倒虹吸管设计计算

倒虹吸管设计计算一、倒虹吸管总体布置（根据地形和当地需水量情况确定）1.布置原则；13P2.布置型式；{地面式（露天或浅埋式）、架空式}3.管路布置；（斜管式和竖井式）4.进口段布置；{渐变段、拦污栅、节制闸、连接段﹙进水口、通汽孔﹚、沉沙、冲沙及泄水设施}5.出口段布置；（设消力池）二、倒虹吸管的构造1.管身构造；（钢筋混泥土管、钢管、铸铁管）2.支承结构；（管座、镇墩、支墩）三、倒虹吸管的水力计算1.管道断面尺寸的确定；①灌溉面积的确定：（根据土地利用参加够调整表查出整理后土地的灌溉面积。

）②补水量的计算：项目区水田和旱地需水量除去项目区降雨量即为需补给水量。

项目区分为水田和旱地，主要农作物为水稻、玉米、油菜，各种农作物所在区需水量不同。

根据贵州省《灌溉用水定额》编制分区图：项目区属Ⅰ区，灌溉定额根据贵州省灌溉用水定额编制Ⅰ区水稻净定额为2703m/亩，毛灌溉定额为6443m/亩。

需水量公式WM A n =⨯⨯毛需W 需—— 农业生产总需水量，3m ；M 毛—— 综合毛灌溉定额，3m ；A —— 灌溉面积，亩；n —— 农作物复种指数，采用综合灌溉定额时，已经考虑了复种指数，可不再计入。

M M η=净毛M 净—— 作物净灌溉定额，3m /亩；η—— 灌溉水利用系数。

Ⅰ区渠系水利系数为0.465；田间水利用系数为0.95，故灌溉水利用系数为0.465×0.95得0.44。

③.流量计算根据当地全年水田需水量表、旱地需水量表和全年降雨量表查出全年需水量和降雨量的最大值和最小值，计算出最大补水量和最小补水量，以推出其流量。

④．确定尺寸；o D （圆管）o D —— 管道内径，m;Q —— 倒虹吸管设计流量，3/m s ；υ—— 设计流速，m/s 。

2.管壁厚度的拟定取单位长度承受较大内水压力P 的管道管壁中环向拉应力为22o w oo o PD gHD t t θρσ==以钢材的设计允许应力[]σ代替θσ； 经整理得：[]2w oo gHD t ρϕσ≥(mm)w ρ—— 水的密度，1000kg/3m ;H —— 内水压力，m 。

初估计时水锤压力值按静水头的15﹪～30﹪。

高水头取大值，低水头取小值；ϕ—— 焊缝系数，一般为0.90～0.95，双面对接焊缝取0.95，单面对接取0.90；o D —— 压力钢管的内直径，m;[]σ —— 钢管的设计允许应力，kpa 。

查下表钢材的允许应力[]σ应力区域 膜应力区 局部应力区 备注荷载组合 基本特殊基本特殊s σ为钢材屈服强度产生应力的内力轴力 轴力 轴力和弯矩轴力轴力和弯矩允许应力明钢管地下钢管坝内埋管0.55sσ0.67sσ0.67sσ0.7sσ0.9sσ（0.8～0.9）sσ0.67sσ0.85sσ0.8sσ1.sσ3.水头损失计算总水头损失等于沿程水头损失与局部水头损失之和；2()2f j joL Vz h hD gλξ=+=+∑224/3fnh VR=L——管道长度，m;λ——能量损失系数，λ=28gC，1/6/C R n=；jξ∑——各局部阻力系数之和，46P；V——管内平均流速，m/s。

4.能量方程22'11221222wp u p uz z hg g g gρρ++=+++5.进出口渐变段长度计算12()L C B B =- ①1L C h = ②C 、1C —— 系数；1B —— 渠道水面宽度，m;2B —— 渐变段缩窄端水面宽度，m ；h —— 上、下渠道水深，m 。

6.进口沉沙池段面尺寸计算池内水深 H h T =+0.5200O T D δ=++ （mm ）h —— 进口渠道水深，m;T —— 进口渠底至沉沙池底的高差，m;池宽Q B H υ=Q ——渠道设计流量，3/m s ；υ—— 沉沙池内平均流速，m/s;δ—— 管壁厚度,mm;o D —— 管道内直径,mm;池长度'L KL = （'oHL υω=）K —— 安全系数；'L —— 泥沙沉降的水平长度；o ω—— 泥沙沉降速度，m/s 。

注：L 、B 可根据经验有：L ≥（4～5）hB ≥（4～5）bh 、b 分别为渠道的水深和底宽。

7.出口消力池尺寸确定 按经验公式：L ＝（3～4）hT ＝ 0.5o D +δ+0.3消力池以后的护底长一般采用3～5m 。

8.通过小流量时进口水跃的处理: (50P )9.通过加大流量时计算挡水墙顶对进口雍水位的超高;(52P )四、倒虹吸管的结构计算 1.土压力（上埋式管土压力） 单位长度竖向土压力B G 为：1B s G K HD γ=H —— 管顶以上填土高度； s γ—— 填土容重；1D —— 管的外径，矩形管为外形宽度；K —— 系数，查表，对于柔性管K =1.0。

1/H D0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 ≧10 K1.041.201.401.451.501.451.401.351.301.251.201.152.地面活荷载产生的竖向压力①.敷设在公路下1m 的压力管道还受汽车压力和拖拉机压力；1k G f Q D =汽汽 (kN/m)k f —— 动力系数，查表；Q 汽—— 加重汽车作用于管道上的竖向荷载，查表； 1D —— 管道外径，m动力系数k f 表填土深度 0.3 0.4 0.5 0.6 ≧0.7 k f1.251.201.151.051.0Q 汽值（kN /㎡）表汽车荷载填 土 厚 度 H （m ）0.5 0.75 1.0 1.5 2.0 3.0 4.05.0 8.0 汽车-10级 69.0 43.5 25.1 16.8 12.9 8.9 6.8 4.6 3.4 汽车-13级 87.6 49.5 37.7 22.9 17.7 12.1 9.2 6.2 4.7 汽车-18级 170.5 96 73.3 44.3 34.3 23.5 18.6 12.19.6②.拖拉机压力；1k G f Q D =拖拖 (kN/m)Q 拖—— 履带式拖拉机作用于管道的竖向压力（kN /㎡）查表；Q 拖值（kN /㎡）表拖拉机吨位 填 土 厚 度 H （m ）0.5 0.75 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0 60t 47 38.3 32.3 24.7 21.2 17.8 15.0 11.7 9.6 80t88.4 63.2 53.9 41.6 36.3 30.3 25.9 20.2 16.53.其他荷载计算 ①.管内水重(1cos )r o P r ωωγϕ=-ωγ—— 水的重度,kN/3m ;o r —— 圆管内半径,m;ϕ—— 垂直直径之夹角。

当冲满水时2r o P r ωωπγ=②.管道的均匀内水压力r P H ωωγ=H —— 管内顶部以上水头；4.管道外水压力 不均匀外水压力计算1(1cos )ek e P r ωβγϕ=- （圆管）1r —— 圆管外半径；（83P ）e β—— 外水压力折减系数，查表4-11；（84P ） 五、倒虹吸管镇墩的计算 ㈠ 直接作用于镇墩上的荷载； ⑴由均匀内水压力产生的轴向力作用在弯管段起始段面和末端断面的轴向压力分别为；'21"22/4/4p m opm oA H D A H D γπγπ==1H 、2H —— 分别为弯管段起始及末端断面中心处的水头；⑵ 弯管段水流离心力；222222sin(/2)44w o o G D V D V V F ma l g R gR g ωωωωπγπγθ==⨯=⨯⨯⨯=⨯⨯ m —— 弯管段水体的质量（/Ww m G g =）；a —— 离心加速度（2/a R υ=）；Ww G —— 弯管内水体重力，（2(/4)Ww o W G D l ωπγ=）；θ—— 弯管段的中心角（'"θθθ=-）；图148页。

g —— 重力加速度，m/s;R —— 弯管中心线弧长；可近似用弦长AB BC +来代替，{2sin(/2)w l AB BC R θ=+=}； ⑶ 镇墩自重力及镇墩内水重力确定其形式尺寸后可算出自重和内水重力； ⑷ 作用于镇墩上的水平土压力22'21/2cos /4()r a oa E h K B D h K kN γπθγ=-a K —— 主动土压力系数2(45)2a K tg ϕ=-o；B —— 镇墩垂直水流方向宽度，m;1h —— 斜管段管端断面中心线至填土顶面高度，m; 2h —— 镇墩底面至填土顶面高度，m;ϕ—— 土的内摩擦角。

注：土的重度和内摩擦角值见表5-14。

（149P ） ㈡ 通过管身传给镇墩的荷载1.镇墩上侧斜管传给镇墩的力 ⑴管身自重''cc G D L πδγ=轴向分力''sin c cA G θ=垂直管轴的分力'cos c c N G θ='L —— 镇墩上侧斜管段长度，m;⑵内水重力'2'1G r L ωωπγ=垂直分力'''cos N G ωωθ=⑶道上的浮力'2'1f G r lωπγ=轴向分力'''sin f fA G θ=垂直分力'''cos f f N G θ='l—— 在水位以下的斜管轴线长度，m;⑷管道填土压力''()k j G F F L γυ=+轴向分力''"sin A G γγθ=竖向分力''cos N G γγθ=k F υ、j F —— 顺管道每米长土的重力，可分别按式（4-11）、（4-23）计算； （6165P -）⑸管身摩擦力'''''()c o sf rA f N N N N ω=+-+ （kN ）o f —— 管底和管座之间的摩擦系数。

（152P ） k θ—— 临界坡角；（k θθ>管道下滑，k θθ≤管道不动。

）2.镇墩下侧斜管传给镇墩的荷载所计算力与以上公式一样；（152P ）（图150P ） ㈢墩身稳定计算1.镇墩与两侧管端刚性连接当'k θθ>，上侧斜管下滑力大于摩擦力，这时可将所有作用力转化为力'A 及"A ，再求其总和。

轴向力总和在x 在轴上的分力为'"''""cos cos x x x A A θθ=+=+∑∑∑∑∑轴向力总和在y 轴上的分力'"''""sin sin y y y A A θθ=+=+∑∑∑∑∑'x ∑及"x ∑—— 分别为镇墩上游侧及下游侧水平分力的总和，kN ；'y ∑及"y ∑—— 分别为镇墩上游侧及下游侧竖向分力的总和，kN 。