水位自记台虹吸式进水管的改进.docx

水位自记台虹吸式进水管的改进[图文]
水位自记台虹吸式进水管的改进

稿件来源：长江水文网   发布时间：2004-9-13 11:05:33   作者： 张孝军,封光寅,焦连喜,张洪霞,谌红信,马继建

1

2

3

4

5图5 水位与真空表读数关系图
【摘要】虹吸式进水管，以其良好的排沙性能，受到了人们的青睐。但在连通性方面存在以下三个问题影响其广泛应用。一是灌水与排气难；二是负压难以保证；三是无法监视其工作状态。对此，我们在工作中探索出了一种直接灌水、负压保证与补偿和虹吸管工作状态监视装置，圆满地解决了上述问题，已在生产中应用多年，效果很好。
【关键词】水位自记台虹吸式进水管；直接灌水；负压保证与补偿；状态监视；改进

1 前言
水位是水文要素中的重要内容之一，为了观测、记录其过程，人们采用水位台自记。水位自记台的形式有许多，最常见的是直立式水位台。而直立式水位台效果的好坏，主要决定于进水管的连通与克服泥沙对其影响的性能。虹吸式进水管就兼顾了这两方面的优点，它既有很好的连通性，又能将一定范围粒径的泥沙排在进水管外，减少了泥沙对进水管和自记井的影响。但是，在虹吸管倒U型的顶端，由于负压大，容易产生汽化水或从水中分离出空气，当这些气体达到一定量（虹吸管倒U型顶端的过水截面积太小如图1所示）时，就会严重影响虹吸管的连通性能，甚至使其完全失去作用。我们在实际工作中反复实验，研制出了一种水位自记台虹吸式进水管直接灌水、负压保证与补偿和工作状态监视装置，不仅圆满地解决了这些问题，而且免去了当虹吸管内需要灌水时，要分别需人下水堵住虹吸管下端两个口门的麻烦，并且还能监视虹吸管的工作状态。现已在生产中长期应用，效果良好。
2 基本工作原理
一般水位自记台虹吸式进水管的布设都是采用倒U 型无缝钢管，且在倒U型顶端安装一灌水与排气孔（如图1中的K1）。
为了能直接往虹吸管内灌水，保证倒U型管顶端的负压，排除管内气体。我们在K1 处增设了一套虹吸式进水管直接灌水负压保证与补偿和工作状态监视装置（以下简称补偿装置），如图2所示。即在K1上连通一个密封钢瓶，在钢瓶的上端安装另一开关K2，并在K1与K2之间安装一个真空表。
2.1 当给虹吸管中直接灌水的步骤为：
⑴ 关闭K1、开启K2，从K2处将水注满钢瓶；
⑵ 关闭K2，开启K1，这时水就会流入虹吸管，部分水体将流出管外，使钢瓶和虹吸管中产生一定的负压，虹吸管内的水面将上升一定的高度；
⑶ 重复步骤⑴和⑵，直至水面上升到倒U型管顶端的K1以上、钢瓶内再注满水为止；
⑷ 关闭K2，开启K1，使虹吸管投入正常运行（如图2所示）。如果水体内有些小气泡或者虹吸管内真空度太高（水位太低），致使水中的气体溢出到虹吸管内，本装置（根据密封装置内的压力与外界大气压平衡的原理）将使溢出的气体进入到虹吸管上部的密封钢瓶内，避免溢出气体对虹吸管倒U型顶端过水截面积的影响。
2.2 理论依据
根据波意耳―马约特定律：在气温与水温变化不大（等温过程）的情况下（假定水体不可压缩、水位变化可忽略），等质量的气体，平衡时的压力与容积的乘积和气体达到新的平衡时的压力与容积的乘积相等。气体平衡方程为：
P1•V1=P2•V2
式中：P1 、V1分别为气体平衡时的压力与容积；P2、V2分别为气体达到新的平衡时的压力与容积。
2.2.1 首次灌水（关闭K1，开启K2，从K2处将水注满密封钢瓶；关闭K2，开启K1）后，已排除气压为P1、容积为V的空气，系统内的压力与容积的变化为：
P1•(V1-V)=P2•V2
即            P1•(V1-V)=P2•[(V1-V)+△V1]
P2=(V1-V)/[(V1-V)+ △V1] •P1           （1）
式中：P1为首次灌水前附加装置与虹吸管内空气的气压；V1为首次灌水前附加装置与虹吸管内的空气所占空间的容积；P2为首次灌水后系统内平衡时的气压；V2为首次灌水后系统内平衡时的空气所占的容积；△V1为首次灌水后系统内平衡时流出到外界（自然水面以下）的水体体积；V为附加装置密封钢瓶的容积。
此时，系统内水、气平衡后的状态如图3所示。
2.2.2 第二次灌水（方法与第一次相同）后，已排除气压为P2、容积为V的空气（系统内的水、气状态如图4所示），系统内压力与容积的变化为：
P2•(V2-V)=P3•V3
即        P2•(V2-V)=P3•[(V2-V)+△V2]
P3=(V2-V)/[(V2-V)+ △V2] •P2          （2）
式中：△V2为第二次灌水后系统内平衡时流出到外界（自然水面以下）的水体体积；P3为第二次灌水后系统内平衡时的气压。
2.2.3 第i次灌水（方法同上）后，已排除气压为Pi、容积为V的空气，系统内压力与容积的变化为：
Pi•(Vi-V)=Pi+1•Vi+1
即       Pi•(Vi-V)=Pi+1•[(Vi-V)+△Vi]
        Pi+1=(Vi-V)/[(Vi-V)+ △Vi] •Pi        (3）
式中：Pi为第i次灌水前附加装置与虹吸管内空气的气压；Vi为第i次灌水前附加装置与虹吸管内的空气所占的容积； Pi+1为第i次灌水后系统内平衡时的气压；Vi+1为第i次灌水后系统内平衡时的空气所占的容积；△Vi为第i次灌水后管内平衡时流出到外界（自然水面以下）的水体体积；i为大于1的正整数。
当（3）式中的分子 (Vi-V)≤0，既Vi≤V，也就是空气的容积小于或等于密封钢瓶的容积时，再将附加装置内注满一次水，整个系统内的空气就被排空了。
3 实际应用
1995年5月下旬，我们对长江水利委员会汉江水文水资源勘测局所辖的襄阳水文站水位自记台的虹吸管进行了改造。
襄阳水文站水位自记台是岛岸结合直立式，采用虹吸式进水管（直径7.5cm、长约17m的无缝钢管），进水管管口高程为59.5m，虹吸管倒U型管顶端的高程为63.5m。
改造前存在的问题：一是水位较低（60.50m）时，自记水位井的水位不随河道中水位的变化而变化；二是水位在一定的范围（60.50m至61.00m）内，自记水位总有一定的改正值。综合这两条原因，我们断定是虹吸管内的真空度太高，致使虹吸管倒U型顶端过水截面积减小（有些截面积被空气占有），需要重新灌水排气。按此意见处理后，水位自记基本正常。但是不久，上述问题又重复出现，故研制安装了补偿装置，使问题得到了解决。
补偿装置安装后，我们采取人工灌水法，首先关闭K1、打开K2，灌入8桶水注满钢瓶，再关闭K2、打开K1，待虹吸管与钢瓶内的水、气平衡（约1小时）后，真空表读数（真空度，以水柱高表示）为：3.4m；第二次灌水是重复上述步骤……，真空表读数为：5.0m；第三次再重复……，真空表就一直稳定在6.0m；最后将附加装置内注满水，关闭K2、打开K1，此时的补偿装置就能正常运行了。
在新的补偿装置正常运行期间，我们在1995年5月27日至7月28日（每日8时）与1997年8月22日至29日（每日8时和20时）对水位、真空表读数进行了对比观测，建立了水位与真空表读数关系图（如图5）。
由图可见，水位与真空表(水柱高)的读数之间的关系为：
Y=-0.716X+64.92                      （4）
相关系数为： R=0.9825
相关系数很接近1，可见水位与真空表的读数关系良好，根据水位与真空表的读数，基本上能监视补偿装置的工作状态。我们采用的密封钢瓶高1.40m，如果观测的水位和用真空表的读数按（4）式计算出的水位不符值较大（超过1.40m）时，就得知补偿装置出现了故障。我们一般是按钢瓶高的一半0.7m来掌握，只要不符值接近或超过0.7m，就认为补偿装置即将要出故障，需要灌水和排气处理。
4 结语
水位自记台虹吸式进水管直接灌水、负压保证与补偿和工作状态监视装置，解决了水位自记台虹吸式进水管在正常虹吸范围（虹吸管倒U型的顶端至自由水面的距离小于7.0m）内经常导通不良的现象与虹吸管灌水和排气难的问题，而且还能通过真空表读数监视虹吸管的工作状态。该装置加工、安装方便，操作简单，确实是一项可推广使用的好方法。