，一定要正压。设排气阀后，排气时压力为0 kPa，不排气时为正压，也就是控制真空器负压不超过80~90 kPa。

（3）虹吸管正常工作的核心是管道防漏气。钢管或PE管施工完工后应运行0.3 MPa压力试验，各类管道阀门应采用优质产品，出水阀后建议接弯管深入储水池中0.2~0.5 m，以减少小流量放水时空气侵入管道。

（4）加强管道防腐设计，尤其是焊接部位，有条件的情况下进行内外防腐。

4 结 语

山塘水库采用虹吸管输水方便，投资成本低。通过安装全自动真空器可彻底解决山塘水库虹吸管放水过程中容易断水的问题，在山塘水库防洪调度、生态流量管理、农村供水取水口等均可广泛应用。