倒虹吸管布置及計(jì)算講義（44頁(yè)）

1、4倒虹吸管 41倒虹吸管的布置42倒虹吸管的水力計(jì)算43倒虹吸管的結(jié)構(gòu)計(jì)算 4.1倒虹吸管的布置和構(gòu)造 倒虹吸管是渠道與河流、谷地、道路沖溝及其他渠道相交時(shí)，為連接渠道而設(shè)置的壓力輸水管道，是交叉建筑物之一。(1)當(dāng)渠道通過山谷、溪流，因谷道深邃難以修建渡槽，或需高填方、或用水部門對(duì)水頭要求不嚴(yán)格。(2)當(dāng)渠道與河流或道路相交，且渠道水位與河水位或路面接近同一標(biāo)高，不能采用渡槽、涵洞等 倒虹吸管與渡槽相比，具有工程量少、施工方便、節(jié)約勞力及材料、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是水頭損失大，維修管理不便。 4.1.1倒虹吸管管路布置 倒虹吸管的管路布置需要結(jié)合地形、地質(zhì)、施工、流量大小、水頭高低、交通以及

2、洪水影響等因素通過分析比較選定。一般應(yīng)滿足如下原則：（1）管路與通過的水道、溝谷或道路應(yīng)盡量成正交、管身及進(jìn)、出口軸線在平面上的投影應(yīng)布置成直線，以縮短管長(zhǎng)。進(jìn)、出口應(yīng)與上、下游渠道平順連接。（2）管身及進(jìn)、出口宜布置在穩(wěn)定地段，應(yīng)避免通過可能產(chǎn)生滑坡、崩塌及其他地質(zhì)條件不良的地段。地形不應(yīng)過陡，以便于施工。 （3）盡可能將進(jìn)出口布置在挖方渠段，盡量避免建于高填方上，確實(shí)難以避免時(shí)，應(yīng)慎重采取夯實(shí)加固和防滲排水措施。（4）為減少開挖工程量，管路一般沿地面坡度敷設(shè)（露天或淺埋），但管坡不宜過陡，使管身及鎮(zhèn)墩易于維持穩(wěn)定，并便于施工。同時(shí)，應(yīng)避免轉(zhuǎn)彎（變坡）過多，以減少水頭損失和鎮(zhèn)墩數(shù)目。 根據(jù)管

3、路埋設(shè)情況及高差大小，倒虹吸管可采用下列幾種布置型式：（1）斜管式和豎井式。對(duì)于高差不大的小虹吸管，管身常布置成斜管式和豎井式兩種。斜管式采用較多。豎井式多用于穿過道路且管內(nèi)流量不大、壓力水頭較?。℉35m）的情況，井底常設(shè)0.50.8m深的集沙坑，以便清除泥沙及檢修水平段時(shí)作排水之用。豎井式水流不順暢，但便于施工。 斜管式倒虹吸管布置形式 豎井式倒虹吸管布置形式 （2）地埋式（露天或淺埋）。對(duì)于高差大的倒虹吸管，管道常隨自然起伏的地形露天或淺埋于地面之下。露天敷設(shè)的優(yōu)點(diǎn)是開挖工程量小、便于檢修，但在氣溫影響下，內(nèi)外壁將產(chǎn)生較大的溫差，易引起縱向裂縫而漏水。故除溫差較小地區(qū)的小型倒虹吸管可考慮

4、露天布置外，多數(shù)倒虹吸管均淺埋于地面以下。 圖4-2 沿地面露天敷設(shè)及淺埋的倒虹吸管（3）橋式。當(dāng)管道跨過河道或深的溝谷時(shí)，為降低管中段的壓力水頭，縮短管長(zhǎng)和減少管道水頭損失，可在深槽部分建橋或斜拉結(jié)構(gòu)，而將這段管道布置成架空式，即橋式，其余兩岸部分仍沿地面敷設(shè)。橋式倒虹吸管的橋下凈空和橋面必要時(shí)應(yīng)滿足行洪、通航和車輛通行的要求。 圖4-3 橋式倒虹吸管4.1.2進(jìn)、出口布置倒虹吸管進(jìn)出口布置應(yīng)滿足水力條件良好、運(yùn)用可靠以及穩(wěn)定、防滲、防沖、防淤等要求。1.進(jìn)口段布置進(jìn)口段包括進(jìn)水口、閘門、啟閉臺(tái)、攔污柵、通氣管及漸變段，對(duì)于13級(jí)倒虹吸管，進(jìn)口前的渠道一側(cè)應(yīng)設(shè)泄洪閘（或溢流堰）。多泥沙渠道，

5、尚應(yīng)設(shè)沉沙及沖沙設(shè)施。（1）漸變段與進(jìn)水口。倒虹吸管進(jìn)口前一般均設(shè)置漸變段與渠道連接，其長(zhǎng)度可取上游渠道設(shè)計(jì)水深的35倍。進(jìn)水口形式應(yīng)滿足管道通過不同流量時(shí)，渠道水位與管道入口處水位的良好銜接。進(jìn)口輪廓應(yīng)使水流平順，以減少水頭損失。對(duì)于小型倒虹吸管進(jìn)口，為便于施工，可不做成喇叭形，也不設(shè)彎道，而將管身直接插入擋水墻圖4-4(c) ，這種形式水流條件較差。為改善水流條件，可將管身直接插入擋水墻內(nèi)0.51.0m與喇叭口連接圖4-4(d)，這樣不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，水頭損失也小。 圖4-4 進(jìn)水口形式 圖4-5 進(jìn)出口布置圖（a）進(jìn)口布置圖；（b）出口布置圖（2）閘門與攔污柵。進(jìn)口段一般應(yīng)設(shè)閘門，

6、以便進(jìn)行管道清淤和檢修。不設(shè)閘門的小倒虹吸管，可在進(jìn)口側(cè)墻上留門槽，需要時(shí)用插板擋水。為攔擋漂浮物及保障人畜安全，進(jìn)口前一般應(yīng)設(shè)置攔污柵。 圖4-6 沉沙池及沖沙閘布置圖（高程單位：m，尺寸單位：cm）（3）沉沙及沖沙設(shè)施。從多泥沙河流取水，應(yīng)在渠首及渠首后的適當(dāng)位置采取措施減除不能為渠道水流攜帶的泥沙。對(duì)于高含沙引水渠道上的倒虹吸管，應(yīng)使管中水流具有與渠水含沙量相應(yīng)的輸沙能力，以便將渠水中所含泥沙送過倒虹吸管并防止管道淤塞。對(duì)于含沙量大的渠道，最好采用水力沖淤，即在沉沙池末端的側(cè)面設(shè)退水沖水閘，當(dāng)池內(nèi)泥沙沉積到一定厚度時(shí)，關(guān)閉倒虹吸管并開啟沖水閘將淤沙沖走。 沉沙池的長(zhǎng)度、寬度和深度應(yīng)根據(jù)渠

7、水的泥沙含量、顆粒大小、水流速度和一定期間內(nèi)的可能淤積量而定。缺乏這些資料時(shí)可按一般經(jīng)驗(yàn)尺寸決定。水平段長(zhǎng)度 （4-1）寬度 （4-2）沉沙池低于渠底的深度 （4-3）式中：h、b分別為渠道的水深與底寬，m；D為管內(nèi)徑，cm；為管壁厚度，cm。大斷面低水頭管道也可不設(shè)沉沙池，可定期停水直接進(jìn)管清淤。2.出口段布置倒虹吸管出口段的布置形式和進(jìn)口段基本相同。出口段常設(shè)置消力池（可結(jié)合漸變段布置），用以調(diào)整出口水流的流速分布，池長(zhǎng)一般為渠道設(shè)計(jì)水深的34倍，低于下游渠底的池深（cm）可按經(jīng)驗(yàn)公式估算，即 小型倒虹吸管，流速不大時(shí)也可不做消力池，僅用1:21:4斜坡和八字墻漸變段與下游渠道銜接即可。消

8、力池后的下游渠道應(yīng)護(hù)砌35m。4.1.3管身及鎮(zhèn)墩的形式和構(gòu)造1.管身的形式和構(gòu)造管身的斷面形式有圓形、箱形及拱形。圓形管因水力條件、受力條件和施工安裝等方面均較優(yōu)越，故應(yīng)用最廣。對(duì)于低水頭、大流量倒虹吸管，可采用單孔或多孔箱形管。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管具有較高的抗裂性和抗?jié)B性，能承高壓、省鋼材、造價(jià)低且壽命長(zhǎng)，并能在工廠成批生產(chǎn)，故發(fā)展較快。為適應(yīng)地基不均勻沉降而引起的彎曲變形和由于溫度降低和混凝土凝固而引起的縱向收縮變形，管道應(yīng)設(shè)置永久性伸縮縫，縫間設(shè)止水。縫的間距，土基上宜取1520m；巖基上可取1015m。露天管取小值，完工時(shí)及時(shí)填土的埋置管可取大值。對(duì)于預(yù)制安裝的管道，每節(jié)之間一般均采用

9、柔性接頭，分段長(zhǎng)度即為管節(jié)長(zhǎng)度。設(shè)于剛性管座或堅(jiān)實(shí)地基上的預(yù)制管，可采用剛性接頭，但每隔一定長(zhǎng)度仍需設(shè)一柔性接頭。伸縮縫及預(yù)制管的柔性接頭的構(gòu)造形式一般采用套管式圖4-7(a)、平接式 圖4-7(b) 。 圖4-7 管的接縫止水構(gòu)造(單位：cm)1套管； 2一瀝青油氈；3一瀝青油麻，4一外環(huán)筋；5一縱筋；6一內(nèi)環(huán)筋； 7一金屬止水片； 8瀝青杉板；9一防腐軟木圈；10一固定鋼筋；11一塑料止水帶；2鎮(zhèn)墩的形式和構(gòu)造在管道變坡和轉(zhuǎn)彎的地方應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩，其作用是連接和固定兩端的管道。鎮(zhèn)墩主要承受斜管段傳來的荷載和轉(zhuǎn)彎段水流所產(chǎn)生的力。鎮(zhèn)墩間距根據(jù)地形及地質(zhì)條件而定，地形陡峻而地質(zhì)條件良好的斜坡段一般

10、為2030m，如地質(zhì)條件不好，間距還應(yīng)減小。鎮(zhèn)墩材料可用漿砌石或混凝土。鎮(zhèn)墩有開敞式與封閉式兩種。開敞式管道不被鎮(zhèn)墩包圍，多用于固定薄壁管(主要是鋼管)。封閉式按鎮(zhèn)墩與管的連接又分為剛性和柔性兩種形式。剛性連接是將管端與鎮(zhèn)墩澆筑成整體，剛性連接適用于斜管坡度大且地基為巖基或承載能力大的土基。柔性連接是用伸縮縫將管端與鎮(zhèn)墩分開，這種連接形式施工復(fù)雜，但適應(yīng)不均勻沉降及管身伸縮變形的能力較好。圖4-8 鎮(zhèn)墩與管端的連接(a)剛性連接；(b)柔性連接4.2倒虹吸管水力計(jì)算 倒虹吸管的水力計(jì)算是根據(jù)已定的渠道流量、流速、進(jìn)口渠底高程，在水頭損失許可范圍內(nèi)選定合理的管徑，并進(jìn)行出口渠底高程和進(jìn)出口水面銜

11、接計(jì)算等。4.2.1 流速和管徑的確定 倒虹吸管內(nèi)的流速，應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和管內(nèi)不淤條件選定。當(dāng)通過設(shè)計(jì)流量時(shí)，管內(nèi)流速通常為1.53.0m/s，最大可達(dá)4m/s。最大流速一般按允許水頭損失控制，最小流速按通過最小流量時(shí)管內(nèi)流速應(yīng)大于挾沙流速來確定。（1）有壓管流挾沙流速可按下式計(jì)算 （4-5）式中 挾沙流速（m/s）； 泥沙沉降速度（m/s）； 挾沙水流中含沙量（重量比）； 管內(nèi)通過的流量（m3/s）； 挾沙粒徑，在泥沙級(jí)配曲線中小于該粒徑的沙重占75%。(2)倒虹吸管管徑根據(jù)選定的流速按下式計(jì)算確定 （4-6）式中 管徑（m）； 流量（m3/s）； 流速（m/s）（ ）。4.2.2 倒虹

12、吸管輸水能力計(jì)算倒虹吸管的輸水能力按壓力流計(jì)算，其計(jì)算公式為 （4-7） 式中 流量（m3/s）； 倒虹吸管的斷面積（m2）； 上、下游水位差（m）； 流量系數(shù)。(1)水頭損失計(jì)算。倒虹吸管總的水頭損失按下式計(jì)算 式中 -出口損失系數(shù) ； -局部損失系數(shù)總和； -沿程摩擦損失系數(shù)； 4.2.3 倒虹吸管的水頭損失及下游渠底高程的確定(2)下游渠底高程的確定。根據(jù)在設(shè)計(jì)流量條件下的總水頭損失，再按下式確定下游渠底高程 （4-10）式中 下游渠底高程（m）； 上游渠底高程（m）； 上游渠道水深（m）； 下游渠道水深（m）； 總水頭損失（m）。根據(jù)上式確定下游渠底高程后，尚應(yīng)校核加大流量時(shí)上游的壅水

13、高度，以驗(yàn)算上游渠堤及胸墻的超高。4.3倒虹吸管結(jié)構(gòu)計(jì)算 1.荷載 作用于倒虹吸管上的荷載有：管身自重、管內(nèi)水重、土壓力(鉛直土壓力和水平土壓力)，內(nèi)水壓力、外水壓力、管道彎曲段水流離心力、地面荷載、地基支承反力、由于溫度變化和混凝土干縮引起的內(nèi)力以及地震荷載等。4.3.1 作用于管身的荷載及其組合溫度應(yīng)力應(yīng)根據(jù)管道敷設(shè)方法不同而區(qū)別對(duì)待。外露式鋼筋混凝土倒虹吸管，由于管內(nèi)外溫差較大(最大可達(dá)2030)，產(chǎn)生拉應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作為主要荷載。收縮應(yīng)力系混凝土在固結(jié)時(shí)發(fā)生收縮、但受到鋼筋阻止而在混凝土內(nèi)產(chǎn)生的一種初始拉應(yīng)力，對(duì)于鋼筋則產(chǎn)生一種初始?jí)簯?yīng)力。地基支承反力隨管道支承方式及地基條件不同，

14、可采用不同的方法進(jìn)行計(jì)算。地基支承反力的合力等于外荷載的總和。地震力作為特殊荷載，在倒虹吸管計(jì)算中一般可不考慮。對(duì)7度以上地震區(qū)的大型倒虹吸管，可按水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。下面著重介紹土壓力的計(jì)算。作用在單位長(zhǎng)度埋管上的垂直土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算 (4-11)式中： 埋管垂直土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m）； 管頂以上填土高度（m）； 埋管外直徑（m）； 埋管垂直土壓力系數(shù)，與地基剛度有關(guān)，可根據(jù)地基類別按圖4-10查取。圖4-10 埋管垂直土壓力系數(shù)1巖基；2密實(shí)砂類土，堅(jiān)硬或硬塑粘性土；3中密砂類土；可坦粘性土；4松散砂類土，流塑或軟塑粘性土作用在單位長(zhǎng)度埋管的側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)

15、算 （4-12）式中： 埋管側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m）； 埋管中心線以上填土高度（m）； 埋管凸出地基的高度（m）； 側(cè)向土壓力系數(shù)，； 填土內(nèi)摩擦角。圖4-11 埋管側(cè)向土壓力作用 土壓力除計(jì)算鉛直土壓力及水平土壓力外，尚應(yīng)計(jì)算管頂水平線以下至管腹間的回填土重量 2荷載組合 荷載組合應(yīng)根據(jù)工程布置型式及運(yùn)用期間可能出現(xiàn)的最不利的情況，進(jìn)行全面考慮。(1)埋于河底的倒虹吸管，在河道枯水期或斷流時(shí)的荷載組合為：管身自重、管內(nèi)水重、土壓力，最大內(nèi)水壓力、外水壓力、管內(nèi)外溫差產(chǎn)生的應(yīng)力(可忽略不計(jì))和地基反力等。當(dāng)河道出現(xiàn)洪水而管內(nèi)無(wú)水時(shí)的荷載組合為：管身自重、土壓力、外水壓力、內(nèi)外溫差應(yīng)力(可忽

16、略不計(jì))和地基反力等。(2)外露式、橋式倒虹吸管，其荷載組合為：管身自重、管內(nèi)水重，內(nèi)水壓力，管道內(nèi)外溫差應(yīng)力及地基反力等。4.3.2 倒虹吸管結(jié)構(gòu)計(jì)算1鋼筋混凝土管 其應(yīng)力分析屬于彈性理論空間問題，但由于計(jì)算復(fù)雜，橫向通常按封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)計(jì)算，而縱向按空心斷面彈性地基梁計(jì)算。2預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管 一般都做成一定長(zhǎng)度的管節(jié)，當(dāng)管芯縱向預(yù)壓應(yīng)力不低于2MPa，且接頭采用柔性橡皮止水時(shí)，僅需進(jìn)行橫向計(jì)算。3鋼管 管壁的應(yīng)力用三向強(qiáng)度理論平面應(yīng)力重疊法計(jì)算。4其他各種預(yù)制管 一般是按照設(shè)計(jì)要求，選用廠家生產(chǎn)的各種定型產(chǎn)品而不單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。4.3.3 作用于鎮(zhèn)墩上的荷載直接作用于鎮(zhèn)墩上的荷載有：鎮(zhèn)墩自重、水管在轉(zhuǎn)彎段由內(nèi)水壓力引起的軸向力、管道彎曲段水流離心力及水重、土壓力等。由管道傳給鎮(zhèn)墩上的荷載有：管道自重、管內(nèi)水重、管道上填土壓力、管道摩擦力、河道水面以下管道浮力、水流對(duì)管壁的摩擦力以及因溫度影響而產(chǎn)生的軸向力等。當(dāng)管道分段設(shè)置伸縮沉陷縫時(shí)，水流對(duì)管壁的摩擦力及因溫度變化而產(chǎn)生的軸向力，可以忽略不計(jì)。上述各項(xiàng)荷載并不同時(shí)存在，應(yīng)根據(jù)具體布置型式和運(yùn)