倒虹吸管设计应注意的几个问题

量 Ｑ最大 ꎬ并稳定在加大流量时ꎬ上下游水位差为 ｈ大ꎬ ｈ大 ＝ ｚ３ ꎮ 最大流量、最小流量的确定依据«灌 溉与排水工程设计规范» ( ＧＢ５０２８８ －９９)６������ １������ ８ －９
的规定ꎮ
上游渠底高程为确定值ꎬ不同流量对应不同
水位ꎬ确定合理的进水池和出水池水位ꎬ可以使倒
虹吸管过流能力与上下游渠道过流能力尽量一
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张 红:倒虹吸管设计应注意的几个问题
２０１８������ Ｎｏ������ ４
图 １ 水力计算示意
水量增大ꎬ水深增大ꎬ导致上下游水位差增加ꎬ流
速加快ꎬ直至过流能力达到设计流量 Ｑ设计 ꎬ此时ꎬ 上下游水位差为 ｈ设ꎬ ｈ设 ＝ ｚ２ꎬ倒虹吸管过流能力 稳定到设计流量ꎻ同理ꎬ上游来水量渐变至加大流
２ 管径确定
渠道工程中ꎬ倒虹吸管下游侧的灌溉范围高 程取决于倒虹吸管水头损失ꎬ故确定倒虹吸管管 径应从两方面着手:①管道流速ꎻ②可利用水头ꎮ 管道流速与管径成反比ꎬ流速与水头损失成正比ꎬ 所以确定一个合适的管径需综合考虑流速和水 头ꎮ 平原地区ꎬ可利用水头较小ꎬ适合选择较大管
径、较小流速ꎬ以尽量增加渠道灌溉面积ꎬ流速尽 量控制在 １������ ２ｍ / ｓ ~ ２������ ５ｍ / ｓ 之间ꎻ山丘地区ꎬ水头 较充裕ꎬ管内流速选择上限可适当放宽至 ４������ ０ｍ / ｓꎬ最小流速应不低于 ０������ ９ｍ / ｓꎮ
作用ꎮ 本文结合工程实例ꎬ对倒虹吸管布置的要点进行了分析ꎬ重点研究如何确定进出水口的高程ꎬ旨在找到一种直观 可行的设计方法ꎬ使倒虹吸管过流能力与上下游渠道过流能力保持一致ꎬ确保水流状况衔接良好ꎮ
【关键词】倒虹吸管 管径 流速 进水口 水力计算
中图分类号:ＴＶ６７２������ ５ ∶ ＴＶ２２２ 文献标识码:Ｂ 文章编号:２０９５－１８０９(２０１８)０４－００４９－０３
小流量、设计流量、最大流量对应的下游水位分别
为 ４１７������ １７ｍ、４１７������ ００ｍ、４１６������ ６１ｍꎮ 最小流量、设计
流量、 最 大 流 量 对 应 的 下 游 渠 底 高 程 分 别 为
４１６������ ２８ｍ、４１５������ ８７ｍ、４１５������ ２３ｍꎮ
３ 水力设计
３������ １ 定性分析 如图 １ 所示ꎬ倒虹吸管输水能力是由损耗水
头 ｚ 产生的ꎮ 每种工况下ꎬ倒虹吸管总水头损失 ｚ 不同ꎬ并与流量成正比ꎬ ｚ最大 > ｚ设计 > ｚ最小 ( ｚ最大 、 ｚ设计 、 ｚ最小 对应图 ３ 中 ｚ３ 、 ｚ２ 、 ｚ１ ) ꎮ 以倒虹吸管稳 定通过最小流量 Ｑ最小 为起点开始分析ꎬ此时上下 游水头差为 ｈ小ꎬ ｈ小 ＝ ｚ１ ꎻ当流量逐渐增大ꎬ上游来
桥 洞 头 倒 虹 吸 管 位 于 右 干 渠ꎬ 设 计 流 量 ２������ ０３ｍ３ / ｓꎬ主要由节制泄水闸、进水池、管身段以 及出水池组成ꎮ 上游渠道底高程 ４１６������ ８１ｍꎬ上游 设计水位 ４１７������ ９４ｍꎬ渠顶高程 ４１８������ ７１ｍꎬ倒虹吸管 管道长度 ２５１ｍꎮ
采用哪种工况的结果为准进行结构布置ꎬ拟
采用试算法ꎬ即分别试用三种工况的计算结果进
行进出水池结构布置ꎬ验算在其他工况下能否满
足设计要求ꎬ能否满足过流能力要求ꎮ
３������ ２������ １ 试用最小流量计算结果
在水利工程建设中ꎬ当输水渠道遇到河流、洼 地、山谷、公路、铁路等阻碍物时ꎬ可采用下埋式或 桥管式倒虹吸管ꎮ 特别是跨越河道时ꎬ一般考虑 行洪安全ꎬ采用下埋式倒虹吸管ꎮ 本文以金王寺 水库右干渠桥洞头倒虹管为例ꎬ介绍倒虹吸管线 路布置、管径确定、水力计算等几个问题ꎮ
１ 线路布置
倒虹吸轴线平面投影应尽量为直线ꎬ并应与 河道、沟渠、道路轴线正交ꎮ 若不能避免平面转 弯ꎬ应按照尽量减小水头损失的原则布置轴线ꎮ
依据 Ｄ０ ＝ ４Ｑ / πＶ ꎬ桥洞头倒虹吸管选用管 径 ＤＮ１２００ꎬ 流 速 １������ ８ｍ / ｓꎮ 管 道 最 大 工 作 压 力 ０������ ４ＭＰａꎬ拟选用预应力钢筒混凝土管ꎬ压力等级 ０������ ８ＭＰａꎬ施工方便ꎬ经济合理ꎮ
线路布置和管径确定后ꎬ进出水口的水面高 差(下文称“ 上下游水位差”) 与过流能力必将是 一一对应的关系ꎬ同时可知ꎬ当倒虹吸管输水能力 无法与上下游渠道流量保持一致时ꎬ则会导致上 下游水位差和流量也随之变化ꎮ 这是一个逐渐趋 于平衡的过程ꎮ
表１
水力特性
序号
项 目
１ 上游渠底高程
单位 ｍ
Ｑ ｍｉｎ ４１６������ ８１
运行工况 Ｑ设计 ４１６������ ８１
Ｑ ｍａｘ ４１６������ ８１
２ 上游水深
ｍ
０������ ８９
１������ １３
１������ ３８
３ 上游水位
ｍ ４１７������ ７ ４１７������ ９４ ４１８������ １９
致ꎬ水流状况衔接良好ꎮ 如何确定出水池水位及
高程能确保各种工况都能正常运行成为设计中的
重点和难点ꎮ
３������ ２ 定量计算
以桥洞头倒虹吸管为例ꎬ按规范要求ꎬ加大百
分数取 ３０％ ꎬ最小流量取设计流量的 ５０％ ꎮ 桥洞
头最小流量 Ｑｍｉｎ 、设计流量 Ｑ设计 、最大流量 Ｑｍａｘ 工况下水力特性见表 １ꎮ
４ 水头损失
ｍ
来自百度文库
０������ ５３
０������ ９４
１������ ５８
５ 出水池水位
ｍ ４１７������ １７
４１７
４１６������ ６１
６ 下游渠底高程
ｍ ４１６������ ２８ ４１５������ ８７ ４１５������ ２３
由计算可知ꎬ上游渠底高程均为 ４１６������ ８１ｍꎬ最
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四川水利
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倒虹吸管设计应注意的几个问题
张红 ( 四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院ꎬ四川 德阳ꎬ６１８０００)
【摘 要】倒虹吸管是水利工程重要的输水建筑物ꎬ在跨越河道、公路、铁路等障碍物时起到衔接上下游渠道的重要