CN105672349B - 防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯级虹吸装置和方法，用于防止低水头差虹吸管内空气积累，适用于主虹吸管内径为5～8mm。所述的梯级虹吸装置包括主虹吸排水系统与引起主虹吸管脉动流的次虹吸排水系统。主虹吸排水系统由钻孔、透水管、孔底储水管和虹吸排水管组成；次虹吸排水系统由水位升降管、次虹吸管和出水管组成。利用主虹吸排水系统实时高效排出斜坡地层内多余的地下水；在主虹吸系统因低水头差导致低流速的情况下，通过次虹吸排水系统的间歇性工作，使水位升降管产生周期性水位变化，诱发主虹吸管产生脉动流，防止主虹吸管因长时间贴壁流产生空气积累，保证主虹吸系统的长期有效运行。
Description
技术领域
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
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(H1)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(H1)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≥5mm，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(d≤4mm，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。
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(H1)分别大于0.5m、0.6m、0.8m或1.0m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(H1)。
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。
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(H0)或进水口与出水口的水头差(H1)中的较小者。在扬程H0＝8m的情况下，对于内径为4mm和5mm两种虹吸管，排水流量随着H1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(H0)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。
表1
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
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。
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。
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。
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H1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。
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。
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≤4mm，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。
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H0取0.6m；对应主虹吸管内径为7mm或8mm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。
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1.0m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(H1)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H1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。
本发明的有益效果主要表现在：
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；
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；
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
图1为本发明梯级虹吸装置结构示意图；
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。
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。
图3是虹吸排水示意图。
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
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。
具体实施例一
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。
一种防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置，该系统包括主虹吸排水系统与引起主虹吸管内产生脉动流的次虹吸排水系统。所述的主虹吸排水系统包括垂直或向下倾斜钻孔、透水管、孔底储水管和虹吸排水管；所述的主虹吸管内径为5～8mm，例如6mm，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，控制斜坡地下水位在安全水位以下。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；所述的出水管位于次虹吸管上部；主虹吸排水启动后，坡内地下水由主虹吸管排入水位升降管中，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；所述主虹吸管进水端的控制水位高程不低于所述次虹吸排水系统的出水口高程。
当主虹吸管的流量大于次虹吸管流量时，水位升降管中的水位继续上升，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，水位升降管中的水位快速降低，水位升降管内水位下降到次虹吸管的进水口以下时，次虹吸管停止工作；主虹吸管排入的水又使水位升降管内水位上升，受水位升降管水位变化影响，主虹吸管的流速会发生周期性的循环变化，产生的脉动流扰动虹吸管顶部积累的气泡，带动气泡与水流共同运动，从而防止主虹吸管产生空气积累。
本发明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；水位升降管的出水口位于次虹吸管上部。所述的主虹吸管内径5～8mm，例如6mm，材料为PA材料；所述的次虹吸管内径≤4mm，例如4mm，材料为PU材料；所述的出水管内径大于主虹吸管2mm以上，例如10mm。所述的水位升降管有次虹吸管和出水管两个出口位于水位升降管的顶部附近。
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和6mm时，次虹吸管的扬程(即图3中的H0)取0.6m；对应主虹吸管内径为7mm和8mm时，次虹吸管的扬程取1.0m。所述的次虹吸管进水口高程不低于所述次虹吸管出水口高程；所述的水位升降管的垂直高度要大于次虹吸管的扬程，例如：储水管斜置角度为30°，次虹吸管扬程为1m，储水管长度不小于2m，例：3m，材料为不透水耐腐蚀的硬塑料。
具体实施包括以下步骤：
(1)通过斜坡工程地质条件调查，分析斜坡地下水埋深及需要控制的地下水位，打设所述的虹吸排水孔进入安全水位以下；
(2)将所述的主虹吸管进水端深入排水孔底部，所述的主虹吸管出水端放入所述的水位升降管中；
(3)将所述的次虹吸管插入所述水位升降管中，在所述的次虹吸管顶部上方的水位升降管开口，布设出水管；
(4)在所述主虹吸管出水端进行逆向灌水，实现初始虹吸，主虹吸过程启动；
(5)主虹吸排水系统启动后，坡体内的地下水由主虹吸管排入水位升降管中，使水位升降管的水位上升；当水位升降管中的水位达到次虹吸管的顶点，次虹吸管启动工作；当所述主虹吸管的流量大于所述次虹吸管流量时，水位升降管中的水位继续上升，直至所述的出水管位置，所述出水管随即开始工作，实现大流量排水；当所述主虹吸管的流量低于次虹吸管流量时，主虹吸管排入的水使水位升降管水位上升，启动次虹吸管后，水位升降管中的水位快速降低，水位升降管内水位下降到次虹吸管的进水口以下，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，这个工作过程循环进行，主虹吸管中的流速即会发生周期性的循环变化，脉动流扰动主虹吸管顶部累积的气泡，带动气泡与水流的一起运动，从而防止主虹吸管产生空气积累，实现主虹吸系统长期有效排水。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等效替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置，其特征在于：包括主虹吸排水系统和引起主虹吸管内产生脉动流的次虹吸排水系统；其中：所述的主虹吸排水系统包括垂直或向下倾斜钻孔(1)、孔底储水管(3)、透水管(4)和主虹吸管(5)；所述的主虹吸管(5)用于在坡体中的地下水位抬升时立即启动虹吸排水，实时排出坡体内地下水，使斜坡地下水在控制水位(2)以下；所述的次虹吸排水系统包括水位升降管(6)、次虹吸管(7)和出水管(8)；所述的主虹吸管(5)进水端深入斜坡体内，所述的主虹吸管(5)出水端放入所述的水位升降管(6)中；所述的水位升降管(6)中插入次虹吸管(7)；出水管(8)位于次虹吸管(7)顶端的上部；主虹吸管(5)进水端控制水位(2)的高程不低于所述次虹吸管(7)的高程；主虹吸管(5)排出的水进入水位升降管(6)中，水位升降管(6)的水位上升超过次虹吸管(7)的顶点后，次虹吸管(7)启动工作；当主虹吸管(5)的流量大于次虹吸管(7)的流量时，出水管(8)也开始工作；当主虹吸管(5)的流量低于次虹吸管(7)的流量时，主虹吸管(5)排出的水使水位升降管(6)的水位上升，启动次虹吸管(7)后，会使水位升降管(6)的水位降低，水位升降管(6)的水位下降到次虹吸管(7)的进水口以下，次虹吸管(7)停止工作，主虹吸管(5)排入的水又使水位升降管(6)的水位上升，这个工作过程循环进行，在主虹吸管(5)中不断产生脉动流，从而防止主虹吸管(5)产生空气积累。
2.如权利要求1所述的防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置，其特征在于：所述的主虹吸管(5)的内径5～8mm；所述的次虹吸管(7)的内径≤4mm；所述的出水管(8)的内径大于主虹吸管2mm以上。
3.如权利要求1所述的防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置，其特征在于：所述的水位升降管(6)的顶部附近从上至下具有出水管(8)和次虹吸管(7)两个出口。
4.如权利要求1所述的防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置，其特征在于：所述的水位升降管(6)斜置；所述的次虹吸管(7)的进水口位于水位升降管(6)的底部，对应主虹吸管(5)内径为5mm或6mm时，次虹吸管(7)的扬程大于0.6m；对应主虹吸管(5)内径为7mm或8mm时，次虹吸管(7)的扬程大于1.0m。
5.如权利要求1所述的防止低水头差虹吸管内空气积累的梯级虹吸装置，其特征在于：所述装置的主虹吸管(5)内径为5mm、6mm、7mm或8mm，在虹吸水头差分别大于0.5m、0.6m、0.8m或1.0m时，主虹吸管(5)不会形成贴壁流，可避免空气积累；所述装置的次虹吸管(7)内径≤4mm，虹吸过程中无论虹吸水头差大小变化，始终能够形成段塞流而不会发生空气积累；利用次虹吸管(7)周期性改变水位升降管(6)的水位，使主虹吸管(5)的流速周期性变化形成脉动流，扰动虹吸管顶部累积的气泡，总能周期性产生大于0.5m、0.6m、0.8m或1.0m的虹吸水头差，从而避免主虹吸管(5)产生空气积累。
6.一种应用权利要求1所述装置的梯级虹吸排水方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：通过斜坡工程地质条件调查，分析斜坡地下水埋深情况，确定保障斜坡稳定需要控制的地下水位，打设所述的虹吸排水钻孔(1)进入控制水位(2)以下；将所述的透水管(4)插入孔底储水管(3)中，将透水管(4)连同孔底储水管(3)一起插入排水钻孔(1)中；将所述的主虹吸管(5)进水端插入透水管(4)中，到达孔底储水管(3)的底部，所述的主虹吸管(5)出水端放入所述的水位升降管(6)中；将所述的次虹吸管(7)插入所述的水位升降管(6)中，在所述的次虹吸管(7)顶部上方的水位升降管(6)开口，布设出水管(8)；在所述主虹吸管(5)出水端进行逆向灌水，实现初始虹吸，主虹吸过程启动，虹吸排水系统进入工作状态。
7.如权利要求6所述的梯级虹吸排水方法，其特征在于：主虹吸排水系统启动后，坡内地下水由主虹吸管(5)排入水位升降管(6)中，当水位升降管(6)的水位达到次虹吸管(7)的顶点，次虹吸管(7)启动工作；当所述主虹吸管(5)的流量大于所述次虹吸管(7)的流量时，水位升降管(6)的水位继续上升，所述出水管(8)随即开始工作，实现大流量排水；当所述主虹吸管(5)的流量低于次虹吸管(7)的流量时，主虹吸管(5)排入的水使水位升降管(6)的水位上升，启动次虹吸管(7)后，水位升降管(6)的水位快速降低，水位升降管(6)的水位下降到次虹吸管(7)进水口以下后，次虹吸管(7)停止工作，主虹吸管(5)排入的水又使水位升降管(6)的水位上升，这个工作过程循环进行，主虹吸管(5)中的流速发生周期性的循环变化，从而不断产生脉动流，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(5)产生空气积累，实现虹吸长期稳定有效。
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