渠系及渠系建筑物

倒虹吸技术

学校：河北工程大学专业：09水工专业

摘要：由于倒虹吸具有布置形式多样化、工程量少、施工方便、节省动力及三材、造价低而且便于清除泥沙等特点，现广泛用于各国的农田水利建设、城市供水、大型调水工程。对于倒虹吸的设计，必须全面考虑，统筹兼顾，合理优化，才能设计出既经济、安全又能满足功能的倒虹吸。

关键字：倒虹吸、南水北调、倒虹吸管设计

随着我国跨流域调水工程的增多，作为主要交叉输水建筑物的倒虹吸被广泛应用。在南水北调工程中，由于其跨度很大，与很多河流都有交汇，通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局，所以被广泛的使用倒虹吸工程。

一、倒虹吸作用及工作原理

当渠道与道路或河沟高程接近，处于平面交叉时，需要修一建筑物，使水从路面或河沟下穿过，此建筑物通常叫做倒虹吸。其工作原理与虹吸一样，倒虹吸在立面上也呈弓形，不同的是，其弓弯向上。而且，虽然倒虹吸管和虹吸管的输水原理相同，即都借助于上下游的水位差，但倒虹吸在开始工作时不需人为地制造管中的真空，因而更为普及。

二、倒虹吸管的构造

倒虹吸管一般由进口段、出口段、段身三部分组成。

（一）进口段

进口段一般包括渐变段、沉沙池、退水冲杀设施、闸门、拦污栅以及启闭设施、连接段、进水口等组成。

1、渐变段：它是渠道与倒虹吸管进口沉沙池之间的过渡段，渐变段常采用扭曲面，其水头损失小。

2、沉沙池：其作用是拦截和沉淀渠道来水所挟带的大粒径砂石及杂物，防止其进入管内磨损和淤积管道。

3、闸门：为满足冲沙、清淤、检修和临时停水等需要，虹吸管进口常须设置闸门。多采用平板闸门或叠梁式闸门。

4、拦污栅：为防止漂浮物或人畜落入渠内被吸入倒虹吸管，闸门前应设拦污栅，栅面与水平夹角宜采用70°~80°，利于增加过水断面，减小流速和水头损失，也便于清污。

5、工作桥：用于启闭闸门和清理拦污栅。桥横断面多采用T形。

6、连接段：其设于闸门之后、虹吸管进口之前的静水池段，由两侧侧墙和下游侧挡水胸墙组成。结构形式有消力池式、斜坡式和消力井式。

7、进水口：为减少水头损失，虹吸管进水口常做成喇叭形。喇叭形始、末

断面直径比或宽度比一般为1.3~1.5，喇叭口长度约为0.83倍管道内径。

（二）出口段

出口段包括虹吸管出水口、出口闸门、消力池及出口渐变段组成。

1、出水口：其设于出口挡水胸墙内，形式选择与布置要求与进水口基本相同，但因出水口外形对水头损失无影响，为了便于施工，常将管道直接伸入出口胸墙内。

2、出口闸门：对双管或多管倒虹吸，为了便于管理运用，常在出口设置闸门；若虹吸管进、出口水位差过大，也常需设置出口闸门，以便于利用闸门开度调节上游水位，以保证在不同流量时管进口均处于淹没状态。

3、消力池：为调整流速分布使水流平稳进入下游渠道，避免产生冲刷，常在出口闸门口设置消力池，若水流流速较小，则可不需消能。

4、出口渐变：渐变也常采用扭曲面形式。

（三）管身段

管身段包括管壁厚度、分封与接缝、管身支承、泄水孔及入人孔组成。

1、管壁厚度：根据管径和工作水头大小，参考已建工程的经验或近似法初拟尺寸，再根据何在，由结构计算进行校核或修正，并进行配筋和抗裂计算。

2、管身分缝与接缝：有现浇管和预制管两种方法。

3、管身支承：钢筋混凝土圆管及箱形管与地基的连接部件即管身支承，支承形式与土石坝下埋管基本相同。

4、泄水、入人孔：对较长和高水头的倒虹吸管，用于检修、冲沙、放空或清淤等需要。

三、倒虹吸管的设计

倒虹吸管的设计包括：管路及进出口布置、管身及镇墩的形式选择、水力计算和结构设计。由于倒虹吸管检修较困难，在设计中应注意为检修创造条件。（一）管路布置形式及特点

根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管有下列几种布置形式：有竖井式、斜管式、曲线式和桥式四种。

1、竖井式

竖井多用于内压水头较低，流量较小，穿越道路的倒虹吸。这种形式的倒虹吸管结构简单，管路短，但水流条件差，一般用于规模较小的倒虹吸管。

2、斜管式

斜管式多用于内水头较小，穿越渠道或河流的倒虹吸。渠道或河流主槽底部设置水平管段，两端用斜管段与进、出口相连，水流条件好，且构造简单，施工方便，实际工程中应用较多。

3、曲线式

当河谷宽阔，岸坡较缓，地形较复杂时，倒虹吸管可随地形敷设成曲线形。曲线倒虹吸管开挖量小，施工方便，且水流条件好，但温度影响及地基不均匀沉陷易造成管身裂缝，引起渗漏甚至危机工程安全。

4、桥式

当渠道通过较深的复式断面河道或窄深式河谷时，为降低管道内压水头，减少水头损失，缩短管长和减小施工难度，可在深槽部位建桥，将管道敷设于桥面上或者直接支撑于桥墩或排架上。管道在桥头山坡转弯处设镇墩，并在镇墩上设置虹吸管放水孔，兼作维修、清淤入孔，以便检查维修。

（二）进出口渐变段的设计

对于按照渠系规划给出了一定水头的倒虹吸工程而言，渐变段消耗水头越多，管身允许消耗的水头将越少，这将使管身断面加大，增加建筑物投资，因此必须对进出口渐变段进行优化设计。渐变段长度不宜过长，当渐变段长度达到一定值时，再增加渐变段长度已对减少水头损失效果不大。同时，渐变段底坡不宜过大，当渐变段进出口底部高程相差较大时，宜适当增加渐变段长度，这样可减少渐变段底坡，从而减小水头损失。

（三）管身形式及闸墩设计

管身有圆管、方管等形式。由于圆管施工较复杂，不宜现浇制模，同时会增加管座的工程量，故采用矩形孔口多孔一联的形式。该形式施工较方便，亦不需对地基进行特殊处理。

墩头形状对水头损失有一定的影响。流线形墩头在闸门全开时水头损失比半圆形墩头要略小，但闸门不全部开启时，流线形墩头对进水口水流影响较半圆形墩头要大水头，损失显著增加。

（四）水力计算

倒虹吸管的水利计算任务是根据灌区规划中已确定的设计流量、进出口渠底高程、允许水头损失，选择合适的管内流速、经济过水断面或管径，验算进出口水面衔接等。

1、管内流速

倒虹吸管内的流速，应根据技术经济比较确定。一般若流量一定，采用较小的管内流速，水头损失较小，出口水位较高，能自流灌溉的田间面积大，但管径大，工程造价及工程量较高，且管内易淤积，采用较大的管内流速则反之。因此适宜的管内流速V，应是在满足灌溉要求的前提下尽量选用较大值，以减少造价和管内淤积。

2、管径或过水断面

倒虹吸的管径D或过水断面积A，可根据初选的管内流速V及设计流量Q，按公式Q=V A确定。

3、输水能力和水头损失验算

当管径或管断面积、进出口水头损失值一定时，倒虹吸管的输水能力Q可按有压管流公式：Q=Μa（2g）½进行计算。

4、下游渠底高程

根据通过设计流量时的上游水位▽、下游水深ht、及虹吸管总水头损失Z，倒虹