长距离虹吸管输水试验研究

长距离虹吸管输水试验研究
摘 要 虹吸管输水流量一般按gH A Q 2μ=，ζλ
μ∑+=d l 1
进行计算，但是在新疆某虹吸输水管路水力学模型试验中发现，对长距离正虹吸输水管道利用上式所计算得到的流量与实际测得流量值相差很大。

本论文通过模型试验，对长距离虹吸管输水流量的影响因素进行模型试验研究。

试验结果表明，影响虹吸管输水流量的因素，除管道布置形式、管径、管长、管道粗糙度及水位差外，还应与虹吸管的安装高度有关。

通过试验及分析得到：
(1) 要满足原型、模型中汽化现象的相似要求，虹吸管的模型安装高度不能仅仅按照正态下重力相似准则来设计；
(2) 在相同上下游水位差情况下，虹吸管输水流量随着安装高度的增加而逐渐减小。

本文推导出了长距离虹吸管流量受安装高度影响的计算公式；
(3) 观测管道在不同工况和流量下的真空输水段水流汽化现象，当管内断面平均流速大于气泡的起动速度时，虹吸管可以持续输水，不会发生断流，否则将会发生断流；
(4) 对长距离虹吸管排气方式的选择及安装位置的选择进行了试验研究及分析。

关键词：长距离虹吸管；试验研究；流量；安装高度；汽化；气泡
Experimental Research on Pumping Water
by Long Distance Siphon
Abstract Usually, water delivery discharge of siphon piping is calculated by the formula gH A Q 20μ=(∑+=ςλμd l 1
0).But in the hydraulic model test about long distance siphon
piping engineering of Xinjiang, the measured discharge of the pipe is very different from the design one which is calculated by the formula. Based on this test results, in this paper, the water discharge’s calculation method of siphon pipe has been discussed through model tests at the laboratory. The results indicate that siphon pipe discharge is influenced not only by the usual factors such as the form of pipe arrangement, caliber,pipe line, pipe roughness and water level, but also by the setting height of siphon.
Some conclusions can be drawn by model tests:
(1) In order to content with similar demand of vaporization, the siphon piping’s setting height in the model can’t be designed only by gravity similitude principe.
(2) Under conditions of same water level, the water delivery discharge gradually decreases along with the increment of setting height, the discharge calculate formulation attached with setting height of long siphon piping is derived.
(3) Observed flow vaporization of vacuum delivery pipe in differenct working conditions, ,while pipe cross-section velocity is bigger than air bubble’s competent velocity, siphon pipe can work well, otherwise, water interception will happen.
(4) The air exhaust pattern and air relief installation’s location for long-distance siphon pipe have been studied by the model tests.
Key words : Long-distance siphon pipe, experimental research, discharge, setting height, acetify, air bubble
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尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得新疆农业大学或其他教育单位的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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第1章绪论
1.1 引言
随着全球气候的逐渐变暖，城市人口的不断增加、工农业的迅速发展，水资源的需求迅速增加，世界性水资源短缺已成为现实。

长距离引水、调水工程成为人们寻求利用更远地区水资源的必然手段，水资源问题严重影响地区居民的生活，制约其地区经济的发展。

所以，能否选择一种经济、高效、有效的引水、输水方式，将直接影响人们日常生活与城市的发展。

目前，国内外常用的长距离引水方式主要有：渠道引水和管道引水两种。

渠道引水可分为暗渠和明渠；管道引水分为重力输水、压力流和虹吸管等。

渠道输水无论是暗渠、明渠都是依靠重力自流，所有渠段都必须沿等高线布置，并保持合理的纵向坡降，受地形限制比较严重，工程量大，水量损失严重，并且受季节影响(如冬季无法运行)。

而管道输水一般总是按最简捷(最短)的路线布置，可大大减少土建施工工程量，一般不存在冬季和早春结冰问题，有利于保证长年正常供水，可减少输水过程中的蒸发和渗漏，具有输水损失小，避免水污染，维护费用低等优点。

虹吸管作为管道输水方式之一，更是带着可减少大量水下作业工作量，减少施工中的困难，能跨越一定高度减少施工中的开挖，施工周期短，减少水流沿建筑物的渗漏损失，易于安装维护、造价低廉、运行方便等优点进入了我们的生活。

虹吸管又分正虹吸管与倒虹吸管两种：倒虹吸管常用于通过谷地、沟壑、道路、河道等而设置的压力输水管道；正虹吸管则是两低处跨越某一高地之间的输水，这样铺设管路可减少土方开挖。

本文所进行模型试验的新疆某地下水库式示范工程中的输水管道为正虹吸管，以下简称虹吸管。

虹吸管输水的工作原理是：利用大气压这个永不消逝的能量，与管道内真空之间形成压差，在上、下游水位差(水位差大于管路损失)的作用下，水流就会源源不断地从水位高的地方流向水位低的一方。

利用虹吸管输水时，需先排除管道内空气，使管内形成真空，才可形成虹吸。

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一般常用的方法有两种［1］：(1) 充水排气法：将进、出口阀门关闭，用水泵或人工往虹吸管内充水，管内空气经驼峰排气管或排气阀门排出。

当排气管口溢出水时，关闭充水阀和排气阀，然后打开进、出口阀门，管中水体在虹吸管道上、下游水头差作用下连续流经出口阀门，虹吸功能形成。

(2) 真空泵抽气法：用真空泵通过驼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。

当虹吸管驼峰部位真空度等于或大于驼峰部位运行最大真空度后，关闭驼峰处排气阀门，然后打开出口阀门，虹吸功能形成。

虹吸管是利用大气压的能量引水的一种输水方式。

一般情况下，大气压的最大压水高度为10.3米。

从理论上说，虹吸管能够提升水的最大高度为10.3米，但由于水中气核的存在，在常温下，当压强小于汽化压强时，水体内的气核将会迅速膨胀，在水中形成明显气泡，这种现象称为汽化。

所以，虹吸管内真空度达到一定值时，即发生汽化现象；汽化分离出的气泡，将会影响虹吸输水，严重时可阻断虹吸。

因此，工程中一般限制虹吸管中最大真空度不超过7~8米水柱［2］。

虹吸管流量计算公式通常采用下式计算：［3］
gH A Q 20μ= (1-1)
ζλμ∑+=d l 10
(1-2)
式中，A 为管道的过水断面面积，m 2；
H 为管路进出口水位差，m ；
∑ζ为管路局部水头损失系数的总和；
λ为沿程阻力系数；
L 为管路的总长，m ；
d 为管道内径，m 。

对于同一输水管道，只要知道管道上、下游水位差就可计算出虹吸管输水流量，或者在已知输水流量的情况下可反算出上、下游水位差。

水力计算方便，但都忽略了真空度对流量的影响。

试验表明，管内真空、水流汽化、产生气泡将会减少虹吸输水流量。

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利用虹吸原理进行输水在日常生活中和实际工程中被广泛采用。

如生活中常用软管将容器内的水向外导流。

在我国黄河中下游沿岸，由于部分河岸高出两侧农田的地区，广大劳动人民就利用虹吸管对这些农田进行灌溉和排淤［4］。

虹吸管输水在很多小型水库的除险加固工程中也得到了广泛应用，主要应用于输水灌溉涵管的重建。

但到目前为止国内采用虹吸管输水的都是短距离(最大长度也不超过500m)，而且多采用“驼峰”式的虹吸管，在虹吸管段的高点处排气。

对于水平跨度较大的输水工程中很少使用虹吸管。

这主要是因为虹吸管处于真空状态下工作，管外空气很容易从管路接头的不严密处进入，工程施工难度大，对管道连接密封性要求高，对安装高度也有一定的限制。

因此，目前虹吸输水多应用于短距离的输水工程中，对于长距离输水工程中采用正虹吸形式国内极少使用。

1.2 本课题来源、背景
本课题来源于新疆某坎儿井地下水库式示范工程中输水管路的水力学模型试验。

在新疆某坎儿井式地下水库示范工程中，为了降低工程造价，首次在地下应用长距离正虹吸真空输水管道进行输水。

一期工程由四眼集水井，真空输水段约1400m，真空输水段末端为0＃井，上游段分别由1＃、2＃和3＃井组成。

真空输水段共分为两段，第一段是从上游2＃、3＃井至1＃井，长度分别为185m和254m；第二段是从1＃井至0＃井，长度为955m，虹吸管段坡度约为0.3%。

工程整体布置图见图1-1。

由于真空段很长，水流汽化现象复杂，在真空输水过程中从水中析出的气泡在管道中的分布位置和气泡的运动规律对管道输水能力的影响无法预知，必须通过水力学模型试验来复演和预演原型中可能出现的一些复杂的水流现象。

因此，本文通过水力学模型试验，对长距离正虹吸管道真空输水模型试验中相似比尺和掺气对输水能力的影响进行研究。

对管道上、下游水位差与流量关系，实测值与计算值进行对比分析，观察虹吸管水流汽化现象与此时的水流流态，对管道排气方式提出合理方案，为设计、布置抽气装置提供依据。

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图1-1工程整体布置图
Fig.1-1 The whole arrangement of the project
1.3 问题的提出
水力学中虹吸管的水力计算通常采用有压管流基本公式gH A Q 20μ=，
∑+=
ςλμd l 10计算。

工程实践表明，该公式对于短距离、驼峰式虹吸管的水力计
算是适用的。

但是通过新疆某坎儿井地下水库式示范工程中虹吸输水管路的水力学模型试验表明，将公式gH A Q 20μ=，∑+=ςλμd l 1
0用于长距离虹吸输水管道所
计算得到的流量与实测流量出入较大。

究其原因如何，笔者试图通过模型试验和理论分析，对长距离虹吸输水管道的水力计算、影响因素、模型设计及相似比尺的选择进行探讨。

1.4 国内外研究现状
在1981年《Water Eng. and Mengment 》［5］一文中首次提出最大虹吸安装高度计算公式，并给出了计算图表，可方便快捷的查出虹吸的最大允许高度，给虹吸管
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的设计与使用提供了理论依据。

王卫平、尹福才、黄智敏［6-11］等通过模型试验对虹吸管顶部安装高度的计算，对虹吸管的计算方法提出简单方便的曲线图法，并对虹吸管的水头损失进行了研究说明，但计算图表仅适用于标准大气压下粗糙管，局限性很大。

习和忠、王常生和陈秀玉［12］通过试验提出虹吸管最优曲率半径概念并给出了最优曲率计算公式与虹吸管驼峰断面上压强分布的理论计算公式，为虹吸管的设计进一步做出了优化，提高虹吸管输水流量。

冯建刚［13］结合上海市长江引水三期工程，取水泵站虹吸式出水管水力模型试验，分析了城市取水泵站虹吸式出水管的类型及特点，研究了影响虹吸式出水管虹吸形成的因素，提出了虹吸形成时间短的出水管布置方案。

姜俊红与戴红霞［14］通过水力模型试验，对驼峰后带长直管的虹吸式出水流道难以形成虹吸的特点提出改进方法，使得虹吸管能够在短时间内快速形成虹吸，提高了虹吸管的使用效率。

程松山、严登峰［15］等人分析了低扬程泵装置流道内空气的动力学特性、管道内的非恒定流以及水泵的动力性能，结合实测的泵机组起动转速变化规律，提出了起动过渡过程中虹吸驼峰压力变化近似计算的数学模型，通过构建数学模型的有限差分，组成非线性方程组，利用牛顿—莱福森法对泵流量、扬程、驼峰压力和下降段排出流量迭代求解。

朱红耕［16］通过数值模拟虹吸流道内三维流动，定量的评价了虹吸式出水流道水力设计的优劣，实现了虹吸管的简单数值模拟，为虹吸管研究打开了新的篇章。

这些研究着重介绍了虹吸管的安装高度，限制安装高度都不得大于7~8米，虹吸管的流量采用公式gH A Q 20μ=进行计算，但是并没有对虹吸管汽化现象进行说
明，在虹吸过程中不断从水中分离出来的气泡如何处理没有说明，对于虹吸管输水工程而言这是提高使用效率的关键所在。

对于利用虹吸输水的方式，应该对水流的汽化与气泡的运动规律进行研究。

计算表明，在常温20℃时水流的汽化压强为0.238米水柱［17］，而工程中使用的虹吸管的真空度早已超过此真空度。

因此，管流中就必然存在气泡，此时应该考虑气泡对输水流量的影响。

杨志明［18］讨论了在常规循环水洞和在减压箱中进行模型空化试验时，关于初生空化比尺效应的不同观点，指出了在减压箱空化试验中使用的相似律存在的缺陷，为了有效研究初生空化比尺效应，规范液体的抗拉强度为零是必
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要的，对于改善初生空化试验成果的互比性具有决定性的作用。

程文、周孝德和郭瑾珑［19］等通过试验验证了水中气泡的运动规律，分析了气泡直径与上升速度的关系，并且得出气泡上升速度在雷诺数为300左右时存在极大值。

张建生、孙传东和冀邦杰［20］等给出了一般情况下的小气泡、中等气泡、大气泡的运动规律，提出不同大小的气泡在上升过程中速度的变化并不相同，水中气泡的末速度当气泡直径为0.46毫米时存在一极大值。

并通过对水中气泡进行高速摄影分析，表明气泡运动速度与理论计算结果是一致的。

孙科霞、张明远［21］等人利用双头电导探针技术对水平管内空气、水两相流的局部统计特性进行了测量，分析了两相流局部统计参数（如局部空隙率、气泡频率、气泡速度、气泡尺寸、界面浓度等），随气液两相流流量的规律变化。

研究发现水平管内局部空隙率、界面浓度，在同一直径方向的分布呈现类似分布。

在管内除沿水平管径外，沿其它直径的分布都是非对称的。

卢作伟、崔桂香和张兆顺［22］运用捕捉流动界面的方法对气泡在液体中运动过程做了数值模拟，得到了与实验结果符合较好的数值结果，为复杂的气-液两相流提出了一种新的数值研究方法。

徐立伟、汤勃和饶润生［23］以气-液两相流动的均匀流模型为前提，根据流动基本方程推导出了水平圆管中气-液两相流的压降计算公式，并提出了数值求解方法。

1.5 本文主要研究内容
(1) 通过虹吸管水力学模型试验，观测管道在不同工况和不同流量下水流流态，分析模型比尺对模型试验的影响，选择虹吸管水力模型试验相似准则；
(2) 分析虹吸管中气泡运动规律及虹吸管的安装高度对流量的影响；
(3) 对管道的输水能力进行试验，给出管道的水头与流量关系曲线，分析试验结果与计算结果的差异，推导考虑安装高度影响的虹吸管输水流量经验公式；
(4) 观测管道在不同工况下的真空输水段水流汽化现象及此时的水流流态，对虹吸管内气泡的运动规律进行了试验研究，为虹吸管排气方式的选择及安装位置提供了理论依据。

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第2章 模型设计及制作
2.1 模型设计
2.1.1 模型相似准则与比尺的选择
虹吸管属于有压管流，其主要作用力为重力和粘滞力。

因此，模型设计应按照佛如德相似准则(重力相似准则)和雷诺相似准则(粘滞力相似准则)设计。

按照佛如德相似准则设计，比尺之间的关系为：
流速比尺： 2/1
L u λλ= (2-1)
流量比尺： 2/52
L L u Q λλλλ== (2-2)
时间比尺： 2/12/1L L
L u L t λλλλλλ===
(2-3) 式中：L λ为几何比尺；
u λ为速度比尺；
Q λ为流速比尺；
t λ为时间比尺。

按照雷诺相似准则设计，且原型与模型中采用同一种液体，比尺之间的关系为：
流速比尺： 1−
=L u λλ (2-4)
流量比尺： L L L L u Q λλλλλλ===−212
(2-5)
时间比尺： 21L L
L u L t λλλλλλ===− (2-6) 由式(2-1)和(2-3)可以看出，若满足佛汝德相似准则，要求2/1
L u λλ=，而若满足
雷诺相似准则，且原型与模型中采用同一种液体，要求1−
=L u λλ，显然，如果采用与
原型中相同的液体做模型试验，是不可能同时满足佛汝德相似准则和雷诺相似准则的。

若采用不同于原型的液体进行试验，则从同时满足佛汝德相似准则和雷诺相似
准则出发，可得：
2/12/1g
L u u L λλλλλλν= (2-7) 由于1=g λ，则
2/3
L λλν= (2-8)
式中：νλ为粘滞系数比尺；
g λ为重力加速度比尺。

本试验选用几何比尺=L λ40，由式(2-7)计算得==23L
/λλν253，这就要求在模型实验中采用的液体运动粘滞系数是水的1/253，这在目前是无法实现的。

根据实际管道中的雷诺数判断管道中的流态来分析粘滞力对水流运动的影响可知：当管中流态为紊流阻力平方区时，阻力相似并不要求雷诺数相等，而与雷诺数无关。

在实际工程中，管道输水为了近可能的增大输水流量，且泥沙不淤管道，一般设计流速都在1.2m/s 以上，由此可认为水流处于阻力平方区，故可不考虑雷诺数相等，即不考虑粘滞力相似。

在本文工程中管道设计流速1.326m/s ，大于1.2m/s 可认为水流处于阻力平方区，因此可不考虑雷诺数相等，即不考虑粘滞力相似。

在模型中按模型设计流量0.148l/s ，管径3cm 计算，其雷诺数Re=6251，因为水流Re>4000，所以认为模型水流进入阻力平方区［24］，在此区内阻力作用即自动相似，故只考虑重力相似准则来设计模型。

根据试验内容及试验供水、场地等条件，模型选取：
几何比尺40=L λ
流量比尺29.101195.2
==L Q λλ
流速比尺32.65.0
==L v λλ
时间比尺32.6.==50
L t λλ
糙率比尺85.1/==61L
n λλ 按以上相似比尺计算，模型管长为23.875m(模拟管长955m)，管径为3cm(模拟管径 1.2m)，上游动水位距横管中心20cm(模拟高度8m)，下游动水位距管顶14.75cm(模拟高度 5.9m)，上、下游水位差5cm(模拟水位差2m)，顶部横管坡度i =0.0094。

2.1.2 实验装置及仪器
图2-1为模型试验布置示意图。

模型管道材料选用有机玻璃管制作，模型糙率为0.0076∼0.0086，换算成原型为0.014∼0.016，与原型管道糙率接近。

模型由上游水箱(井)、管路、下游水箱(井)组成。

为使上、下游水箱中水位保持恒定，在水箱中布置一溢流堰。

上游溢流堰和下游出水口溢流堰为活动式溢流堰，既可保证恒定水位，又可在测得某个水位情况下水位流量关系后，方便快速调节上、下游水位，仅需改变上、下游溢流堰堰顶高度，即可改变上下游水位差。

采用称重法量测虹吸管输水流量。

在虹吸管顶部管段上游1-1断面、中间2-2断面和下游末端3-3断面处连接排气管，排气管与排气室相连通，排气室上部通过管道与真空泵相连接。

试验所需仪器：水泵、摄像机、照相机、水桶、秒表、台秤各一个以及真空泵3台。

图2-1模型试验布置示意图
Fig.2-1 Sketch of the arrangement of the model test
2.2 试验量测方法
(1) 水位量测：试验采用测针量测相对高度，进行水位量测。

试验进行前，先在上、下游量水堰某一任意固定位置，由测针与水准仪分别读出上、下游固定位置
测针读数Z 1、Z 2，再由水准仪测出此时上、下游两固定位置高差h Δ；试验时只需同时记录上、下游水位测针读数Z 3、Z 4，就可计算得上、下游水位差：
Z=(Z 3-Z 1)-(Z 4-Z 2)+h Δ (2-9) 如记K=Z 2-Z 1+h Δ；则
Z=Z 3-Z 4+K (2-10)
由(2-10)式，只需知道每组试验的上、下游测针读数，就可很快计算出上下游水位差，精确而且快捷。

(2) 流量量测：试验采用称重法量测流量。

已知桶重M 1，在下游溢流堰出口用小桶接水，经一定时间t ，称得桶与水的质量M ，则水的体积水ρ1M M V −=
，由此可
计算出管道输水流量： t
M M t V Q ⋅−==水ρ1 (2-11) (3) 气泡速度量测：在本试验以管道某连接处为参考坐标，取管道某一固定长度L ，测出气泡移动距离为L 时所经历的时间t (由秒表测得)，求得气泡运行速度： t
L v = (2-12) 为了保证试验数据的准确性和有效性，每一组试验均量测3~5次，根据所测数据的接近程度决定数据取舍，并取其平均值。

2.3 试验方案设计
针对本文所研究的内容，设计试验方案如下：
(1) 虹吸管模型相似律的选择
模型试验成功与否，关键是模型相似律选择的正确与否。

考虑到模型的长、宽、高三个方向若按一个几何比尺缩尺之后，水流的汽化现象不能复演的问题。

本试验将采用变态模型，即选择长、宽的几何比尺40=L λ，而选择高方向的几何比尺1=L λ。

使模型的安装高度与原型相同，即h s =7.5m 。

在此条件下测出水位差在5~25cm 范围
内的水位与流量的关系，并观察水流汽化现象。

(2) 虹吸管不同安装高度对输水流量的影响试验
水流汽化强弱与水流压强有关，安装高度越大，压强越小，水流汽化越强，虹吸管流量越小，那么安装高度(压强)对虹吸管输水流量是否有影响？模型试验中采用同一管径的有机玻璃管，在相同总长度L=23.875m，同一布置形式下，改变安装高度h s=0.2、2、3、4、7.5m，分别进行水位差从5~25cm范围内的水位与流量关系的测定试验。

对不同安装高度水位与流量关系曲线进行对比，根据量纲分析与数值拟合相结合的方法，推求不同安装高度虹吸管流量计算公式。

(3) 虹吸管内气泡运动规律与排气装置的选择
单个气泡的体积与气泡数量，由水流压强大小决定。

压强越小，气泡的体积越大、数量越多。

气泡在管道中的运动受水流粘滞力、浮力和压力作用，有时还与管壁摩擦力的作用有关；气泡在水流中当水流流速达到一定值时会随水流向下游运动，在不同的真空度下形成气泡的大小不同。

气泡大小不同，水流对气泡的作用力不同，因此气泡从静止到运动，起动流速也就不同。

本文将观察不同安装高度h s=2、3、4、7.5m时气泡的运动方向，并测定气泡的运动，对其进行定性的试验研究理论分析。

同时对不同的排气方式及排气装置的位置进行试验研究。

2.4 试验步骤
(1) 确定溢流堰堰顶高度
将上、下游堰顶差调制5cm(可由(2-10)式反算出上下游堰顶测针读数差Z3-Z4=5-K)；调节下一水位差时，只需抬高上游活动堰或降低下游活动堰即可，这样调节速度快，而且水位稳定。

(2) 开启水泵
将水泵打开向上游溢流堰中供水，水面漫过管口，密封管口，阻断气体进入管道。

虹吸输水时，多余水将从溢流堰后管路返回蓄水池。

(3) 将虹吸管内抽至真空。