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 7080，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 1.31.5，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=VA 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=a （2g ） 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，倒虹吸管出口下游渠底下底=-Z-ht5、 进、出口水面衔接确定管径和下游渠底高程后，还需要验算，通过加大流量时，进口水面壅高和通过减小流量时，进口水面跌落两种情况下，虹吸管进口段水面衔接形式。（五） 结构计算1、 作用于管身的荷载及其组合荷载计算。作用于倒虹吸管上的荷载，主要有自重、管内水重、垂直与水平填土压力、内水压力、外压力、地面荷载、温度荷载、地基反力、地震荷载等。荷载效应组合。倒虹吸管在施工。运用期间可能出现的不利荷载效应有以下情况： 穿越河流的倒虹吸，管内正常输水，河流处于枯水期或断流时； 洪水期，河流出现洪水位，而管内无水； 竣工试水验收或外露式明管输水时。2、 结构计算计算长度。对管道较长、水头较高的倒虹吸管，计算时一般根据地形条件，将其按高程差 10m 或 5m 分成若干段，每段取最大水头处断面验算管壁厚度和计算配筋。对于中小型工程，若斜管段不长且荷载变化不大时，也可以不分段，只取最不利断面进行计算。横向结构计算。通常取 1m 长管段作为计算单元，按弹性中心发计算各种荷载单独作用管段不同截面处的内力，然后进行叠加，据之配筋计算。纵向结构计算。其目的是求出纵向拉力和纵向弯矩，以进行强度和抗裂验算。四、 倒虹吸技术在南水北调中的应用实例在实际工程中，由于倒虹吸具有工程量少、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。在南水北调工程中就有多处应用倒虹吸原理完成工程所需，如沁河渠道倒虹吸工程、安阳河倒虹吸工程、淝河渠道倒虹吸工程、邢石段渠道倒虹吸工程（一） 沁河渠道倒虹吸沁河是黄河北岸主要支流之一，源于山西省沁源县霍山南麓二朗神沟，于武陟县南部汇入黄河。总干渠在河南省温县白马沟村与沁河相交，交叉断面以上流域面积 12870 km ，河道 100 年一遇设计洪峰流量 6890 m s ，300 年一遇设计洪峰流量 9340 m s，相应的设计洪水位分别为 114.23 m 和 114.47 m。沁河倒虹吸工程位于黄、沁冲积平原。沁河为一宽浅游荡型河道，自西向东流经本区。沁河渠道倒虹吸的主体工程为 I 级建筑物，工程主要由进口渐变段、进口检修闸、倒虹吸管身段、出口控制闸和出口渐变段等组成，全长 1183 m，其中进口渐变段长 60 m，管身段水平投影长 1015 m。倒虹吸管身横向为 3孔箱形钢筋混凝土结构，单孔孔径 6.9 m6.9 m(宽高)，管身顶板和边墙均厚1.1 m，底板厚 1.2 m，中隔墙厚 0.9 m。管顶设计标高为 94.0m，管底设计标高为 84.8 m。（二） 安阳河倒虹吸工程安阳河渠道倒虹吸工程是南水北调中线工程的主要跨河建筑物之一，位于河南境内的安阳河是海河流域卫河的第二大支流，流域形状呈上宽下窄的葫芦形长条带，地势起伏大，安阳河以东地势略向东南倾斜，断面坡度 12500。其设计流量 235 ms，加大流量 265 ms，设计水头 0.2 m，设计水深 7.0 m。倒虹吸水平段 165 m，倒虹吸管身水平段投影长 319.39 m，两侧斜坡为1：4 的斜管。管身为箱型结构，总宽为 24.9 m。进口位于右岸一级阶地上，进口渠顶高程 94.89 m、渠底高程 85.874 m，出口布置在左岸河漫滩，出口渠顶高程 94.69 m、渠底高程 85.674 m。工程区域内河床覆盖层为砂壤土、卵石及重粉质壤土、砂壤土和卵石，总厚度为 814 m，下伏黏土岩岩面高程为 6571 m。五、 小结通过对倒虹吸技术的认识和学习，了解了倒虹吸的一般工作原理和应用情况。由于倒虹吸管是一种渠道交叉建筑物，具有工程量少、造价低、施工安全方便和不影响河道洪水宣泄等优点，因此在引调水工程中得到广泛的应用，有利于在更广范围内进行水资源优化配置，改善生态环境，提高人民群众生活水平，增强综合国力，都具有十分重大的意义。