从工程角度分析泵站虹吸式出水流道的优化设计

从工程角度分析泵站虹吸式出水流道的优化设计

【摘要】工程中采用虹吸式出水流道，不仅可以减少水流量的损失，减少能源的消耗，而且还便于维修，降低维修成本，同时也便于管理，安全系数高等其他优点。所以，我国很多泵站在施工建设时都采用了虹吸式出水流道的解决方案。然而由于在实际工程中，施工环境千差万别，以及其他各种限制因素，使得虹吸式出水流道的设计方案的实际效果并不能很好的达到人们的预期效果。因此从实际工程中找出影响虹吸式出水流道实际效果的原因，显得很有必要，并根据具体的原因制定有针对性的解决方案。本文结合笔者多年的工程项目管理经验，从工程的角度对泵站虹吸式出水流道的优化设计做出浅显的探讨。

【关键词】泵站；水力特性；影响因素；解决方案

1 问题的提出

在泵站建设工程中，通常把出水池和水泵之间的这一段距离称之为出水流道。一般而言，出水流道有以下两方面的作用，首先是把水泵抽出的水送到出水池，其次是把水泵高速抽出的水的部分动能转变为压力能，进而提高水泵的工作效率。出水流道分为两部分，第一段为出水室，常见的有弯管式。后一段比较常见的有虹吸式、直管式、屈膝式等。其中由于虹吸式与其他几种方式有显著的优点，因此在实际工程中被广泛应用。主要体现在，虹吸式出水流道对水流有比较好的扩散性，使得水流在流动时速度很小。由于其结构简单，使得在实际使用时，不仅所需的成本较小，而且还便于维修，而且很安全。虹吸式出水流道已经成为很多大型的泵站在施工建设时的首选，南水北调工程中基本上有一半泵站采用的是虹吸式出水流道。在虹吸式出水流道被如此广泛应用的情况下，对其进行不断改进和优化必定会带来极大的经济效益，为我国水利工程的发展起到促进作用。同时国内外也有大量的专家对虹吸式出水流道做了深入的研究，并积累了大量的宝贵经验。

2 常规虹吸式出水流道水力特性

笔者在实际工程管理中发现，要想深入的分析虹吸式出水流道，必须要对虹吸式出水流道的结构和工作原理非常熟悉。

2.1 常规虹吸式出水流道的结构

在工程中，虹吸式出水流道的工作原理是比较常见的一种物理原理即虹吸原理。比较常用的布置形式如下，虹吸式出水流道的进水口与水泵相连接，出水流道的中间部分比两端要高出一部分，也要比最高水位高一小部分，通常称中间部分为驼峰，出水口则在最小水位之下。在虹吸式出水流道运转正常的情况下，驼峰部分的压力低于标准大气压，正是由于虹吸式出水流道这种特殊结构，使得当泵停止运转时，能迅速阻断两侧的水流流向进水池，从而使水泵安全快速的停止运行。

2.2 常规虹吸式出水流道的虹吸过程

在水泵工作之前，出水流道的进出口与水池的进出口水面都是相同的。中部驼峰内部此时充满了空气，出水流道与外界是不相通的状态。当水泵运转时，被水泵抽出的水流首先使虹吸管出水流道的进水口水面的水位不断上升，直至漫过驼峰的最高位置。在此之前由于被水泵抽出的水不断积聚在出水流道中，使得出水流道中的空气不断被压缩，随之而来的是流道内的空气压强不断增大。直至真空破坏阀被气道内的压力顶起，当破坏阀被顶起的瞬间，出水流道内的压力瞬间成为零，破坏阀也随即被关闭。与此同时超过驼峰最高部位的水流顺势下落至下降段水面。当流道内的空气被水流全部排除后，水道被水填满，至此一个完整的虹吸过程结束。

3 影响虹吸式出水流道虹吸形成的因素

3.1 虹吸管型线结构对虹吸形成的影响

笔者在多年的工程管理中发现，驼峰段是虹吸式出水流道中及其重要的一部分，驼峰段对虹吸过程有着极大的影响。主要影响体现在，虹吸的效率，设备运行时的安全性等。通常驼峰底部的高度不能比水池水位的最高位置高太多，否则，虹吸的效率将大大降低。同时驼峰处的截面面积及截面形状同样对虹吸过程有着很大的影响。从实际管理经验中发现，截面形状为矩形的驼峰，更有利于水流通过驼峰顶端。同时也要控制驼峰截面的水流速度，若速度过小，将会严重影响虹吸过程。同时驼峰处的曲面形状也对虹吸过程有着不小的影响。若曲面的半径过小，虽然对虹吸现象有利，但却会使管道内水流的速度急剧增大。若曲面半径过小，则会使虹吸现象变得极其困难。同时下降段的倾斜角度对虹吸过程同样有很大的影响，使下降角度增大虽然可以减少成本，但却使得虹吸现象的形成变得困难。倾斜角过小不仅会增加工程成本，而且还不利于虹吸现象的形成。

3.2 水泵性能对虹吸形成的影响

若水泵的扬程比较高，将会降低虹吸现象的效率，还会影响水泵的稳定性，给生产安全带来严重的安全隐患。若扬程比较远，可能会导致气蚀的产生。这些情况都对虹吸形成产生不可忽视的影响。

3.3 其他因素

影响虹吸形成的因素除了上述提到的外，还包括出水池的水位，出水管的长度和管道的直径，相关设备的安装及配置情况。其中出水管内气体的压强受管道的直径和出水池的水位影响。同时设备的运行时间及运行时间间隔都会对虹吸形成产生影响。设备的安装位置不合理也会对虹吸形成产生影响，特别是水泵的安装位置。

4 改善虹吸形成条件的措施

4.1 虹吸管型线结构的优化

如上文所述，虹吸管型线结构对虹吸形成的影响最大，因此在改善虹吸形成时，须重点改善虹吸管型线结。对于管道的线型结构优化时，要以以前的工程经验为依据，仔细分析比较成功的工程，并从中吸取经验和教训，为改进虹吸式出水流道的优化设计提供科学有效的参考。同时在对虹吸管型线性结构进行优化时还可以引入数学模型，并可以利用计算机，对各种数据集中分析，从而全面的对管道的各个参数进行准确快速的确定，进而确定出最优的虹吸管型线结构。

4.2 虹吸管的布置形式

对虹吸形成造成影响的不仅有虹吸管型线结构，还有虹吸管的实际布置形式。笔者在实际工程管理中发现，改变虹吸管后端的布置形式对改善虹吸形成的效果最为明显。因为在水泵和虹吸管道都正常工作的状态下，虹吸管的后部分不会因为出水池中的水位变化而变化，管内始终有水。这样的好处是当水泵工作时，虹吸现象可以迅速发生，同时还能适应多种施工环境。

5 结束语

综上所述，要不断优化虹吸式出水流道的设计，首先要对虹吸式出水流道的结构及工作原理有准确清楚的了解。并且在工程中不断总结经验，同时还要借鉴国内外已有的研究成果，运用一定的工程思想，虹吸式出水流道的设计才会不断改善。

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