倒虹吸管有兩種:箱形和圓形。
物理學中水向上運動的現象,是水利工程的壹門技能。
(壹)管道?滴滴倒虹吸水流描述
“煙鬥?”《杜笛》用鋪天蓋地的虹吸對水流做了精辟的描述:水的本性,到了壹個彎,就要往後留,滿了就往前推,地下平行,控制地面高度。
筆者認為這壹段講的是有壓管流的“水性”,自由面流的“水性”前壹段講的是平行的兩段,“到彎道時,必須退後,滿了再往前推”,描述的是渠道水通過倒虹吸的水流現象。當渠水流入從壹端向下彎曲的倒虹吸時,必須先灌滿倒虹吸(從另壹端流出的水才能“向後向前”)。當水流過建築時,會有能量損失。因此,需要對倒虹吸的進水口和出水口的標高進行必要的區別,使出水口標高低於進水口標高,出水口低於進水口(“地下”),這樣水流才會順利通過。否則,渠道水將在倒虹吸的控制下流動,因為倒虹吸的出口端過高(“地面高度”)。
(2)中國和古羅馬公元前供水管道中的倒虹吸管。
1975至1981,在河南登封縣高塍鎮陽城遺址的發掘中,發現有戰國晚期的城市管道供水系統,其中實際應用了倒虹吸。整個供水設施由水管、控制流量的控制坑、沈澱泥沙的澄清池、蓄水坑和蓄水罐組成。供水管道有八條,沿地勢由高到低排列,總長幾千米。水管內徑約12.3 cm,在淹沒條件下水流可達20 ~ 30升/秒。
水管由直管、三通排氣管、三通配水管和四通控水管組成,均為陶瓷材料。其中陶瓷三通的陶瓷直管與排氣管的連接如圖2-14所示,陶瓷三通的形狀如圖2-15所示。大部分水管鋪設在紅砂巖挖的溝槽裏。槽深1.2 ~ 2.0米。②
公元前180年左右,土耳其的古希臘城市帕加馬有壹座大型的城市渡槽。這些水是從海拔約360米的源頭跨越兩個山谷運送到城堡的,而城堡的制高點只比源頭低了約40米。其中,當有倒虹吸跨越100多米的山谷時。(3)古羅馬著名建築師維特魯威(Vitruvius)在2000年前寫下了不朽的巨著《建築十書》,詳細描述了當時自來水管網的施工要點。對於倒虹吸,維特魯威還指出,為了安全運行倒虹吸,需要修建橋墩和排氣豎管。①
(1)要管子嗎?獨堤內河道比降的計算和水躍的描述最早由姚漢元先生在1962中提出。
②河南省文物研究所,中國歷史博物館考古部,登封王成剛、羊城,文物出版社,1992,第229~246頁。
③看チヤルズ?シンガ,第壹版,平田宏和八木龍譯,《技術史——中世紀地中海文明》(下冊),《朱墨研究》,第581 ~ 583頁。彼得·詹姆斯《古代發明》,嚴克偉譯《世界古代發明》,世界知識出版社,1999,第388頁有壹種水管形式叫倒虹吸,是渠道穿越道路、河流或渠道穿越山谷時經常采用的壹種立交水工結構。早在2000多年前,中國就已成功應用。和虹吸管壹樣,立面上也是拱形的;不同的是,它的弓向下彎曲。而且雖然倒虹吸和虹吸管的輸水原理是壹樣的,都是依靠上下遊的水位差,但是倒虹吸更受歡迎,因為它開始工作時不需要人為在管道內制造真空。
倒虹吸主要用於農田水利工程。當渠道穿越道路和河流時,可以使用渡槽,例如,北宋時期引用水鏡的鄭白渠就使用了渡槽。倒虹吸也可以用,比如南宋時,用在引用贊美水的河堰上。這種大型倒虹吸多為砂漿塊石,也可用竹筒連接。在唐代詩人杜甫的詩歌和元代科學家王鎮的《農書》中都有倒虹吸在輸水渠道中應用的描述和記載。