倒虹吸设计教材

1. 引言 (4)
2. 设计依据文件和规范 (4)
3. 设计基本资料及主要参数 (4)
4 设计一般原则 (9)
5.布置要求与优化设计 (9)
6.水力计算 (11)
7.结构设计 (12)
8.有关构造、细部结构 (16)
9.观测设计 (16)
10.技术专题研究 (17)
11.工程量计算 (17)
12.应提供的设计成果 (17)
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１引言
格节河倒虹吸管是引汤灌区（电站或其他工程）的引汤引水渠上（桩号33＋800～36＋466）的输水（引水）建筑物，位于黑龙江省汤原县（市）胜利乡的格节河，对外交通为公路，距哈尔滨—罗北公路里程约 2 km。

按初步设计报告，本倒虹吸管经审定为：设计流量 17.31 m3／s，采用方形过水断面，管径（宽×高） 2.8×3 m，根数 3 条，进出口设计水位差 0.54 m。

管体采用结构，设计最大水头 0.57m，由进口段、管道、出口段及管道支承结构等建筑物组成，全长 242 m。

2 设计依据文件和规范
2.1 有关本工程主要文件
(1)初步设计文件（包括补充文件）；
一、概况
引汤灌区位于汤旺河下游松花江的北岸，黑龙江省汤原县境内，引汤灌区近期灌区范围，西起引汤渠首，东至乌龙河合阿凌达河，南起汤旺河、松花江交界，北至阶地的夹长条状，区内地形西北、东南低，地面坡度在1/5000左右。

近期灌区面积26.87万亩。

二、工程地质
引汤灌区的总干渠和干渠均布设在阶地的边缘。

粘性土较厚，一般在2-4m左右,其下层为中砂和砂砾石，除沟谷外地下水位较深，一般在4-6m，大部分建筑物基础坐落在砂层上。

根据地质剖面图显示从上而下4-8米均为含壤土的细砾层，垂直渗透系数0.0865厘米/秒，渗透损失较大，休止角为水上35.5°、水下34°。

据《中国地震动参数区划图》（GB18306--2001），该区地震动峰值加速度0.05g，相当于地震基本烈度为VI度，地震动反应谱特征周期为0.35s。

属区域构造稳定区。

依据《水工建筑物抗震设计规范》SL203-1997,采用基本烈度作为设计烈度，不进行抗震设计。

三、总干渠36+466倒虹吸工程的格节河洪水按20年一遇洪水标准设计。

按50年一遇洪水标准校核。

工程级别为3级。

抗滑稳定安全系数：基本组合1.25，特殊组合1.10.
四、水利要素：
上下游水位、渠道比降、渠底高程、渠道边坡、渠道底宽、地面高程、设计流量等见表X
(2)初步设计审批文件（包括对本工程的其他文件）；
(3)技术设计任务书；
(4)其它有关文件及资料。

2.2 主要设计规范
(1)SDJ12－78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定（山区、丘陵区部分）
（试行）；
(2)SDJ217－87 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原、滨海部分）（试行）；
(3)SDJ10－78①水工建筑物抗震设计规范（试行）；
①范本是按SDJ10-78编写的，如用新规范DL5073-1997，则有关内容需作相应修改。

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(4)SDJ20-78②水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；
(5)SDJ207-82 水工混凝土施工规范；
(6)SD303-88 水电站进水口设计规范（试行）；
2.3 主要参考资料
［1］《水工建筑物》第三版天津大学
［2］《水力学》（上下册）高速水力学国家重点实验室吴持恭第三版
［3］《结构力学》高等教育出版社龙驭球
［4］《钢筋混凝土结构学》
［5］AutoCAD2002 中文版应用教程
［6］《灌溉与排水工程设计规范GB50288-99》等
3 设计基本资料及主要参数
3.1 工程等别与建筑物级别
(1)工程等别：根据本工程规模及SDJ12-78或SDJ217－87规范，确定本工程为等工程。

(2)建筑物级别：管道、支承结构及管道进出口段等各部建筑物的设计级别应按有关规范确定。

3.2 地震烈度
(1)基本地震烈度：根据《中国地震动参数区划图》（GB18306--2001）,该区地震动峰值加速度 0.05g ，其地震基本烈度为 VI 度。

(2)设计地震烈度：按《水工建筑物抗震设计规划》SL203-1997规定，本工程设计地震烈度为 VI 度。

3.3 输水流量及允许水头损失
(1)输水流量（见表1）。

(2)允许水头损失：根据渠系水面线要求，通过设计流量时，本倒虹吸管允许最大水头损失值为m。

3.4 输水水质
引汤灌区的总干渠和干渠均布设在阶地的边缘。

粘性土较厚，一般在2-4m左右,其下层为中砂和砂砾石，除沟谷外地下水位较深，一般在4-6m，大部分建筑物基础坐落在砂层上。

根据地质剖面图显示从上而下4-8米均为含壤土的细砾层，垂直渗透系数0.0865厘米/秒，渗透损失较大，休止角为水上35.5°、水下34°。

②范本是按SDJ20-78编写的，如用新规范SL/T191-96(或DL/T5057-1996)，则有关内容需作相应修改。

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3.5 进出口渠道要素（见表2）
3.6 管线区的地形资料（见表3）
3.7 管线区的地质资料
(1)管线区的综合地质平面图（1∶200～1∶500，管线长于1000m时1∶1000～1∶2000）；
(2)管线纵、横地质剖面图（1∶200～1∶500）；
(3)管线区不良地质构造处及特殊地段(如跨越河溪、道路等)的平面图、剖面图（1∶200～1∶500）及有关专题报告；
(4)建筑材料产地、贮量及质量分布图；
(5)地基及回填土的物理力学指标（见表4、表5，包括不同的管段区）；
(6)地质报告或说明书。

表4 地基物理力学指标
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表5 回填土的物理力学指标
3.8 水文气象资料
(1)气温及水温：多年实测的日平均气温及水温，或月平均资料（见表6）；
(2)极端最高气温℃（发生在年月日）；
(3)极端最低气温℃（发生在年月日）；
(4)多年平均最大风速m／s（风向）；
(5)冰冻期为月，结冰厚度m，持续最长时间d，冻土层厚度m；
(6)地下水埋深；
(7)冰凌资料。

3.10 材料特性
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3.10.1混凝土
(1)混凝土设计强度与弹性模量见表7。

表7 混凝土设计强度与弹性模量表单
3.10.3其他
3.11 安全系数
(1)混凝土结构构件强度安全系数见表10。

(2)钢筋混凝土结构构件强度安全系数见表11。

(3)钢筋混凝土结构构件使用中不允许出现裂缝的抗裂安全系数(Kf)，见表12。

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(4)建筑物稳定安全系数见表13。

3.12 其他系数
(1)管节搬运、吊装等动力系数：K
η＝：
(2)管体与管座之间的摩擦系数： f＝。

4 设计一般原则
4.1 倒虹吸管设计除执行本大纲外，还应符合有关标准、规程和规范的规定。

4.2 倒虹吸管是引水建筑物，其工作情况及设计要求必须满足整个引水工程规划设计的要求。

4.3鉴于温度荷载对管道应力影响较大，又难于准确计算，因此，在管道设计中，应采取适当的构造措施，尤其要注重隔温措施，一般尽量采用掩埋式或其它隔温结构，以减小温度荷载对管道应力的影响。

4.4混凝土收缩的影响在设计上一般不进行计算，只提请施工部门采取措施，应控制均匀收缩在允许范围之内，并应尽量避免非均匀收缩。

4.5地震力为特殊荷载，设计中一般可不考虑，应着重采取抗震结构及工程措施。

只有对７度以上地震区的大型倒虹吸管，且是露天铺设时，应按SDJ10-78的要求进行设计。

4.6倒虹吸管主要是承受较大的内水压力荷载，因此，钢筋混凝土管道结构应按不允许开裂的要求进行设计。

4.7因混凝土具有易裂性，对混凝土水管，尤其是高压管，应从结构构造、布筋、施工等方面注重采取抗裂防渗措施。

4.8 在结构设计中，应充分考虑施工中(如用顶管法、盾构法施工，或管道通过河谷道路等)的一些特殊要求。

4.9 在寒冷地区，应按防冻要求设计，采取必要的防冻措施。

5 布置要求与优化设计
5.1 一般规定
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5.3 管道段
5.3.2管座形式选择
5.3.3 镇墩布置
(1)管道转弯处应设置镇墩；
(2)镇墩在管道直段上的设置。

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5.3.4 管节长度与伸缩沉陷缝
5.3.5 专题设计
6 水力计算
6.1 计算任务
6.2 管道流速
倒虹吸管内流速应根据允许水头损失值，经技术经济比较和管内不淤条件选定。

6.4 管道过水能力的核算
倒虹吸管内的水流为压力管流，故其管道内的过水能力按压力管流公式计算。

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6.5 进出口水面衔接的验算
7 结构设计
7.1 荷载及其组合
7.1.1 荷载
7.1.1.1 基本荷载
(1)自重（包括管道隔温结构的自重）；
(2)满管水重；
(3)设计内水压力；
(4)外水压力；
(5)管道弯曲段水流的离心力；
(6)土压力；
(7)地面荷载；
(8)支座反力；
(9)温度荷载；
(10)雪荷载。

7.1.1.2 特殊荷载
(1)校核内水压力；
(2)地震力。

7.1.2
荷载组合
荷载组合一般应按表14～16采用，但有时还要考虑其它可能的荷载及可能的最不利组合。

(1) 管道横向计算的荷载组合，见表14。

(2)管道纵向计算的荷载组合，见表15。

(3)镇墩计算的荷载组合，见表16。

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7.2 管身内力计算
7.2.1设计一般规定
7.2.2横向计算
7.2.2.1圆形管计算原则
7.2.2.2箱形管计算原则
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7.2.3 纵向计算
7.3 镇墩结构设计 7.3.1
设计一般要求 7.3.1.2 镇墩结构计算内容 (1)抗滑与抗倾覆稳定性校核； (2)结构强度验算；
(3)地基承载能力验算，必要时进行沉陷验算。

7.3.1.6镇墩的周围，尤其是上部，宜配置适量温度钢筋，以防开裂，损坏整体性。

7.3.2镇墩的稳定性验算
(1)镇墩沿建基面的抗滑与抗倾覆稳定性验算。

(2)斜坡上的镇墩应论证或验算地基是否稳定。

7.3.3镇墩的强度验算
(1)镇墩的强度验算一般按重力式挡土墙计算方法进行，可选几个与墩底面平行的危险面用材料力学方法计算截面应力，使之满足材料的设计要求。

(2)镇墩的地基强度验算。

镇墩的地基应力用材料力学中偏心受压构件公式进行计算。

8 有关构造、细部结构
10 技术专题研究(必要时)
11 工程量计算
11.1 计算说明
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11.2 工程量计算
12 应提供的设计成果 12.1 设计文件
主要文件有：
(1)设计报告；
(2)计算书；
(3)专题文件(如：试验报告、专题研究报告等)。

12.2 设计图纸
主要图纸有：
(1)布置图；
(2)结构图；
(3)钢筋图。

12.3 工程量汇总表
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