倒虹吸应用Doc11.docx

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倒虹吸应用Doc11

塑钢缠绕管在过河倒虹吸工程中的应用

塑钢缠绕管由钢塑复合的异型带材经缠绕并挤出焊接而成。

以普通碳素结构钢带作为管材骨架加强筋，构成管材环刚度，以高密度聚乙烯作为钢带的包覆防腐及管壁材料。

带材之间以搭接并以塑料挤出焊接形式连接，焊接材料与管材相同。

塑钢缠绕管的摩擦系数是0.009~0.01，对管道水流的流动阻力影响比较小，管道形成沉淀污物相对较少。

我公司生产的塑钢缠绕管在过河倒虹吸工程中的应用实例有：

济南市小清河综合整治工程、临沂市沂河综合整治工程、潍坊市虞河景观工程等。

塑钢缠绕管在过河倒虹吸工程应用中应注意以下几点：

为抵御水流对管道的冲刷和防止漂管，管道基础应采用刚性基础设计；DN700塑钢缠绕管管基厚度不应小于200MM，混凝土标号不应小于C20；管体要做钢筋混凝土包覆，包覆厚度不应小于200MM，钢筋笼使用12MM螺纹钢间隔15CM绑扎，两端立井与管端包覆应浇筑为一体。

浅谈深沟大跨度倒虹吸压力管道设计

禄兴

（云南省昭通市水利水电勘测设计院） 

摘要：

以礼河倒虹吸横跨以礼河河谷，两岸地形陡峭，山高谷深，地质情况复杂。

在设计中就倒虹吸稳定、水头损失、应力分析、结构及基区工程；倒虹吸；管道设计

1、前言

炉房水库是以农业灌溉为主，兼顾人畜饮水、发电等综合利用的中型水利工程。

水库灌区主要分布于金沙江干热河谷及以礼河河谷，倒虹吸是该引水工程中数量较多的一种建筑物。

以礼河倒虹吸位于渠系工程首部，其最大工作水头为647.931m，设计引水流量1.6m3/s，是灌区建筑物中难度最大的工程。

该工程修建成败是关系到灌区灌溉得到保证与否、以及整个工程投资效益具体实现的关键。

2、倒虹吸的总体布置

以礼河倒虹吸横跨金沙江一级支流以礼河，两岸地形陡峭。

轴线选择原则:

在地形、地质条件允许的情况下，倒虹吸的轴线尽可能与主河床正交，以减少建筑物的长度，降低投资。

为此初拟了两条轴线及长度，通过水力演算得到各种长度对应的上、下游水位值，并计算各种方案的工程量，通过方案比选和论证，选择出以下方案，其工程投资较省。

2．1、地形、地质条件

倒虹吸进口右岸地形坡度为26°～54°，中上部崩塌、错落等物理地质现象较发育，第四系堆积物厚6～15m，局部40m，下伏基岩为二迭系峨眉山玄武岩，岩体强至弱风化，节理发育，下部玄武岩裸露；出口左岸地形坡度20°～56°，大部分为第四系残坡积粘土含碎石覆盖，厚0.5～3.0m，下伏基岩及风化情况与右岸相同；河床部位宽约110m，河谷下部及河床为崩塌堆积，厚6～11m，深部为18～25m厚的冲洪积砂卵砾石层，下伏基岩为二迭系栖霞茅口灰岩及生物碎屑灰岩，局部溶沟、溶槽、溶隙较发育。

2．2、管身布置

根据地形、地质情况，两岸管身采用明管布置，坡度为15～54.5度。

跨河水平段在不影响河道安全渲泄洪水情况下，结合两岸交通要求采用跨河桥过河，在桥上铺设管道。

2．3、辅助工程设置问题

倒虹吸工程水源为炉房水库库水，泥沙含量虽少，但为尽量减轻泥沙对倒虹吸管的冲刷，在建筑物进口仍设置沉沙池及退水冲沙设施。

压力管道进口前设置工作闸门及拦污栅，以控制水流及防止飘浮物进入压力管道。

严防关闸断流或拦污栅被飘浮物堵塞时造成上游渠水漫溢，冲垮山坡，危急建筑物安全，在进口段设置溢流堰及泄水槽。

同时倒虹吸出口也需设消能池，以调整出口水流的流速分布使之比较均匀而平稳地流入下游渠道。

对于倒虹吸来说，设置通气孔也是一个重要措施。

一般倒虹吸通气孔主要用于稳压水流，防止气蚀，这些问题对于以礼河倒虹吸工程这种高水头、小流量的倒虹吸工程来说进口发生水跃尤其严重。

所以，以礼河倒虹吸更需设置通气孔。

倒虹吸管身较长，为了能进人检修并保证管内不淤，管身需设置进人孔，在跨河最低管段设置冲沙放水孔。

3、建筑物的选型

倒虹吸由进口段、管身段和出口段三部分组成。

3．1、进、出口建筑物

进口设长8m、宽4m的沉沙池，池底高程1971.62m，前用4m长八字形渐变段与渠道连接，在池身边墙高程1975.12m设6m长侧向WES型溢流堰，堰后为泄水陡槽。

在沉沙池设冲沙管引入泄水陡槽。

进水室前设拦污栅，栅后（压力管道进口前）设置工作闸门。

出口设长5m、宽1.5m的消力池，池底高程1894.18m，后用4m长八字形渐变段与下游渠道连接。

3．2、工作闸

工作闸设在进水室，为1.8×1.8m平板定轮钢闸门配快速启闭机，闸门的启闭轨道为垂直上下，闸室段长4.5m。

其作用是为了检修、清淤和临时停水；为较好地适应明渠与管身之间的过渡，采用闸底板高程与压力管道进口底齐平。

闸室均采用开敞式平底结构型式。

3．3、管身

倒虹吸管身常用的断面型式有：

圆形、箱形和直墙正反拱形等。

圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比，其湿周小，水流摩阻力小，水流条件好，过水能力大，施工及焊接较为容易。

经综合分析，以礼河倒虹吸均采用圆形断面钢管露天铺设。

根据倒虹吸两岸坡地形及地质情况，压力钢管采用斜管布置。

为不影响以礼河宣泄洪水，并结合两岸群众交通需求，跨河采用长92m，宽5m的钢筋混凝土空心板梁桥渡管。

在与进出口建筑物及管身角度变化处采用3倍管径的转弯半径弯管与之相连。

倒虹吸钢管总长2185.514m。

管身共设31个伸缩节。

由于管线长、高差大，压力管道沿途设置了6个进人孔。

并在最低处设置φ500mm冲沙阀及冲沙放水管。

3．4、镇、支墩设计

受地形影响，管轴线在平面和纵断面上呈折线状，根据规范要求，管轴线在转折处设置封闭式镇墩，直管段长度大于100m时，中部增设一镇墩。

倒虹吸管沿线共布置30个镇墩，墩距52～87m。

在两镇墩之间每隔4～6m设一刚性鞍型支墩，支墩包角120°。

管身与支座间铺设6mm厚钢垫。

4、水力设计

4．1管径设计

水力设计是倒虹吸设计的基础，也是倒虹吸设计是否经济合理的关键。

合理选择水力设计的计算公式、各种设计参数及各项水头损失系数，是水力设计准确的关键。

倒虹吸最大工作水头647.931m，设计流量1.6m3/s，最大流量2.0m3/s，最小流量0.5m3/s。

按最经济的管径近似公式及经济流速公式计算：

及。

式中：

—最大流量；—设计流量；—设计水头；—经济流速，取3～5m/s。

根据计算结果比较，倒虹吸管径采用74cm。

4．2水头损失

沿程水头损失根据以下公式计算。

式中:

；；—设计管内径；—糙率，取0.012，；—水力半径；—平均流速。

局部水头损失根据以下公式计算:

式中：

—局部水头损失系数；—相应断面平均流速。

根据规范及工程类比，进、出口局部水头损失系数分别取0.1和0.4，渐变段水头损失系数取0.05，管身弯管水头损失系数，拦污栅水头损失系数取0.5，闸门槽水头损失系数取0.2。

经水力计算，倒虹吸总水头损失见表1：

表1                         倒虹吸水头损失计算表

流量Q

（m3）/s

流速υ

（m/s）

沿程损失hf

（m）

沿程损失hj

（m）

总损失△h∑

（m）

2.0

4.65

76.17

3.27

79.44

1.6

3.72

48.75

2.09

50.84

0.5

1.16

4.76

0.2

4.96

扣除沿程及局部水头损失后，倒虹吸相应进出口水位见表2：

表2                          倒虹吸进出口水位特性表

位       置

进   口

出   口

最高水位（m）

1975．12

1895．68

设计水位（m）

1946．32

1895．55

最低水位（m）

1900．64

1895．18

4.3通气孔设计

根据水力计算，倒虹吸进口最高水位与最低水位相差74.48m，为满足管身进口过小流量时有一定淹没水深，不形成真空，减小管身震动，需设置一深大于74.48m的进水池。

而根据当地的地形及地质条件，施工较困难，且工程造价高。

为了做到设计的安全可靠并节约投资，设计采用在倒虹吸管最低水位以上管顶背设长134.208m的通气主管,并沿斜管顶部每隔2m设一通气支管与主管管连接，以稳压水流，减小震动和气蚀。

通气管最小有效面积按近似公式计算：

。

式中—通气管进风量，近似取管内流量；—通气管流量系数，取0.7；—钢管内外压力差，取1kg/cm2；—安全系数，取3.5。

经计算，为安全考虑，通气管主管径取60cm。

通气钢管与主管采用孔径20cm的通气支管连接。

5、结构设计

5．1、管壁厚度

以礼河倒虹吸最大工作水头647.931m，压力钢管中上部选用Q235钢、下部选用16Mn钢制做。

采用以下公式计算管壁厚度：

。

式中—设计水头；—设计管径；—结构材料的容许应力，其中：

=1300kg/cm2，=1600kg/cm2；—焊接系数，取0.9。

经分段计算，管壁厚度结果为：

Q235钢压力管计算壁厚=6～14mm；16Mn钢压力管计算壁厚=14～20mm。

考虑到管壁受泥沙磨损、钢管锈蚀、制造不精确等因素，在计算壁厚的基础上再加2mm附加值，即Q235钢压力管结构壁厚为8～16mm；16Mn钢压力管结构壁厚为16～22mm。

5．2、应力分析

钢管的应力状态是三元的。

根据有关试验证明，对低碳素钢这类塑性材料，第四强度理论更符合实际，但与第三强度理论相比两种理论差别不大，第三强度理论偏于安全方面，对材料强度的控制我国多采用第三强度理论。

故对礼河特大型倒虹吸结构受力状态按第三向强度理论——最大剪切应力理论进行分析：

；；。

式中:

—轴向应力；—径向应力；—切向应力；、、—各方向剪应力。

经应力分析、计算，、、＜（结构材料的容许应力）。

5．3、抗外压稳定校核：

除按强度和构造确定管壁厚度外，还需进行外压稳定校核。

以礼河倒虹吸为露天明管布置，在计算时选用管身只是承受均匀径向力作用下的抗外压稳定问题。

管身无钢性环，沿轴向可以自由伸缩，则管壁的临界外压采用公式：

。

分段计算临界外压力。

当外部大气压为1kg/cm2，安全系数=2，弹性模量=2.1×106kg/cm2，泊松比=0.25，则压力管道无钢性环的管壁能保持稳定的最小厚度为：

。

通过校核计算，管壁能保持稳定的最小厚度为 5.7（mm）。

设计管壁厚度大于抗外压最小厚度，倒虹吸钢管不需设置钢性环，在结构方面是稳定的。

6、结语

⑴以礼河倒虹吸工程工作水头是昭通市已建最大的一座倒虹吸，由于客观条件所限，水力计算均采用近似公式及系数；

⑵以礼河倒虹吸工程2001年3月动工兴建，2004年12月完工，目前其运行正常。

参考文献：

［1］王致祥，梁志钊，孙国模，文启鼎。

《管道应力分析与计算》，水利电力出版社（1983），67-81；

［2］《倒虹吸管》（灌区水工建筑物丛书），水利电力出版社（1983），253-256；

［3］《水电站建筑物》（水工设计手册7），水利电力出版社（1989），181-191。

 编辑词条

倒虹吸管

科技名词定义

中文名称：

倒虹吸管

英文名称：

invertedsiphon

定义1：

敷设在地面或地下用于输送渠道水流穿过河渠、溪谷、洼地、道路的下凹式（U形）压力管道。

所属学科：

电力（一级学科）；水工建筑（二级学科）

定义2：

产生虹吸作用的压力管道式的交叉建筑物。

所属学科：

水利科技（一级学科）；水工建筑（二级学科）；渠系建筑物（三级学科）

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

百科名片

用以输送渠道水流穿过河渠、溪谷、洼地、道路的压力管道。

常用钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成,也有用混凝土、钢管制做的,主要根据承压水头、管径和材料供应情况选用。

倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成。

简介

　　倒虹吸管

　　invertedsiphon

　　用以输送渠道水流穿过河渠、溪谷、洼地、道路的压力管道。

常用钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料

倒虹吸管

制成,也有用混凝土、钢管制做的,主要根据承压水头、管径和材料供应情况选用（见彩图）。

倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成。

从地下或敷设在地面穿过河渠、溪谷、洼地或道路的输水压力管道。

多采用钢筋混凝土管或预应力钢筋混凝土管，也采用混凝土管或钢管。

低水头时可用浆砌石管。

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分段

　　倒虹吸管分为3个部分。

①进口段：

包括渐变段、铺盖和护底等防渗防冲设施、拦污栅、闸门、进水口等。

当含沙量大时还设沉沙池。

②管身：

断面多为圆形，也用矩形或直墙圆拱形。

可埋于地下，也可敷设于地面。

当管道跨越深谷和山洪沟时，可在深槽部分建桥，在其上铺设管道过河。

管道在桥头两端山坡转弯处设镇墩加强稳定，并于其上开设放水冲沙孔。

两岸管道仍沿地面敷设。

这类倒虹吸管又称桥式倒虹吸管。

③出口段：

设消力池，并与下游平顺连接。

倒虹吸管较渡槽造价低，施工简单；但水头损失较大，清淤较困难。

公元前180年在古希腊帕加马（今土耳其）建一座下凹深度超过200米、管径为30厘米的倒虹吸管。

据《后汉书》记载，中国在186年已建造使用倒虹吸管。

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布置形式

　　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：

对高差不大的小倒虹吸管，常采用斜管式和竖井式。

高差大的倒虹吸管,当跨越干谷或山沟时,管道一般沿地面敷设，在转弯和变坡地段设置镇墩，其作用是连接和稳定两侧管道。

管道可埋设于地面以下（图a）,也可敷设于地面或在管身上填土。

当管道跨越深谷或山洪沟时,可在深槽部分建桥,在其上铺设管道过河（图b）。

管道在桥头两端山坡转弯处设镇墩，

倒虹吸管

并于其上开设放水冲沙孔。

两岸管道仍沿地面敷设。

这类倒虹吸管又称桥式倒虹吸管。

根据过水流量大小、运用要求及经济比较，倒虹吸管可布置成单管、双管或多管。

设置双管或多管，可以轮流检修，不影响运行；小流量时,还可利用部分管路过水,以增加管内流速，防止泥沙在管中淤积。

管身断面形式有圆形、矩形及城门洞形等，其中圆形采用较多。

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结构

　　倒虹吸管进口段一般包括渐变段、进水口、拦污栅、闸门、挡水墙等。

对含沙量多的渠道，还可在进水口前加设沉沙池。

为了渠道水位与管道入口水位在通过不同流量时良好衔接，可在管道进口前修建前池，或将管道进口底高程降低，并在管口前设斜坡段。

出口段一般设消力池，用以调整出口流速分布。

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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。

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历史

　　倒虹吸管有悠久的历史。

公元前180年在古希腊（今土耳其）帕加马曾建筑一座倒虹吸管，其下弯穿越河谷的深度超过200m，管径为30cm。

倒虹吸管在中国古代称为渴乌,公元186年在《后汉书》中已见记载。

中华人民共和国成立后，修建了大量倒虹吸管，在结构形式、用材、施工方法和制管工艺上有不少发展。

预应力钢筋混凝土管由于其承压较高,具有较高的抗裂性、抗渗性,故得到了推广。

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