倒虹吸工程设计分析与探讨

倒虹吸工程设计分析与探讨
近年来，倒虹吸工程因其施工方便、节约劳动力等优点而被广泛应用于山区和黄土高原地区的输水工程中。

倒虹吸是渠系建筑物中的一种交叉建筑物，当渠道与河流、谷地、道路、山沟以及其它渠道相交时，为连接渠道而设置的压力管道。

倒虹吸工程管道顶部在冰冻层以下，防冻性能好，工程不易损坏，基于此，本文主要对倒虹吸工程设计进行分析探讨。

标签：倒虹吸；工程设计
1、前言
我国农田水利建设中，修建了大量的倒虹吸管，对建设旱涝保收、高产稳定农田及供应城市工业和生活用水都起到关键性的作用。

进行工程设计时，从整个设计流程来说，需要保证计算的准确性和合理性，才可以使得工程设计产品达到最理想的效果。

2、工程概况
西北某倒虹吸工程设计管道长度达2500m，最大工作水头达300m，管径达0.8m，属于大型倒虹吸工程。

由于原工程已不能满足安装使用要求，因此需重建倒虹吸。

工程建成后，可增加灌溉面积达453.3hm2，不仅能有效改善农业缺水的局面，还可充分发挥灌区提高农业产量的作用。

3、倒虹吸工程设计
3.1工程布置分析
西北某倒虹吸工程布置时应考虑以下要点：①倒虹吸管径大，管线长达2500m，占地面积大。

为减少占用耕地，降低征地费用，选在原管线上重建。

②倒虹吸管线总体布置应根据地形、地势在管线轴向应为一直线，以减少管线长度，在竖向应为折线，局部做填挖处理。

③倒虹吸管道在谷底要跨越现代河床和公路，现阶段河床水流较小，宽约2m，河流纵向坡降为2%，管道布置应考虑河流的洪峰流量和公路车辆情况，原设计中采用支墩的跨越方式，历经40年未发生过特殊情况，应继续采用此跨越形式，并设计支墩基础防冲刷。

通过分析当地地形，了解原工程的使用及管理情况，综合考察各种因素，重建工程管道仍布置在原管线上，经过村庄，横跨沟底公路，自沟右岸向左岸供水，倒虹吸跨越段呈不对称V型，两岸地形坡度25°～35°，局部较陡，可达45°。

3.2管材选择
西北某倒虹吸工程具有计算水头高、管线长的特点，其最大工作压力可达
3.0MPa，属国内罕见。

依据倒虹吸工程特点，管材可选用钢管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢夹砂管三种，玻璃钢夹砂管材的防腐蚀性能好，但抗内压能力小，工作压力一般为0.6～2.0MPa，对于地基易变形的区域，接口易发生开裂，外露时易老化。

预应力钢筒混凝土管材（PCCP）的管道抗渗性能好，且抗内压、抗外压能力强，工作压力为0.4～2.0MPa，但管道重量大，施工技术要求高，施工复杂，防腐蚀性差。

钢管的抗高压能力强，工作压力大，加工制作相对方便，施工技术较为成熟。

该倒虹吸工程整体布置型式为地面式露天布置，管线坡度大，地质条件复杂多变，需穿越两个村庄，施工安全技术要求高，通过管道内水质腐蚀性不强，管材的腐蚀问题并不突出，要求管材工作压力达3.0MPa。

考虑到工程的特殊性、可靠性和安全性，因此工程管材选择钢管。

3.3管径选择与管内流速确定
西北某倒虹吸工程设计流量为0.5m3/s，加大流量为0.7m3/s，按《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》要求，重建工程取管内平均流速为1.8m/s，管道经济直径最小为0.48m，管道经济直径最大为0.94m，考虑预留一定发展流量，设计时管径取0.8m，此时管内平均流速为0.994m/s，验算加大流量0.7m3/s时管内平均流速1.392m/s，小于2.5m/s。

因此取管径0.8m，安全性符合要求，且经济上合理。

3.4管道压力分级
对于高水头长距离倒虹吸压力钢管，由于其管线太长，若全部根据最大工作水头设计钢管壁厚，则对于大型工程来说并不经济。

为降低工程投资，应将钢管管线分为不同的压力级别，并据此计算不同分段的管壁厚度。

本文钢管倒虹吸压力钢管设计最大工作水头达300m，最大压强达3MPa，由于水压太大，部分坡段较陡，考虑到安全因素，压力分级间隔不宜过大，取为0.3MPa。

設计该钢管倒虹吸工程设计压强分为五级，分别为：①P≤1.8MPa；②1.8MPa≤P≤2.1MPa；
③2.1MPa≤P≤2.4MPa；④2.4MPa≤P≤2.7MPa；⑤2.7MPa≤P≤3.0MPa。

3.5管身段设计
管身段主要由主管、伸缩节、支承环、加劲环、镇墩、进人孔、冲沙孔及通气管等部分组成。

由于整个管线上镇墩间管段形式布置类似，故截取该倒虹吸钢管#8镇墩（桩号0+633）至#9镇墩（桩号0+822）的管身段布置。

3.5.1主管设计
本文工程最大工作水头达300m，管径0.8m，钢管管壁初拟厚度约14mm，考虑锈蚀和磨损程度增加2mm，因此该倒虹吸最大水头处钢管壁厚取16mm。

由上管道压力分级可得管身段管壁厚度由小到大分别为8、10、12、14、16mm。

其对应管线长度依次为626.40、682.10、488.23、283.02、313.00m。

3.5.2伸缩节设计
伸缩节在大型倒虹吸工程中不仅可消除大部分温度应力，且能适应少量不均匀沉降。

伸缩节一般布置在镇墩下侧，以保证施工方便和传力明确。

压力钢管伸缩节传统上采用盘根填料止水的套筒式伸缩节，该类伸缩节能很好地满足钢管的横向伸缩变形，设计和施工技术成熟，但当工程存在较大竖向变形时，伸缩节的设计和施工较复杂，且止水盘根易老化。

金属波纹管伸缩节由于节约材料，且能在工厂批量化生产，但其一般用于压力较小、管道较短工程中。

为保证高水头倒虹吸钢管的安全性，本文采用传统的套筒式双向作用的伸缩节，止水材料可选取性能较好的材料，如聚四氟乙烯石棉。

4、结语
本文倒虹吸重建工程由于其水头高、管线距离长，为减少征地费用，基本可选用在原管线上重建。

管线布置在沟左右岸时，随自然地面起伏采用地面式布置形式；管线布置在沟底时，因受沟底公路和宽2m河床的影响，可采用架空式布置形式。

设计时可选用管径为800mm、压力分级可为五级、管壁厚度在8～16mm 之间；伸缩节可采用套筒式伸缩节，盘根填料采用聚四氟乙烯石棉；支墩间加劲环间距和位移计算宜采用有限元计算来确定。

参考文献：
[1]河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段北拒马河南治渠道倒虹吸防护工程专题设计报告[R].2014.
[2]GB50707—2011，河道整治设计规范[S].。