賈永軍

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院 甘肅蘭州730000）

1 工程概述

引洮供水二期工程主要建設(shè)任務(wù)是解決甘肅中部干旱區(qū)白銀市會寧縣、定西市安定區(qū)等縣、鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水問題，屬Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型。十干渠主要任務(wù)是向會寧東部供水，控制會寧東部16個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的部分或全部的生活用水，沿線控制農(nóng)業(yè)灌溉面積6 947 hn2。十干渠起始于會寧縣境內(nèi)的大山川總干渠渠尾，總長78.78 km。前段全封閉渠道長34.27 km，后段不封閉渠道長37.51 km。

老莊河倒虹吸位于十干渠后段，全長383.86 m，壓力鋼管長度為354.20 m，最大水頭33.5 m。加大流量3.8 m3/s，設(shè)計流量為2.90 m3/s，最小流量根據(jù)灌溉要求按設(shè)計流量的40%確定為1.16 m3/s。因該倒虹吸承擔城鎮(zhèn)供水任務(wù)，建筑物級別按4級設(shè)計，防洪設(shè)計標準為10年一遇洪水設(shè)計，30年一遇洪水校核。

2 工程總體布置

倒虹吸主要由進口段、管道段、出口段三部分組成，其總體布置主要考慮以下因素：首先是倒虹吸管盡量布設(shè)在地形、地質(zhì)條件較好的地段，減少設(shè)計及施工難度；其次是根據(jù)相關(guān)計算，確定跨溝管道段的架空高度及基礎(chǔ)支撐方案，保證河道行洪暢通和建筑物的安全；第三是倒虹吸管軸線在平面上投影宜為直線，并盡量與溝道正交；第四是倒虹吸進出口建筑物布置應(yīng)考慮與上下游渠道的銜接及運行管理相關(guān)要求，以滿足運行管理的安全、經(jīng)濟、方便等特性，并兼顧建筑物與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)相融。

2.1 進、出口設(shè)計

1)進口段包括漸變段、攔污柵、節(jié)制閘、沖沙及泄水設(shè)施等。進口通過漸變段與上游渠道相銜接，考慮水流中夾雜較大粒徑礫石或雜物，為避免雜物磨損或淤積輸水管道，漸變段末端設(shè)一低于閘底板0.5 m的攔沙坎。進口閘門主要是為了控制管道進口水位，防止水位跌落較大。在進水閘前設(shè)攔污柵，主要是攔截渠道內(nèi)雜物，保障人畜飲水安全。閘室長6.0 m，寬2.4 m，為鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，單孔。為防止倒虹吸運行期間出現(xiàn)事故檢修和臨時停水，在進水閘左側(cè)布設(shè)退水閘，閘室長6.0 m，寬1.8 m，閘后接退水管道至溝底，溝底管道末端設(shè)消能箱，水流經(jīng)消能箱后排入主溝道。

2)出口設(shè)計為消力池形式，池后用漸變段與渠道銜接，以調(diào)整流速分布，避免沖刷下游渠道。為了在輸送較小流量時利用閘門控制流量或抬高進口水位以及檢修需要，在出口段設(shè)閘門。閘室結(jié)構(gòu)及尺寸同進口閘室。

2.2 倒虹吸管管身的布置

管身分進口斜坡段、平直段、出口斜坡段，斜管段坡度視輸水渠的水位、渠底高程、地形、地質(zhì)以及河床水平段管頂埋深等條件確定。從有利于施工及管內(nèi)水力條件出發(fā)，確定合理的管槽坡度。為適應(yīng)變溫、混凝土凝固的縱向收縮變形及地基不均勻沉降引起的縱向彎曲變形，需在管身設(shè)置伸縮縫，管身分縫長度為15 m。管身進、出口斜坡段邊坡為1∶1.25，進口斜坡段長50 m，水平段長258 m，出口斜坡段長46 m。水平管段采用架空式布置形式，管身架空高度為河道最高設(shè)計洪水位以上1.5 m。水平管身支撐結(jié)構(gòu)：主河槽段為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土重力墩，岸邊階地段為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)支撐，墩基置于河槽最大沖刷線以下0.5 m。管身豎向轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，墩底采用井樁支撐。倒虹吸進出口及管身剖面圖見圖1。

圖1 老莊河倒虹吸縱斷面設(shè)計圖

3 水力設(shè)計

倒虹吸管的流量、上游水位已由干渠確定，水力計算的任務(wù)是通過計算選擇適宜的流速與經(jīng)濟過水斷面，合理確定各項水頭損失、下游渠底高程及進出口的水面銜接。

3.1 管身的水力設(shè)計

1）管身過水斷面確定。斷面尺寸計算中，通常是先試選一個管內(nèi)流速，此流速要求大于不淤流速，以免管內(nèi)形成淤積。管內(nèi)流速如果太大，則會增加水頭損失，從而降低倒虹吸出口水位高程和增加出口的防沖工作量，管內(nèi)適宜流速一般為1.2～2.5 m/s。選擇合理流速后，即可擬定出管道內(nèi)徑。老莊河倒虹吸最終計算確定得管徑D=1.4 m，相應(yīng)加大流量時流速為2.47 m/s，設(shè)計流量時流速為1.88 m/s，最小流量時的流速為1.53 m/s。

2）水頭損失計算。管道的水頭損失分兩類：一類是沿程水頭損失，另一類是水流經(jīng)過管道進、出口斷面變換處、閘槽、攔污柵、沖沙孔、彎道和管徑變換處等的局部水頭損失。兩者之和即為總水頭損失。按D=1.4 m計算得加大流量時總損失為1.54 m，設(shè)計流量時總損失為0.9 m，最小流量時總損失為0.15 m。根據(jù)總水頭損失，按擬定的斷面尺寸用有壓管道公式（μ為流量系數(shù)；z為上下游水頭差即總水頭損失（m））經(jīng)計算通過流量為2.91 m3/s，故管徑D=1.4 m符合流量要求。

3.2 進、出口水力設(shè)計

倒虹吸管的管徑及上下渠底高差Z值是根據(jù)設(shè)計流量確定的，因上下游的渠道斷面一般大多數(shù)相同,在通過不同流量時的上下游渠道水深也均相同，因而各種流量時的上下游渠道水位差均相同,也均為Z值見圖2，Z值也等于倒虹吸管的設(shè)計水頭。當通過小流量時，因管內(nèi)流速小于設(shè)計流量時的流速,相應(yīng)水頭損失值Z1將小于設(shè)計水頭值Z，相應(yīng)倒虹吸管進口斷面處的水面將低于上游渠道水面，使得小流量時渠道水流進入倒虹吸管口處發(fā)生水面跌落ΔZ，并可能在管內(nèi)形成水躍，由于水躍的脈動及摻氣，將引起管身的震動，惡化管道的正常工作條件。為此，可根據(jù)ΔZ的大小采取不同的結(jié)構(gòu)布置形式適當降低管道進口高程，使進水口頂緣布置在管道通過小流量時進口計算水位以下,并保持一定的淹沒深度（按《水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》[1]確定）。

圖2 倒虹吸管通過小流量時的進口水面銜接示意圖

一般倒虹吸進口底板布置有斜坡式、消力池形式和消力井形式等，老莊河倒虹吸在小流量時計算得ΔZ為2.5m，進口水位低于上游渠底2.31 m，水位落差相對較大，按《倒虹吸管》[1]中介紹理論，筆者認為進口設(shè)計為消力井形式是比較合理的，井底低于進水口下緣一定深度，使消力井有良好的消能效果。為保證淹沒，進水口最小淹沒深度按《水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》[2]中B.2.1公式計算為1.0 m，根據(jù)出口小流量時的水位和損失推算得進口最低水位為1 895.32 m，則進口管頂高程應(yīng)設(shè)計在1 894.32 m以下，才能滿足進口淹沒要求。進口布置見圖3。

圖3 管道進口剖面圖

倒虹吸通過加大流量時計算擋水墻頂對進、出口壅水位的超高，計算時，先按加大流量計算出管道沿程水頭損失和局部水頭損失及相應(yīng)的進出口水位差Zmax，進口壅水位即等于出口加大流量的水位與Zmax之和。應(yīng)使進口段頂部及渠堤頂對加大流量時的壅水位有一足夠的安全超高。若管道出口流速較大時，應(yīng)驗算通過加大流量時的水面銜接條件，如果產(chǎn)生遠驅(qū)水躍，則應(yīng)設(shè)置出口消力池，以便與下游渠道連接。消力池長度及深度根據(jù)計算確定。莊浪河倒虹吸經(jīng)計算，為淹沒式水躍，無需設(shè)消力池，出口布置形式見圖4。

圖4 管道出口剖面圖

倒虹吸進出口為保證和渠道平順連接，需布置漸變段，漸變段長度取3～5倍渠道設(shè)計水深。

4結(jié)語

倒虹吸設(shè)計涉及的內(nèi)容較多，要完整地掌握一座倒虹吸的系統(tǒng)設(shè)計，還需要涉及很多方面的問題，如管道及進出口閘室基礎(chǔ)處理措施、各種適用管材的比較與選用、管道防腐設(shè)計、跨溝段管道基礎(chǔ)沖刷計算與防護、檢修與放空設(shè)施的布設(shè)等等。本文僅從工程布置和水力設(shè)計方面簡要闡述了一般倒虹吸設(shè)計的基本思路和主要要點。

［1］陳德亮，等.倒虹吸管取水輸水建筑物叢書[M].北京：中國水利水電出版社，2002:51.

［2］水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.SL285-2003水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范 [S].北京：中國水利水電出版社，2003：27.