倒虹吸专题Word下载.docx
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倒虹吸进口还须满足小流量淹深的要求，因此进口底部高程需进行适当的降低．
由于南水北调中线总干渠为常年引水，渠道水深基本保持在渠道设计水位，同时为减少水头损失，西赵河倒虹吸进口不设前池，进口底部高程不降低．
3闸墩及胸墙设计
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。
例如：
当流量Q＝135m3/s，只开两侧两扇闸门，其他边界条件完全一样时，流线形墩头比半圆形墩头水头损失大12.4cm．西赵河渠道倒虹吸选用半圆形墩头。
该形式水头损失不大，受闸门开启影响小,水流较为平稳。
胸墙的布置位置及形式对水头损失有一定的影响．胸墙布置与孔口齐平[见图2（a）］比胸墙布置靠后［见图2（b）］水头损失要小。
西赵河渠道倒虹吸流量Q=630m3/s，其他边界条件完全一样时，胸墙靠后布置比胸墙靠前布置时水头损失大3.9cm．直立式胸墙［图2（c）］比向后倾斜布置的胸墙［见图2（d）］水头损失要小．其原因主要是水流受到胸墙的阻挡，易形成倒转流层而导致漩涡的产生，增加水头损失．西赵河渠道倒虹吸胸墙布置为直立式胸墙，位置与倒虹管孔口齐平。
4控制水闸布置
倒虹吸进出水口均布置有水闸，控制水闸可以布置在管身上游也可布置在管身下游。
经过试验比较发现：
控制闸门布置在上游，进水口水流不平稳，管内掺气，管内发生水跃；
而布置在管道出口，既便于工程管理，又避免了上述不良水流流态，并可保证上游渠道正常水深。
设计中控制水闸布置在管道出口。
5管身形式
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。
6管身检修
大型渠道倒虹吸管身检修比一般倒虹吸要复杂．因为大型渠道倒虹吸上部荷载大，单孔检修将导致较大的不均匀沉降。
因此，西赵河渠道倒虹吸采用三孔一联同时检修的方法进行。
检修期为枯水期．
7涌波及掺气
渠道水流进入倒虹吸管，从无压流变为有压流，渠道水流受到包括胸墙、闸墙及上游渐变段在内的边界条件的影响，靠表层的水流受到了阻挡或干扰，便产生了水面波动。
如果渠道水流属于缓流，那么水面波动将向上游传播，形成涌波。
模型试验发现：
小流量时，不出现涌波；
当流量超过500m3/s时，上游渠道出现涌波，涌波高度为59cm；
当流量达630m3/s时，涌波高度为72cm。
倒虹吸管的掺气是指进水口的水流受到闸墩、闸槽及其他边界条件的影响，水面出现强烈扰动，而出现浪花、气泡回流以及不平顺的水流流态所产生的漩涡吸气，使空气随水流带入倒虹吸管内，形成管道水流掺气．从西赵河渠道倒虹吸模型试验可以发现：
当管道全开时，管内一般不掺气，但当管道不全开时，就会产生掺气。
由于总干渠为全衬砌渠道，不存在渠道边坡淘刷的问题，只须保证在最高水位时，涌波不超过渠顶高程即可。
防止或减少掺气的措施有：
①控制闸门布置在倒虹吸出口；
②设计合理的进水口，使进水口处的水流平顺，限制进水口处流速，进水口边界尽可能采用流线形；
③采取正确的管理方式。
控制闸门开启，要力求均匀不能为操作
简单而在小流量时只开启部分闸门。
只有将闸门全部均匀开启才能保证进口段水流平顺及减少进口处的水流流速，避免水流方向与倒虹吸管不平行而斜向入流，从而防止闸前绕流、回流及吸气漩涡。
西赵河渠道倒虹吸上游总干渠堤顶高程为校核水位加15m，涌波不超过渠顶．同时为了防止或减少掺气，控制闸门布置在倒虹吸出口处，倒虹吸进口渐变段及其他边界均力求平顺．工程管理上，总干渠水位基本保证在正常水位下运用，控制闸门对称均匀开启。
8其他
大型渠道倒虹吸水力计算按逐段列出能量方程的方法推求水面线，但必须考虑闸墩的阻水作用。
结构设计一般按弹性地基梁上的框架结构计算。
总之，大型渠道倒虹吸的设计比一般倒虹吸设计更复杂，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。
深沟大跨度倒虹吸工程中的若干问题
候佩瑾傅敬娥
（山西省水利科学研究所）
摘要流量大、深沟大跨度的倒虹吸工程在丘陵山区长距离输水工程中经常出现。
此类工程水力学问题很复杂，不可忽视。
本文主要反映引黄工程中北干渠源子河1#倒虹吸水力学试验中出现的一些主要问题以及处理措施。
其中
（1）倒虹吸口前池的水流波动及稳定措施；
（2）倒虹吸空管时不同充水流量的流态及其安全措施；
（3）倒虹吸管的水头损失。
关键词倒虹吸工程水力学问题水工模型试验
1概述
丘陵山区长距离输水工程中，跨沟跨河的渡槽或倒虹吸工程是相当多的。
对于流量大、深沟大跨度的倒工吸工程，有些水力学问题很复杂，也不可忽视。
引黄入晋工程中北干渠源子河1#倒虹吸工程就是一例。
该工程设计过水能力Q=16m3/s，管径φ=2.6m，进口前池与宽2.8m、高3.7m的门洞式涵洞相连接，出口经消力池后接2.8m×
3m的埋涵。
倒虹吸全长330m，进口轴线高程1125.31m，出口断面轴线高程1124.133m，平管底高程1079.5m，底坡i=1/550。
如图1。
倒虹吸采用预制钢筋混凝土管，糙率取n=0.014。
图1源子河1#倒虹吸工程布置图
由于该工程跨度大，且充水时最大水头近50m，问题进行了长度比尺为Ly=21.4的整体正态水工模型试验。
通过试验对设计运行中的有关水力学问题进行了研究与改进。
2进口前池中的水力学问题
倒虹吸进口要求水流稳定，流速分布均匀，一般要设前池。
对于大型工程更是必要的。
2.1原方案及存在问题
由于前池扩散段底坡比较陡，i=0.533，涵洞出口流速比较大（v=2m/s），故在前池入口陡坡上水流发生与底板分离现象，表层流速大，底部流速小，且近底处为负流速，负值最大达0.66m/s。
由于表层流速大，至倒虹吸进口处，水流受胸墙阻挡，引起了前池水面波动及侧向回流，流量越大、波动越大，当流量Q=9~15m3/s时，波高达0.3m以上。
两侧形成连通立轴漩涡，直径约0.5m，前池流速分布如图2
（1）所示。
图2前池流速分布图
由于前池中水流波动，流态不稳定，引起倒虹吸及其出口消力池中水流也不稳定。
为此，进行了修改及消波处理。
2.2修改方案
为改善前池中流速分布，减少倒虹吸管进气及水面波动，将前池长度由6m增加至10m，池与管口底改为1：
1斜坡。
试验表明，前池底部负流速有所减少，但流速分布仍是主流在上部，水面波动及漩涡情况改善不大。
为调整流速分布，改善流态，在前池进口扩散段近水面高度位置加二层整流板，迫使主流下移。
如图2
（2）。
修改后断面流速垂线分布有了很大改善，主流下潜，消除了池底及胸墙处的负流速，水面波动明显减小，在过设计流量时（Q=15m3/s），水面波高减小到0.1m以下，水面平稳，漩涡消失，出口消力池中流态也得到了改善。
3倒虹吸管中流态
3.1恒定流运行时的流态
倒虹吸管在正常运行状态时，管内呈满流承压状态，水平管承压近500kPa。
但若采用某级流量充水，且维持该水流量运行时，在管内某一部位出现残留的气囊或气泡。
如Q=4~5m3/s时，在水平管顶部残留有细长气囊；
Q=7~8m3/s时，在竖管中残留有大量的直径约0.1m~0.03m的气泡,上下飘移，难以排出，。
这些气泡或气囊，主要是由于空管充水时残留的气体所形成，两端压力接近时不易排出。
而当增大或减小运行流量即打破其平衡时气囊或气泡即消失。
因此，当用某级流量充水后，应改变流量，使气泡排出倒虹吸管外再转入正常运行流量。
3.2空管充水时流态
3.2.1当大流量充水时
当充水流量大于2/3设计流量时（Q＞9m3/s），水流经上90度弯管进入竖管后，渐成散开状下跌，除散开的水股互相撞击外也直接击打管壁，竖管出现严重的振动现象。
约50m高差的水流在下90度弯道底部汇集而成高速水流，贴管底部流动，流速达20m/s以上，直至平管末端，当管末端充满水后，满管段逐渐自后向前推移，在满管前部和高速水流相接处出现自下向上平稳上升，上游竖管内由于水股跌落掺进大量空气及充水过程中排出之空气，形成了水气混合体，这样减小了实际过水断面，减小了进入竖管的流量，若前池无控制水位的溢流堰，则水位随之升高，如若用11m3/s流量充管时，则可使涵洞变成压力流。
由于前池水位的升高及竖管中空气的排出，逐渐增加了过水能力，当倒虹吸水能力达到上游来水时，前池水位达到最高，之后随着过水能力的增加而前池水位逐渐回落，直至恢复到正常稳定过水状态。
3.2.2当小流量充水时
当充水流量小于1/3设计流量时（Q＜6m3/s），水流入竖管后分散较充分，对管壁冲刷力小，由于充水速度慢，管中空气能随充水过程而由进口和排气孔中排出。
因而，前池基本不产生严重雍水现象，对涵洞安全也不必耽心。
3.2.3当中等流量水时
中等流量（Q=6~9m3/s）充水时，流态介于上述二者之间，对倒虹吸管道及前池安全不太有利，同时，在竖管气水混合体，其气泡难以排出。
以上可以看出，空管充水时，必须注意其充水流量的选择，试验证明，充水流量不宜过大，最好采用小于1/3设计流量为宜。
为防止明流涵洞出现承压流现象，在前池设限制水位的溢流堰是必要的。
同时，为保证管道在正常运行时管内流态稳定，最好在充水完毕后，再改变一下流量以排出管内残留气体。
4倒虹吸管的水头损失
倒虹吸管中的水头损失对于工程的运行有着很大的影响，如设计时损失考虑过大，则会在运行时前池水位降低，影响其进口流态，若考虑过小，则会在运行时前池水位抬高。
通过整体模型试验发现水平管的沿程水头损失与设计考虑值比较接近。
设计条件时，误差仅3%，而局部损失则模型中实测值与按手册给出的系数计算值有着较大的差别。
现将几个主要部分的局部水头损失与流量的关系绘于图3。
图3中也给出经验系数计算值。
图3局部水头与流量关系
由图3看出：
（1）模型实测值与经验系数值有一定差别，特别是进口与出口判别较大，流量越小判别越大；
（2）由水工设计手册和给排水手册所查得之90度弯头损失系数判别也很大，给排水手册所查值接近于模型实测值；
（3）倒虹吸上弯头损失与下弯头损失值有一定差别。
上弯头损失大于下弯头损失，说明二者流态有着一定的差别。
5束语
（1）对于大跨度、大落差、大流量的倒虹吸管，其结构与流态都是十分复杂的，尤其是上游为直立竖管的情况更为复杂。
因此，在有条件时，尽力避免采用，最好将上游管考虑一定坡度。
（2）空管充水方式及充水流量对倒虹吸管中流态十分重要，根据试验，当空管充水时，其充水流量不宜过大，最好控制在小于设计流量的1/3为宜。
（3）前池态对倒虹吸的正常运行有着重要影响。
在本工程中，当试验提出加导流板改善池中流态及流速分布的措施，可供有关工程参考。
（4）各部位的水头损失随结构及管中流态而有所不同，在选择其经验系数时应十分注意，重要工程最好通过模型试验确定为好。
（5）鉴于大型倒虹工程的地形地质条件及水力学条件的复杂性,其工程结构的布置设计都有其本身的特点。
为保证工程做到经济合理可靠的目的,最好能通过水工模型试验加以论证及优化。
矣则河水库跨南盘江倒虹吸拱管设计
席春
（玉溪市水利水电局）
ｌ前言
华宁县盘溪矣则河水库，自1995年5月蓄水以来，盘溪大沟发挥了灌溉效益，在保证率Ｐ=７５％的情况下，每年尚多余水量５００多万m3。
而南盘江东岸片区冒洞沟以上林场等地尚有６３７５亩肥沃土地面积严重缺水。
为充分利用水资源，拟建过江倒虹吸管跨越南盘江，“西水东调”解决江东片的灌溉问题。
“西水东调”工程主要建筑物有：
渠道１０.５２ｋm、渡槽44ｍ、倒虹吸1.836ｋm，总长12.4ｋm。
其中，过江倒虹吸管长746.407ｍ，管径500mm和500ｍｍ，流量０.５ｍ3／s、落差１１.１５ｍ、最大工作水头１０５ｍ。
过江桥段采用拱管型式布置，其结构设计，具有新颖的特点。
２工程布置
把水从江西跨越南盘江输送到江东的工程方案较多。
根据工程实际，结合多次踏勘，并经水文分析、地质勘察后，确定“西水东调”工程线路选择在南盘江两岸工程地质条件较好、跨度相对较窄处（江面宽68ｍ），采用拱形管道代桥输水。
利用拱管本身的强度来跨越南盘江，中间不需另架桥支承，从而，结构简单、施工方便、造价经济。
过江倒虹吸管设计通过流量０.5m３／ｓ。
经水力计算，江西、江东两岸采用φ500mm的钢管。
为加强侧向稳定，跨江拱管采用两根φ400mm钢管，两管轴间距１.5m，其间设２０#槽钢联系梁稳固。
拱管中段管壁厚１０mm，向两端逐渐增厚到１６mm。
拱管矢跨比１／８矢高９.0ｍ、半径76.5m、半圆心角２８°
04′21″、弧长７４.９６４ｍ、跨度７２.0ｍ。
布置草图如下：
拱形跨江管道布置示意图
３荷载组合及计算指标３.ｌ荷载组合
3.1.1作用于拱平面内沿拱轴均布的垂直荷载，包括管重、水重及均化为线荷载的联系梁自重ｑ＝０.３（t/m）。
3.1.2垂直于拱平面沿拱轴均布的水平风荷载ｐ＝0.008（t/m）。
3.1.3温度变化所产生的内力。
根据《不良条件管道工程设计与施工手册》，在一般情况下，拱形管道采用以上三项荷载作为计算荷载。
3.2计算指标
工程区域的基本风压值取W0=30（kg/m2），则水平风线荷载Ｐ=Ｋ·
Ｋ2·
W0·
ｄ=16（kg/ｍ）。
其中：
Ｋ＝1.02、Ｋ2=1.2分别为风载体型系数和风压高度变化系数。
即作用于单管的P=8（kg/m）=0.008（t/m）。
考虑温差变化为△ｔ=20（0C），对于A3钢，计算温度下的弹性模量E=2.05×
07（t/m）；
线膨胀系数α＝1.18×
10-5（m／ｍ·
Cｏ）；
使用温度下的屈服强度σt＝233.5MPa，允许计算强度σc=ｍ·
ｍ1·
σt＝189MPa。
ｍ=0.9，ｍ1＝0.9分别为工作条件系数和材料匀质系数。
拱趾处管壁厚16mm，其截面积F＝0.021m２，截面轴惯矩J=4.53×
10-4ｍ４,截面模量Ｗ＝2.1×
10-3m３，回转半径i=0.15ｍ。
４强度计算
4.1在拱趾处力的计算简图
4.2强度核算
4.2.1应力校核
压应力σ＝Ｎ/Ｆ＋Ｍ/Ｗ=（Nｇ+Ｎｔ）/Ｆ十
/W=3931（t/M2）=38.56MPa
剪应力τ=Q/πr0δ+Mk·
r/2πr30δ
（δ=0.016m;
r—外半径为0.216m;
r0—平均半径为0.208m）
Q=
=0.75
则τ=57.4（t/m2）=05.563Mpa
折算应力σ3=
=3932（t/m2）=38.57Mpa
σ3<
σc=189Mpa
即折算应力小于允许计算强度，满足强度要求。
４.２.２稳定性校校
当量计算长度：
S0=Φ·
R
/[1-（Φ/π）2]=38.996（m）
长细比：
λ=S0/i=38.996/0.15=260
相对偏心距系数：
ｅ１＝η1［（Ｍp/N+2ΦR／1000）F/W+0.05］
当λ>
150时，η1=1.0
则e1=（Mp/N+2ΦR/1000）F/W+0.05=2.36
稳定性验算应力σ1
当ｅ1≤４时，按偏心受压计：
σ1＝Ｎ／Ｆ·
ΨBH
ΨBH一偏心受压构件承载能力降低系数．取０.０８５；
则σ1=（24.85＋0.33）/（0.021×
0.085）=14106（t/m）2=138.38MPA
σ1<
σc=189ＭＰａ
即稳定性验算应力小于允许计算强度，满足稳定要求。
５结语
该倒虹吸拱管于1997年１２月１８日正式动工安装，１２月27日安装完成，历时１０天。
建成后的拱管空管在侧向水平风荷载作用下，有振颤现象，充满水后，振颤消失。
目前，拱管处于安全正常运行之中。
长倒虹吸的模型设计
孟庆义
（北京市水利科学研究所）
摘要结合长虹倒吸的工程特点，重点论述了“缩短管长”的模型设计方法及模型的缩尺影响，并给出此方法应用的工程实例。
关键词倒虹吸模型试验重力相似定律水头损失
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。
如山东省引黄济青工程全长290km有倒虹吸36座，规划中的南水北调中线工程也有倒虹吸70余座。
其中，由于地形地质条件的复杂，长倒虹吸越来越多见，管线长度在1km以上的长倒虹吸已屡见不鲜。
为合理分配建筑物的水头损失，优化建筑物的结构形式，目前仍以水工模型试验作为主要技术手段。
因此，倒虹吸特别是长倒虹吸的模型试验在工程初步设计阶段起着重要作用。
长倒虹吸模型试验主要解决的问题是：
（1）观测进出口的水流流态及流速分布，优化进出口的体型；
（2）观测倒虹吸各部分的水头损失及水位流量关系，验证其过流能力；
（3）各级流量下进出口闸门的运用方式。
此外，还要根据工程特点解决一些具体问题。
如在多沙渠道中观测泥沙在倒虹吸内淤积情况；
高水头、高流速的倒虹吸管道的震动等。
长倒虹吸的工程特点，使其在模拟手段及试验方法上均有一定的特殊性，必须在模型设计阶段充分考虑。
2长倒虹吸模型设计
倒虹吸进出口的水流问题，重力是主要作用力，故应用重力相似定律。
根据倒虹吸管横断面的尺寸，模型比尺一般为1/20~1/30。
如按此比例，则一般试验室无法满足模型长度和布置要求，因此需采用缩短管长的模型设计方法。
目前应用较为普遍的有两种方法。
一是正态与变态相结合［1］［2］,即倒虹吸的进出口段为正态，而管身段横断面内二维比尺为1/Lr，沿水流方向的比尺则取为1/（mLr）（m为变率，m＞1）。
这种方法需要人工均匀加糙，或采用相对粗糙的模型材料，考虑缩短中，沿程水头损失起主要作用，则：
hf=λL/4R·
V2/2g
（1）
式中：
λ=8g/C2，C=1/n·
R1/6，代入上式得：
hf=（n2LV2）/R4/3
（2）
于是对缩短段，有
（hf）r=〔n2r·
（mLr）·
V2r〕/R4/3r（3）
由于，
，Rr=Lr显然，要满足进、出口的水头损失相似，沿程各点的压力相似，即（hf）r=Lr，则缩短段的糙率比尺应为
。
实际应用中，可先标定所选材料或加糙方案的糙率，由此得出管子长方向的变率m，检验缩短后的模型是否合适，直到满足要求为止。
另一种是采用等效损失替代的方法，即在模型上安装可调节阀门等局部阻力部件，使其局部水头损失等效于缩短段的总水头损失［3］［4］。
这种方法简单易行，但阻力阀门前后要有足够长的过渡段，以保证出口的水流不致受到阻力阀门前后水流的影响，即满足进出口的流态相似。
值得注意的是，长倒虹吸管身段常常含有局部体变化，如平面弯道、垂向折弯或肘管等，形体阻力虽有类似的经验公式计算，但远不足作为设计的依据，目前仍依靠水工模型试验来确定其局部水头损失系数。
因此在确定缩短段的总水头损失时，沿程水头损失可计算得出，局部水头系数应通过单孔局部模型实测确定。
在研究倒虹吸管内部水流情况时，则必须保证紊流的雷诺数位于阻力平方区，以同时满足重力和阻力相似。
按重力相似定律设计模型，为保证原型和模型间阻力相似，使水力坡降一致，必须使原型和模型间包括粗糙度在内的边界条件完全相似，即要求管道的相对粗糙度相等（△/R）r=1或糙率比尺满足nr=Lr1/6。
但事实上，由于长倒虹吸的设计流速均较低（不仅限于长倒虹吸），模型中水流不一定达到阻力平方区，因此必须考虑低雷诺数时由水流粘滞性引起的缩尺影响，修正由此而来的试验误差[5][6]。
以沿程水头损失为例，其修正值可按下值确定：
△hf=（λm-λp）L/4R·
V2/2g（4）
式中：
λp=8gn2/R1/3，λm可通过模型实测或由莫迪图查得，也可根据水流流区采用不同的计算公式。
如模型水流处于光滑管区，可用布拉休斯公式（λ=0.3164/Re1/4）或谢维列夫公式（λ=0.25/Re-0.226）等计算。
3工程实例
3.1工程概况
南水北调（中线）工程北京段贺照云—小清河倒工吸长8345m，设计为5孔，管孔采用正方形加管角贴角断面形式，每孔宽与高均匀为4.2m，贴角宽与高均为0.3m，实际过水断面面积5×
17.46m2。
整个工程包括进口过渡段、进口闸室段、管身段、出口闸室及过渡段，其下游与大宁暗渠相接。
其中管身段平面上有三个弯道，纵断上底坡变化较多。
倒虹吸上下游渠底高程分别为50.42m和48.827m；
进出口闸室底高程分别为48.420m和48.827m。
本倒虹吸特点是管道长、流量大
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