虹吸进水口的最大真空值及其容许值

虹吸进水口的最大真空值及其容许值王显焕水利部农村电气化研究所杭州市310012

虹吸进水口按实际布置得到的水力学计算图如图1所示。在运行中，前池水位以上的弯道部分，水流

几乎均处于负压状态。对于虹吸进水口，其最大负压发生在喉道断面2－2的O点，而对于虹吸溢洪道则

发生在断面2—2的0'点。如最大真空值（即负压）过大，则水流中会产生蒸汽泡，导致虹吸不能正常工

作，甚至引起水流断裂或空穴现象。因此最大真空值须予以限制，成为确定进水口喉道顶壁和底部高程的

依据，也是控制最大流量的依据。但此一重要课题至今国内外并未得到较好的解答。1最大真空值的计算Io0Vi2h^niflsrhIo0Vi2h^niflsrhf--E1处式11-2]计算示克因尽管图1中喉道处的水流并不符合渐变流的条件，但现今各种文献或水力学教科书都是对断面1—1

及2—2应用的伯努里方程来近似计算0或0'点的最大真空值；在假定V]=0的条件下可容易地求得下式：hio=（Pa/Y—P°/Y）=h'+q+Zo）V22/2g（1—1）式中，hio为0点最大真空值，Pa/Y为当地大气压，Po/Y为0点绝对压强；h'=D2+AZ+Z,即静态真空，它是确定的；V2为喉道平均流速（m/s）,a2为动能改正系数；Z0为断面1—1至2—2的水头损失系数；（a2+0）V22/2g即动态真空，也是最难研究和解答的。原因是：（1）未计弯道水流的离心力压强，而在理论和实验中此一压强是明显的；（2）未计弯道水流的流速脉动。在我国的几个模试中尚未提到此脉动现象，但在文献〔1〕中却谈到此流速脉动很大。另外从我国的原模试中表明位于负压区的测压管读数波动显著，可能是因流速脉动所致。总之国内外对此研究很少，而且它的研究也十分困难；（3）笔者见到不少前池内行近流速V]较大，并存在明显的水面比降。据估算，假定V]=0将导致hio偏大达3cm〜4cm。（4）如前两文所述〔8,9〕，在原、模试中只可测出Zs而测不出0,而且式（1—1）中a2也只可近似计算。笔者仔细分析过长诏二级电站的模试成果23〕，在测得Zs=0.25外，还对5个前池水位测得3种流

量下喉道顶壁的真空值，如表1所列。

表1授试中空同亦冷■12：,9■P■牺笑计低）hJ応肝h*1.362：06］，邱］卅!上&L.'.'O79.722.Q62.572.0S-2.372--DSZ.2179.302.503.952.502.78L庶|2.662.863用工-廿2.£63.0L淨・56隔低轨）^.242.?J3,24心氛尹註咸1申（屹-F）即劃态翼空笔者假定0点的离心力压强为a3V2/2g，流速脉动压强为a4V22/2g,行近流速水头为a1V22/2g,

故式（1－1）可写为下式：hio=（Pa/Y—P°/Y）=h‘+（B+Zo）V22/2g（1—2）式中p=a2+a4—a3—d］，亦即用B来综合反映诸影响因素。笔者用3=0.9、1.0及1.1,而Z0=

0.7、0.8及0.9Zs,按式（1—2）计算hio与表1中实测值相比较，其变化规律及误差变化均甚合理，

其中对设计流量9.46m3/s采用3=1.0及Z0=0.8©算得的hio值最为合理，如图2所示，亦即式（1

—2）变为下式：hio=h'+（1+0.8Zs）V22/2g（2）必须指出，式（2）只是对一个模试得出的Z0经验系数。但今后随进水口体型的优化及工程模试的开

展，可望得到更合理的z0值。从此模试成果的分析，Z0=0-8©相当于2—2断面上游所产生的水头损失只

占进水口总损失的30％左右。笔者的解释是：（1）上游各子流段的流速较小；（2）弯道末端为偏矩形断

面，受剧烈扰动的水流由此进入渐变段时产生较大的附加损失；（3）一部分损失发生在渐变段的下游管段

内；（4）3=10引起的部分误差可能转移在Z0值内。考虑到此问题的研究不足以及流量加大的可能性等,

目前将式（2）算得的hio值再乘以1.05的安全系数作为hio设计值是可行的。—“誌—“誌Dj圭ssgI2最大真空的容许值［hjio青海省在初期修建虹吸进水口时〔4,5〕，根据喉道顶壁的绝对压强P°/Y不得小于水体汽化压强（或蒸

汽压强）Pv/Y提出下式：阮=砂w｛巴⑶式中=L2-1.3,亦即用.OVk■来近似动态真空寸1\/7=1\/7-V/（900-1050）（^//为标准大气压丄而只与水温冇关，如表2所列$ "应3不问水温的汽忧压强id20 3040 SO畀/?■（米水战》0.090.120.24 0.430.75心在水电站引水渠道及前池设计规范（SL/T205—97）中提出下式：hio=h'+a2V22/2g<（Pa/Y—Pv/Y）（4）式中，用喉道断面的流速水头来近似动态真空，其中a2为动能改正系数，规范中并未提出取值方法。又美国垦务局〔6〕从防范气蚀的原则出发，要求最大真空值符合下式：hio<0．7Pa/Y（5）式中，hio为喉道底板处的最大真空，按近似的水力学方法计算。式（5）有一定的试验和实践依据。虹吸进水口的最大真空虽发生在喉道顶壁处，但此式对虹吸进水口最大真空的容许值仍具有参考价值。今从我国虹吸进水口的实践来探讨公式（3）、（4）及（5）。青海属高海拔地区，虹吸进水口的设计特点或缺点是：（1）喉道流速V2很小（0.8m/s〜l.74m

/s），即使90年代初修建的哈达亥电站，V2亦仅1.74m/s（压力管流速一般也较小）；（2）均不考

虑自吸发动；（3）流道截面为矩形，纵剖呈正S型或斜S型，故其Zs及Z0值均较大。但各子流段的流速

均小，故水头损失和动态真空并不大。浙江省的设计特点：（1）均为单管单机布置，在水头<31m的情况下是合理的；（2）喉道流速较大

（V2=2.25m/s〜2.67m/s），考虑了自吸发动的可能性；（3）重视了模试；（4）进水口流道截面

为矩形，流道纵剖接近斜S型。另一类虹吸电站为一管多机布置，喉道流速接近4m/s，例如新疆农四师75团电站和叠水二级电站

（均一管三机布置）以及云南沪西县的若干电站（均一管二机布置，且按自吸发动设计）。笔者按偏大的Z0值近似估算了3类电站的1.05hio值，如表3所列。

电姑说汁imVij攬tn界駁MW的&値弍⑵J.胴扎tiljd血醴(m)(mu)[&‘”]电姑说汁imVij攬tn界駁MW的&値弍⑵J.胴扎tiljd血醴(m)(mu)[&‘”]=F小5[虬]=帖M船于讦询12,02k4.02x0.132.10O.Et0.352,2540川6.45啊6.024.51ilhFi呼•65.0[.別$上L0&0.423,3926797_350.4}5.In何江二奴LL05.90^kQ.S2.502.360,2^2„98J64JO.150.757.I]氏祥二级9.4&2心03,242.250二03Ji&010.240.75乩转7.17一形冬叠朮二纵丸出3x3.23k0.&33.203.78咖4.361600S.550.4Sb.JS5.9920.U3x1J1x0.1151.39工和2,63用料S.240.437.8J5.77为SJSmM青海各电站的zs值很大，但因V2很小，故用0.2h'〜0.3h'来近似动态真空均偏于安全。但当h'较小，尤其当V2较大时会导致kh'偏小很多（如农四师75团电站）。式（4）的推证中明显存在下述问题〔7〕：（1）该文混淆了Zs和Z0的定义；喉道上游段的损失并不近

似等于0.1m。例如叠水二级和75团电站的该项损失即可达0.2m〜0.3m；（2）进水口由多个局阻紧

邻组成，其水头损失系数与多个因素有关〔8,9〕，该文用流道两个尺寸的比值来整理Zs得不出可信的规律，

何况3个电站的原测数据也是不可信的；（3）式（4）未考虑流速脉动压强，也未用安全系数；（4）式

（4）中a2V22/2g的a2为动能改正系数，但规范中并未明确它的取值方法。喉道上游段的水头损失或Z0值在原模试中不能测出，本文中Zo=0-8Zs只是一个体型（并非最优）的模试成果得出的经验值。这是式（2）的最大缺点。但式（2）的动态真空项的表示明确且合理。随着流道体型的优化及工程模试的开展，可望获得较可信的Z0=kZs值。下一问题即最大真空的容许值［hio］。按物理学，当流体内某点的绝对压强Po/Y<水的汽化压强时，水体内即会形成蒸汽泡，因此要求［hio］<（Pa/Y—Pv/Y）。后一准则则要求虹吸弯道内任一点的绝对压强Po/Y>0-3Pa/Y，否则可能产生空穴现象。该准则虽系应用于低水头虹吸溢洪道，但有一定的试验和实践依据。尽管我国已建成的虹吸进水口均未发现气蚀现象（V2均小于4m/s），基于以下理由，笔者认为采用后一准则较合适：（1）国内过去都认为V2太大将引起过大的水头损失。笔者在前两文中〔8，9〕已探讨了多个局阻紧邻的虹吸进水口的水头损失和流

道体型，只要V2v压力管流速Vp,提高现用的v2值并不会增加总水头损失zsVP2

/2g，但会稍微加大动态真空。近年来，国内不少虹吸电站已按自吸发动设计，

且有不少原设有抽气装置的单管单机布置的电站，其抽气装置已闲置不用而改用

自吸发动，不但运用操作方便，而且节省。笔者认为这是虹吸进水口的一个发展，

有关问题拟另文讨论。鉴于适当提高V2的合理性，目前宜考虑防范空穴现象的

问题；（2）hio的计算误差主要来自动态真空的计算，其中流速脉动问题的研究

十分复杂且困难，本文的式（2）还不能说已计入流速脉动压强。目前即采用［hio］

<（Pa/Y—Pv/Y）是不妥的；（3）hio值决定了单管的最大流量。尽管式（2）

尚不成熟，例如对于圆管型流道，采用后一准则［hio］<0.7Pa/Y即可使最大

流量达到20m3/s。从表3可见，我国已建的几类虹吸电站，其1.05hio还远

未达到0.7Pa/Y。鉴于目前对hio计算的近