防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水位控制技术领域，具体涉及一种形成脉动流防止低水头差虹吸管内 空气积累的装置与方法，适用于控制水位的周期性上升，尤其适用于斜坡虹吸排水控制坡 体地下水位的周期性上升。
【背景技术】
[0002] 虹吸是一种利用液面高度差的作用力推动液体流动的物理现象。虹吸管内最高点 的液体在重力作用下往低位管口处流动，在虹吸管的顶部产生负压，导致高位管口的液体 被吸进管内并流向最高点，从而使液体源源不断地从高位容器流入低位容器。保持虹吸管 顶部的真空度是确保虹吸系统正常工作的基础。在虹吸过程中，溶解于液体的空气会因虹 吸管内压力降低而析出形成气泡，如果不能在虹吸过程中使析出的气泡随水流排出，势必 会造成虹吸管顶部不断积聚空气，虹吸管顶部的真空度会在虹吸过程中逐渐下降，从而使 虹吸过程中断。当虹吸管进出水端水头差(H 1)较大时，虹吸管内流速大，在水流的推动下， 容易排出虹吸管中的气泡，避免产生管内空气积累。但在虹吸管进出水端水头差(H 1)较小 时，虹吸流速低，不同管径下的虹吸流动形态可以分为两类：（1)内径较大的虹吸管（d 2 5_，图2a)，由于水的表面张力无法保持布满整个虹吸管截面气泡的稳定，一般气泡直径小 于管径(称为弹状流型），气泡与管壁之间存在过水通道，气泡可自由浮动，在浮力作用下容 易上升至管顶并发生积聚，当水流缓慢上升并流过管顶弯头时，易发生贴壁流，无法带走累 积于管顶的气泡，从而导致虹吸管顶部的真空度逐渐下降；（2)内径较小的虹吸管(cK 4_， 图2b)，气泡在积聚过程中会形成布满整个虹吸管截面的大气泡，出现一段水柱一段气柱的 段塞流型，气泡与管壁接触，受边界条件的约束，气泡无法自由上浮，气泡与水流同步发生 整体运移并最终流出管外，虹吸管内不会发生空气的累积。
[0003] 发明人经过大量实验得出，空气的积聚往往发生在虹吸管进出水端水头差(H1)值 较小的条件下，且与虹吸管内径大小有关，对于内径为5mm、6mm、7mm和8mm虹吸管，在虹吸水 头差(Hi)分别大于0.5m、0.6m、0.8m或1.0 m时，由于流动水体的推动作用，虹吸过程中管内 不会产生空气积累。因此，为避免虹吸过程中产生管内空气积累，应选择小管径虹吸管，或 保持较大的虹吸水头差(H 1)。
[0004] 但在实际排水过程中，虹吸水头差(H1)的大小较难保持。随着虹吸作用的不断进 行，进水端水位逐渐下降，而虹吸出水口一般水位不变或有所上升，故进出水口的水头差值 (H1)在逐渐减小，直至达到各对应值以下，使得虹吸流速大幅度降低，并伴随着虹吸管顶空 气的积累。
[0005] 另一方面，虹吸管径大小对虹吸排水效率影响很大。如图3所示，虹吸管中水的流 动速度取决于进水口与虹吸管顶点的水头差(Ho)或进水口与出水口的水头差(Hi)中的较小 者。在扬程Ho = 8m的情况下，对于内径为4mm和5mm两种虹吸管，排水流量随着出的变化特征 如图4所示。虽然4mm和5mm两种虹吸管的内径差距很小，但5mm管的虹吸流量是4mm管的2倍 以上，即管径对虹吸流量影响很大。分别取虹吸扬程(Ho)为10m、9m和8m，取进水口与出水口 的水头差(H1)为4m，进行不同管径虹吸管的排水能力试验，结果如表1所示。可见在相同工 况下，8mm虹吸管的排水能力约为6mm的3倍，6mm虹吸管的排水能力约为4mm的5倍。
[0006]弄1
[0008]显然，采用较大的虹吸管直径可以有效提高斜坡及时排水的能力，但如何解决大 于4mm管径虹吸管在虹吸水头差(H1)未达到其对应值时引发的低流速条件下气泡累积造成 虹吸过程破坏的问题，是实现长期高效虹吸排水的先决条件。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有斜坡虹吸排水技术中的缺陷，提供一种梯级虹吸装置及方法，达 到低水头差虹吸时形成脉动流，防止因低水头差虹吸的缓慢流动过程中产生管内空气积 累。所述的梯级虹吸排水方法，既解决虹吸排水效率问题也克服低水头差虹吸时管内空气 积累问题，满足斜坡有效虹吸排水，实时控制坡体地下水位上升。
[0010] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:针对低水头差虹吸过程中管内空 气积累的原因，利用梯级虹吸装置形成低流速虹吸过程的脉动流，防止管内空气积累。所述 的脉动流即水流运动的速度为周期性变化。所述的梯级虹吸装置包括主虹吸系统与引起主 虹吸管内产生脉动流的次虹吸系统。
[0011] 所述的主虹吸排水系统包括垂直或向下倾斜钻孔和主虹吸管;所述的主虹吸管的 内径为5~8mm，用于在坡体中的地下水位抬升时就立即启动虹吸排水，实时排出坡体内的 地下水，将斜坡地下水位控制在安全水位以下。所述的次虹吸排水系统包括水位升降管、次 虹吸管和出水管;所述的次虹吸管的内径< 4mm;所述的出水管位于次虹吸管上部。所述主 虹吸管进水端的孔内控制水位高程不低于所述次虹吸排水系统出水口的高程。主虹吸排水 系统启动后，坡内地下水由主虹吸管流入水位升降管中，使水位升降管的水位上升；当水位 升降管的水位达到次虹吸管的顶点，次虹吸管启动工作。
[0012] 当主虹吸管的流量大于次虹吸管的流量时，次虹吸管启动工作后，水位升降管的 水位继续上升，直至所述的出水管位置，出水管随即开始工作，实现大流量排水；当主虹吸 管的流量低于次虹吸管的流量时，主虹吸管排出的水使水位升降管的水位上升，启动次虹 吸管后，会使水位升降管的水位快速降低，水位升降管的水位下降到次虹吸管的进水口以 下后，次虹吸管停止工作，主虹吸管排入的水又使水位升降管的水位上升，上述工作过程循 环进行。在此循环过程中，主虹吸管出水端的水位（即所述水位升降管内的水位)处在不断 的上升-下降-上升的循环过程，使得主虹吸管的进出水口高差H 1的变化亦处于减小-增大-减小的循环中，由于主虹吸管的流速与H1正相关，主虹吸管中的流速即会发生周期性的循 环变化，从而不断产生脉动流。脉动流的出现会扰动虹吸管顶部累积的气泡，带动气泡与水 流的共同运动，从而防止主虹吸管产生空气积累。
[0013] 所述的主虹吸管进水端深入斜坡体内，所述的主虹吸管出水端放入所述的水位升 降管中；所述的水位升降管中插入次虹吸管；出水口位于次虹吸管上部。
[0014] 所述的主虹吸管内径5~8mm，可以实现强降雨条件下的快速排水，具体数值的选 定可由现场雨季所需排水量进行确定;所述的次虹吸管内径< 4_，保证所述的次虹吸管在 任何流速条件下均不出现贴壁流，实现所述水位升降管中水位上升时总能触发次虹吸管启 动虹吸;所述的出水管内径大于主虹吸管2mm以上，保证所述次虹吸排水系统的排水能力不 小于所述的主虹吸排水系统。所述的水位升降管有次虹吸管和出水管两个出口位于顶部附 近。
[0015] 所述的水位升降管可以斜置;所述的次虹吸管的进水口位于水位升降管的底部， 对应主虹吸管内径为5mm或6mm时，次虹吸管的扬程Ho取0.6m;对应主虹吸管内径为7mm或 8_时，次虹吸管的扬程取1.0m。所述的次虹吸管进水端的高程不低于所述次虹吸管出水端 的高程。
[00?6] 本发明所述梯级虹吸排水的主虹吸管内径为5mm、6mm、7mm或8mm，发明人经过实验 验证及理论推导，得出当虹吸水头差(H1)分别大于0.5m、0.6m、0.8m或1.0 m时，主虹吸管不 会形成图2a所示的贴壁流，可避免发生空气积累；所述梯级虹吸排水的次虹吸管内径< 4mm，虹吸过程中始终能够形成段塞流而不会在虹吸过程中发生空气积累；在主虹吸管由于 虹吸水头差(H 1)较低引起低流速时，次虹吸管的虹吸作用可以在较短时间内提高虹吸水头 差(H1)，周期性改变水位升降管的水位，使得出发生周期性变化，形成脉动流，可避免主虹吸 管在虹吸过程中产生空气积累。
[0017] 本发明的有益效果主要表现在：
[0018] 1、本发明的梯级虹吸装置，主虹吸排水系统采用管径较粗的虹吸排水管，可以实 现较大流量的虹吸排水，满足强降雨或持续降雨时的排水需求，可以排出埋深较大的斜坡 体内地下水，高效及时，能控制斜坡地下水位在安全水位面以下；
[0019] 2、本发明的梯级虹吸装置，在主虹吸管因低水头差导致低流速的情况下，利用次 虹吸管的周期性排水，实现水位升降管水位的周期性快速变化，使得主虹吸排水系统的进 出水口高差发生周期性变化，在主虹吸管中产生脉动流，带动管中气泡与水流的共同运动， 从而避免因低水头差导致低流速条件下主虹吸管内的气泡累积；
[0020] 3、本发明的梯级虹吸装置结构简单、适用性强，可以满足斜坡地下水位控制需要， 防止发生滑坡灾害，且自动保持长期有效排水，工程的维护费用低。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明梯级虹吸装置结构示意图；
[0022] 图中：排水钻孔1、孔内控制水位2、孔底储水管3、透水管4、主虹吸管5、水位升降管 6、次虹吸管7、出水管8。
[0023] 图2为不同管径条件下虹吸管顶的两种不同气液两相流型图。
[0024]图3是虹吸排水示意图。
[0025] 图4是相同扬程不同水头差条件下的虹吸流速变化图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发 明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
[0027] 具体实施例一
[0028] 本发明提供一种防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置与方法。通过主 虹吸排水系统实现快速排出坡内地下水，控制其在安全水位以下;通过次虹吸排水系统在 低流速条件下引起主虹吸管产生脉动流，排出主虹吸管内的气泡，避免管内空气累积，实现 长期稳定有效排水，保障坡体地下水位处于较低的水平。图1为所述避免低流速条件下虹吸 管内产生空气积累的梯级虹吸装置的示意图。
[0029] -种