倒虹吸建筑物

4．倒虹吸管4．1倒虹吸管的布布置4．2倒虹吸管的水水力计算4．3倒虹吸管的结结构计算4.1倒虹吸管的布布置和构造倒虹吸管是渠渠道与河流、、谷地、道路路冲沟及其他他渠道相交时时，为连接渠渠道而设置的的压力输水管管道，是交叉叉建筑物之一一。(1)当渠道通过山山谷、溪流，，因谷道深邃邃难以修建渡渡槽，或需高高填方、或用用水部门对水水头要求不严严格。(2)当渠道与河流流或道路相交交，且渠道水水位与河水位位或路面接近近同一标高，，不能采用渡渡槽、涵洞等等倒虹吸管与渡渡槽相比，具具有工程量少少、施工方便便、节约劳力力及材料、造造价低等优点点；其缺点是是水头损失大大，维修管理理不便。4.1.1倒虹吸管管路路布置倒虹吸管的管管路布置需要要结合地形、、地质、施工工、流量大小小、水头高低低、交通以及及洪水影响等等因素通过分分析比较选定定。一般应满满足如下原则则：（1）管路与通过过的水道、沟沟谷或道路应应尽量成正交交、管身及进进、出口轴线线在平面上的的投影应布置置成直线，以以缩短管长。。进、出口应应与上、下游游渠道平顺连连接。（2）管身及进、、出口宜布置置在稳定地段段，应避免通通过可能产生生滑坡、崩塌塌及其他地质质条件不良的的地段。地形形不应过陡，，以便于施工工。（3）尽可能将进进出口布置在在挖方渠段，，尽量避免建建于高填方上上，确实难以以避免时，应应慎重采取夯夯实加固和防防渗排水措施施。（4）为减少开挖挖工程量，管管路一般沿地地面坡度敷设设（露天或浅浅埋），但管管坡不宜过陡陡，使管身及及镇墩易于维维持稳定，并并便于施工。。同时，应避避免转弯（变变坡）过多，，以减少水头头损失和镇墩墩数目。根据管路埋设设情况及高差差大小，倒虹虹吸管可采用用下列几种布布置型式：（1）斜管式和竖竖井式。对于于高差不大的的小虹吸管，，管身常布置置成斜管式和和竖井式两种种。斜管式采采用较多。竖竖井式多用于于穿过道路且且管内流量不不大、压力水水头较小（H<3～5m）的情况，井井底常设0.5～0.8m深的集沙坑，，以便清除泥泥沙及检修水水平段时作排排水之用。竖竖井式水流不不顺畅，但便便于施工。斜管式倒虹吸吸管布置形式式竖井式倒虹吸吸管布置形式式（2）地埋式（露露天或浅埋））。对于高差差大的倒虹吸吸管，管道常常随自然起伏伏的地形露天天或浅埋于地地面之下。露露天敷设的优优点是开挖工工程量小、便便于检修，但但在气温影响响下，内外壁壁将产生较大大的温差，易易引起纵向裂裂缝而漏水。。故除温差较较小地区的小小型倒虹吸管管可考虑露天天布置外，多多数倒虹吸管管均浅埋于地地面以下。图4-2沿地面露天敷敷设及浅埋的的倒虹吸管（3）桥式。当管管道跨过河道道或深的沟谷谷时，为降低低管中段的压压力水头，缩缩短管长和减减少管道水头头损失，可在在深槽部分建建桥或斜拉结结构，而将这这段管道布置置成架空式，，即桥式，其其余两岸部分分仍沿地面敷敷设。桥式倒倒虹吸管的桥桥下净空和桥桥面必要时应应满足行洪、、通航和车辆辆通行的要求求。图4-3桥式倒虹吸管管4.1.2进、出口布置置倒虹吸管进出出口布置应满满足水力条件件良好、运用用可靠以及稳稳定、防渗、、防冲、防淤淤等要求。1.进口段布置进口段包括进进水口、闸门门、启闭台、、拦污栅、通通气管及渐变变段，对于1～3级倒虹吸管，，进口前的渠渠道一侧应设设泄洪闸（或或溢流堰）。。多泥沙渠道道，尚应设沉沉沙及冲沙设设施。（1）渐变段与进进水口。倒虹虹吸管进口前前一般均设置置渐变段与渠渠道连接，其其长度可取上上游渠道设计计水深的3～5倍。进水口形式应应满足管道通通过不同流量量时，渠道水水位与管道入入口处水位的的良好衔接。。进口轮廓应应使水流平顺顺，以减少水水头损失。对于小型倒虹虹吸管进口，，为便于施工工，可不做成成喇叭形，也也不设弯道，，而将管身直直接插入挡水水墙[图4-4(c)，这种形式水水流条件较差差。为改善水水流条件，可可将管身直接接插入挡水墙墙内0.5～1.0m与喇叭口连接接[图4-4(d)]，这样不仅构构造简单，施施工方便，水水头损失也小小。图4-4进水口形式图4-5进出口布置图图（a）进口布置图图；（b）出口布置图图（2）闸门与拦污污栅。进口段段一般应设闸闸门，以便进进行管道清淤淤和检修。不不设闸门的小小倒虹吸管，，可在进口侧侧墙上留门槽槽，需要时用用插板挡水。。为拦挡漂浮物物及保障人畜畜安全，进口口前一般应设设置拦污栅。。图4-6沉沙池及冲沙沙闸布置图（（高程单位：：m，尺寸单位：：cm）（3）沉沙及冲沙沙设施。从多多泥沙河流取取水，应在渠渠首及渠首后后的适当位置置采取措施减减除不能为渠渠道水流携带带的泥沙。对于高含沙引引水渠道上的的倒虹吸管，，应使管中水水流具有与渠渠水含沙量相相应的输沙能能力，以便将将渠水中所含含泥沙送过倒倒虹吸管并防防止管道淤塞塞。对于含沙量大大的渠道，最最好采用水力力冲淤，即在在沉沙池末端端的侧面设退退水冲水闸，，当池内泥沙沙沉积到一定定厚度时，关关闭倒虹吸管管并开启冲水水闸将淤沙冲冲走。沉沙池的长度度、宽度和深深度应根据渠渠水的泥沙含含量、颗粒大大小、水流速速度和一定期期间内的可能能淤积量而定定。缺乏这些些资料时可按按一般经验尺尺寸决定。水平段长度（（4-1）宽度（（4-2）沉沙池低于渠渠底的深度（（4-3）式中：h、b分别为渠道的的水深与底宽宽，m；D为管内径，cm；为管壁厚度度，cm。大断面低水头头管道也可不不设沉沙池，，可定期停水水直接进管清清淤。2.出口段布置倒虹吸管出口口段的布置形形式和进口段段基本相同。。出口段常设设置消力池（（可结合渐变变段布置），，用以调整出出口水流的流流速分布，池池长一般为渠渠道设计水深深的3~4倍，低于下游游渠底的池深深（cm）可按经验公公式估算，即即小型倒虹吸管管，流速不大大时也可不做做消力池，仅仅用1:2~1:4斜坡和八字墙墙渐变段与下下游渠道衔接接即可。消力力池后的下游游渠道应护砌砌3~5m。4.1.3管身及镇墩的的形式和构造造1.管身的形式和和构造管身的断面形形式有圆形、、箱形及拱形形。圆形管因因水力条件、、受力条件和和施工安装等等方面均较优优越，故应用用最广。对于于低水头、大大流量倒虹吸吸管，可采用用单孔或多孔孔箱形管。预应力钢筋筋混凝土管管具有较高高的抗裂性性和抗渗性性，能承高高压、省钢钢材、造价价低且寿命命长，并能能在工厂成成批生产，，故发展较较快。为适应地基基不均匀沉沉降而引起起的弯曲变变形和由于于温度降低低和混凝土土凝固而引引起的纵向向收缩变形形，管道应应设置永久久性伸缩缝缝，缝间设设止水。缝的间距，，土基上宜宜取15~20m；岩基上可可取10~15m。露天管取取小值，完完工时及时时填土的埋埋置管可取取大值。对于预制安安装的管道道，每节之之间一般均均采用柔性性接头，分分段长度即即为管节长长度。设于于刚性管座座或坚实地地基上的预预制管，可可采用刚性性接头，但但每隔一定定长度仍需需设一柔性性接头。伸缩缝及预预制管的柔柔性接头的的构造形式式一般采用用套管式[图4-7(a)]、平接式[图4-7(b)]。图4-7管的接缝止止水构造(单位：cm)1—套管；2一沥青油毡毡；3一沥青油麻麻，4一外环筋；；5一纵筋；6一内环筋；；7一金属止水水片；8—沥青杉板；；9一防腐软木木圈；10一固定钢筋筋；11一塑料止水水带；2．镇墩的形形式和构造造在管道变坡坡和转弯的的地方应设设置镇墩，，其作用是是连接和固固定两端的的管道。镇镇墩主要承承受斜管段段传来的荷荷载和转弯弯段水流所所产生的力力。镇墩间距根根据地形及及地质条件件而定，地地形陡峻而而地质条件件良好的斜斜坡段一般般为20～30m，如地质条条件不好，，间距还应应减小。镇镇墩材料可可用浆砌石石或混凝土土。镇墩有开敞敞式与封闭闭式两种。。开敞式管管道不被镇镇墩包围，，多用于固固定薄壁管管(主要是钢管管)。封闭式按镇镇墩与管的的连接又分分为刚性和和柔性两种种形式。刚性连接是是将管端与与镇墩浇筑筑成整体，，刚性连接接适用于斜斜管坡度大大且地基为为岩基或承承载能力大大的土基。。柔性连接是是用伸缩缝缝将管端与与镇墩分开开，这种连连接形式施施工复杂，，但适应不不均匀沉降降及管身伸伸缩变形的的能力较好好。图4-8镇墩与管端端的连接(a)刚性连接；；(b)柔性连接4.2倒虹吸管水水力计算倒虹吸管的的水力计算算是根据已已定的渠道道流量、流流速、进口口渠底高程程，在水头头损失许可可范围内选选定合理的的管径，并并进行出口口渠底高程程和进出口口水面衔接接计算等。。4.2.1流速和管径径的确定倒虹吸管内内的流速，，应根据技技术经济比比较和管内内不淤条件件选定。当当通过设计计流量时，，管内流速速通常为1.5~3.0m/s，最大可达达4m/s。最大流速速一般按允允许水头损损失控制，，最小流速速按通过最最小流量时时管内流速速应大于挟挟沙流速来来确定。（1）有压管流流挟沙流速速可按下式式计算（4-5）式中—挟沙流速（（m/s）；—泥沙沉降速速度（m/s）；—挟沙水流中中含沙量（（重量比））；—管内通过的的流量（m3/s）；—挟沙粒径，，在泥沙级级配曲线中中小于该粒粒径的沙重重占75%。(2)倒虹吸管管管径根据选选定的流速速按下式计计算确定（4-6）式中—管径（m）；—流量（m3/s）；—流速（m/s）（））。4.2.2倒虹吸管输输水能力计计算倒虹吸管的的输水能力力按压力流流计算，其其计算公式式为（4-7）式中—流量（m3/s）；—倒虹吸管的的断面积（（m2）；—上、下游水水位差（m）；—流量系数。。(1)水头损失计计算。倒虹虹吸管总的的水头损失失按下式计计算式中-出口损失系系数；-局部损失系系数总和；；-沿程摩擦损损失系数；；4.2.3倒虹吸管的的水头损失失

及下游游渠底高程程的确定(2)下游渠底高高程的确定定。根据在在设计流量量条件下的的总水头损损失，再按按下式确定定下游渠底底高程（4-10）式中—下游渠底高高程（m）；—上游渠底高高程（m）；—上游渠道水水深（m）；—下游渠道水水深（m）；—总水头损失失（m）。根据上式确确定下游渠渠底高程后后，尚应校校核加大流流量时上游游的壅水高高度，以验验算上游渠渠堤及胸墙墙的超高。。4.3倒虹吸管结结构计算1.荷载作作用于倒虹虹吸管上的的荷载有：：管身自重重、管内水水重、土压压力(铅直土压力力和水平土土压力)，内水压力力、外水压压力、管道道弯曲段水水流离心力力、地面荷荷载、地基基支承反力力、由于温温度变化和和混凝土干干缩引起的的内力以及及地震荷载载等。4.3.1作用于管身身的荷载及及其组合温度应力应应根据管道道敷设方法法不同而区区别对待。。外露式钢钢筋混凝土土倒虹吸管管，由于管管内外温差差较大(最大可达20℃～30℃)，产生拉应应力较大，，设计时应应作为主要要荷载。收缩应力系系混凝土在在固结时发发生收缩、、但受到钢钢筋阻止而而在混凝土土内产生的的一种初始始拉应力，，对于钢筋筋则产生一一种初始压压应力。地基支承反反力随管道道支承方式式及地基条条件不同，，可采用不不同的方法法进行计算算。地基支支承反力的的合力等于于外荷载的的总和。地震力作为为特殊荷载载，在倒虹虹吸管计算算中一般可可不考虑。。对7度以上地震震区的大型型倒虹吸管管，可按水水工建筑物物抗震设计计规范进行行计算。下面着重介介绍土压力力的计算。。作用在单位位长度埋管管上的垂直直土压力标标准值可按按下式计算算(4-11)式中：——埋管垂直土土压力标准准值（kN/m）；——管顶以上填填土高度（（m）；——埋管外直径径（m）；——埋管垂直土土压力系数数，与地基基刚度有关关，可根据据地基类别别按图4-10查取。图4-10埋管垂直土土压力系数数1—岩基；2—密实砂类土土，坚硬或或硬塑粘性性土；3—中密砂类土土；可坦粘性土土；4—松散砂类土土，流塑或或软塑粘性性土作用在单位位长度埋管管的侧向土土压力标准准值可按下下式计算（4-12）式中：——埋管侧向土土压力标准准值（kN/m）；——埋管中心线线以上填土土高度（m）；——埋管凸出地地基的高度度（m）；——侧向土压力力系数，；；——填土内摩擦擦角。图4-11埋管侧向土土压力作用用土压力除计计算铅直土土压力及水水平土压力力外，尚应计算管管顶水平线线以下至管管腹间的回回填土重量量2．荷载组合合荷载载组合应根根据工程布布置型式及及运用期间间可能出现现的最不利利的情况，，进行全面面考虑。(1)埋于河底的的倒虹吸管管，在河道道枯水期或或断流时的的荷载组合合为：管身身自重、管管内水重、、土压力，，最大内水水压力、外外水压力、、管内外温温差产生的的应力(可忽略不计计)和地基反力力等。当河河道出现洪洪水而管内内无水时的的荷载组合合为：管身身自重、土土压力、外外水压力、、内外温差差应力(可忽略不计计)和地基反力力等。(2)外露式、桥桥式倒虹吸吸管，其荷荷载组合为为：管身自自重、管内内水重，内内水压力，，管道内外外温差应力力及地基反反力等。4.3.2倒虹吸管结结构计算1．钢筋混凝凝土管其其应力分分析属于弹弹性理论空空间问题，，但由于计计算复杂，，横向通常常按封闭环环形结构计计算，而纵纵向按空心心断面弹性性地基梁计计算。2．预应力钢钢筋混凝土土管一一般都做成成一定长度度的管节，，当管芯纵纵向预压应应力不低于于2MPa，且接头采采用柔性橡橡皮止水时时，仅需进进行横向计计算。3．钢管管管壁的应应力用三向向强度理论论平面应力力重叠法计计算。4．其他各种种预制管一一般是是按照设计计要求，选选用厂家生生产的各种种定型产品