倒虹吸管进口布置研讨

倒虹吸进口布置研讨

●《水利水电工程进水口设计规范》SL285-2003关于淹没深度的有关规定●有关文献资料对倒虹吸管进口布置的意见●湋水倒虹吸设计运用情况及流态分析●平原地区低水头渠道倒虹吸管进口水流流态分析●渠道倒虹吸水力学模型试验研究关于进口布置的试验成果●长江河渠倒虹吸管设计运用情况●斜管式进口倒虹吸管合理的的进口布置型式●斜管式进口布置的进流特点●结语一●结语二

●《水利水电工程进水口设计规范》SL285-2003关于淹没深度的有关规定

深式进水口管顶以上的水深应大于最小淹没深度，最小淹没深度计算公式为：式中：S

为最小淹没深度；d为管高；V为断面平均流速；C

为系数，对称进水时取C=0.55。图一深式进水口淹没水深示意图

●有关文献资料对倒虹吸管进口布置的意见

有关倒虹吸管进口布置的论述最早是原苏联版的《水工手册》，后来《水工设计手册》、“灌区水工建筑物丛书”及“取水输水建筑物丛书”的《倒虹吸管》介绍的内容也基本与原苏联版《水工手册》相同，其主要意见是：倒虹吸管的上下游渠道水位差（设计水头）及上下游渠底高差值Z是根据设计流量确定的，但通过小流量时，因管内流速小于设计流量时的流速，水头损失值Z1

也小于设计水头值Z，相应倒虹吸管进口断面处的水面低于上游渠道水位，使得小流量时渠道水流进入倒虹吸管口处发生水面跌落△Z，并可能在管内形成水跃。由于水跃的脉动及掺气，将引起管身的震动，恶化管道的正常工作条件。上述技术资料所示通过小流量时倒虹吸进口水面衔接示意图均如图二所示。图二大水头倒虹吸管通过小流量时的进口水面衔接示意图

为了避免在管内产生水跃衔接，上述技术资料提出的倒虹进出口结构布置型式为：水面跌落△Z值很大时，可在倒虹吸管出口设置闸门，利用闸门抬高管进口水位使倒虹吸管进口淹没，以消除管内的水跃现象；△Z

值较大时，可适当降低管道进口高程，并在进口前设消力池，池中水跃应被管进口处的水面淹没；△Z

值不大时，可略降低管道进口高程，并以斜坡与渠底连接。《倒虹吸管》还明确提出，为消除水跃，应将进水口顶缘布置在管道通过小流量时进口计算水位以下，并保持一定的淹没深度，以防止急流冲进管口并带入空气，破坏进管水流流态。●湋水倒虹吸设计运用情况

实际上，上述小流量时较大的倒虹吸管进口水面跌落及水跃现象只会发生在设计水头及上下渠底高差较大的情况下，例如陕西省宝鸡峡引渭灌溉工程的湋水倒虹吸就是如此。湋水倒虹吸管身由两孔直径为3.25m的钢筋混凝土管及直径2.9m的钢管两部分组成，校核流量为55m3/s；设计流量为

52m3/s；校核及设计流量时的水头损失计算值分别为3.631m及3.287m，上下游渠底高差为3.23m。该倒虹吸管在实际运行中的情况是，当流量小于40

m3/s时，水流即以急流状态进入管道，在管内形成水跃（图三）。图三湋水河倒虹吸管通过小流量时的进口流态示意图

●湋水倒虹吸设计运用情况及流态分析湋水倒虹吸管在小流量时出现较大的进口水面跌落及水跃现象，其主要原因是由于该倒虹吸管上下游渠底高差较大，小流量时的水头损失又远小于设计水头，因而在管道进口出现较大的水面跌落及进管急流。计算表明，流量30m3/s

时（约相当于设计流量的58%），水头损失计算值为1.147m，相应管进口水面约与上游渠底相平，渠道水流进入管口的水面落差为△Z=1.9m；当流量再小时，管进口水面将低于上游渠底，水流进入管口的水面落差更大。图三湋水河倒虹吸管通过小流量时的进口流态示意图倒虹进口一般多设有闸室或水平连接段，闸室流态类似于宽顶堰，上游渠道水深为堰上游水深，管进口断面处水面高于闸底的高度为堰下游尾水深，闸下游水流衔接型式及计算方法也与一般闸后带陡坡的开敞式水闸相似，如果过闸水流落差较大，相当于自由式宽顶堰，闸下游跃后水深大于尾水深，就会产生远驱式水跃（图四）；反之，如果过闸水流落差很小，为淹没式宽顶堰流态，其下游尾水深远远大于跃后水深，就不可能发生水跃（图五）。

湋水倒虹吸管进口在流量小于40m3/s时出现的较大水面跌落及水跃现象，说其原因是“管道进口不淹没”似不确切，而应是“进口水流不淹没”，即进口闸下游尾水深偏小，所谓淹没度也应是闸下游尾水的淹没度。例如湋水倒虹吸管如果不是因为设计水头及上下游渠底高差较大，小流量时即使管口水位低于进水口顶缘，也不会出现较大的进口水面跌落及水跃现象。●平原地区低水头渠道倒虹吸管进口水流流态分析

平原地区的倒虹吸管，设计水头及上下游渠底高差均较小，小流量时多不可能出现较大的进口水面跌落及水跃现象。有的设计水头分配紧张的引水工程，长200～300m的倒虹吸管，设计水头仅0.15m左右，管内设计流速仅1.5m/s左右，小流量时流速甚至不足1.0m/s，可以说在任何流量时进口水流都是淹没的，都不会出现水跃现象，因此似无必要将管进口降低。现分别以2座不同长度的倒虹吸为例，分别计算其不同流量时的管进口水流衔接情况(上下游渠底的高差等于设计水头)。计算成果表明，各种流量时的管进口水位落差均很小，跃后水深计算值均远小于管进口水深（尾水深），进口水流都是淹没的，相应的尾水淹没度为1.7

～2.1，小流量时进口水面衔接示意图如图六所示，小流量时即使水头损失为0，管进口水面与下游渠道水面相平，进口水位最大落差值也就等于设计水头，而设计水头又如此小，实际上不用计算也可判断进口不可能出现水跃。

图六低水头倒虹吸管通过小流量时的进口水面衔接示意图管长及设计水头

流量Q(m3/s)

水头损失

Z1

(m)

上游渠道水深

H

(m)

管道进口水位落差

△Z=Z-Z1

(m)

管道进口水深hs=h-

△Z

(m)

收缩水深hc

(m)跃后水深

h’’

(m)管长：

L=

137m

设计水头：

Z=0.11m500.0012.890.112.780.21.311000.0044.130.1064.0240.341.992000.0295.830.0815.7490.573.052900.0716.960.0396.9210.763.81350(设计流量)0.117.607.6————管长：

L=1500m设计水头：

Z=0.41m500.0082.510.4022.1080.21.21000.0263.730.3843.3460.331.862000.1045.450.3065.1440.552.863200.2737.00.1376.8630.783.82380(设计流量)0.417.6707.67————平原地区低水头大流量倒虹吸管进口水流衔接计算成果表

●渠道倒虹吸水力学模型试验研究关于进口布置的试验成果河南省水利勘测设计院曾于1996年委托郑州工业大学水力学与河流泥沙研究所进行了一座渠倒虹吸的水力学模型试验，试验项目包括倒虹进口布置型式及进口流态的试验研究。模型试验采用的倒虹设计资料为：渠道加大流量430m3/s，加大水深6.44m，设计流量380m3/s，设计水深6m，管身长370m，设计水头0.35m，按加大流量设计管径为6孔6×6m矩形断面，上下游渠底高差与设计水头相同为0.35m，进口斜管段坡度1：3

。为使水流平顺地进入管口及减少进口水头损失，管身进口采用一段圆弧形顶板，进口管底较渠底低1.0m，进口闸室底板前段与渠底相平，后段3m按1：3的坡度下降与管口相接。倒虹吸管通过加大流量及设计流量时，水面均在弧形顶板顶缘以下（图七）。图七渠道倒虹吸管水力学模型试验的管进口流态示意图

●渠道倒虹吸水力学模型试验研究关于进口布置的试验成果试验作了各种流量、不同运用方式时的流态测试。小流量情况未发现倒虹进口有水跃现象，以50m3/s流量为例，洞口仅有微弱的水波，无水跃和参气现象。只有当流量小于4m3/s时，才有可能在倒虹管口出现数厘米的水面落差。试验关于管身进口设计布置方案的结论性意见是：倒虹管进口边界较顺适，布置合理，在各级流量下可保证渠道水流与倒虹吸管的平稳衔接；在6孔全开过流时，无不良流态；无小流量情况的进口水跃问题；基本上无掺气问题；对于低水头大流量的倒虹吸管工程，倒虹进口顶缘不需要降低至小流量进口计算水位以下；倒虹进口也会出现恶劣的流态，但这不是由于进口顶缘太高所引起，而是由于不良的运行工况所造成，这在运行操作上需加以注意。

图七渠道倒虹吸管水力学模型试验的管进口流态示意图

●长江河渠倒虹吸管设计运用情况

从河南省的梅山灌区及宿鸭湖灌区已建的两座倒虹吸工程实际运用情况看，也不存在因进口管顶缘不淹没而出现小流量产生水跃及管身震动等不良现象。这两座倒虹吸的设计水头及上下游渠底高差相对较大，而且其实际过水流量均比设计流量小得多，也就是说经常在小流量状态下运行。据两座倒虹的管理单位介绍，在小流量过水时，进口均无震动感。梅山灌区南干渠长江河渠倒虹吸管的设计运用情况如下（图八）。长江河渠倒虹吸设计流量40m3/s，渠道设计水深2.76m，倒虹吸管长135m，设计水头及上下游渠底高差均为Z=0.5m，管身为2孔3×3m的钢筋混凝土矩形断面，进口斜管段坡度1：6，为使水流平顺地进入管口及减少进口水头损失，管身进口采用半径为1.2m的圆弧形顶板，进口管底较渠底低0.6m，进口闸室底板前段与渠底相平，后段降低0.6m与管口相接，倒虹吸管通过设计流量时的水面在弧形顶板顶缘以下的圆弧形顶板段。

图六长江河渠道倒虹吸管通过小流量时的进口流态示意图

图八长江河倒虹吸管通过小流量时的进口流态示意图该倒虹吸于1967年建成运用，除建成初期曾通过设计流量

40m3/s外，经常的通水流量为

20m3/s左右。根据计算，20m3/s

流量时渠道水深为1.98m，倒虹吸管水头损失

Z1=0.14m，进口前水位落差△Z=0.46

m。从水流流态看，仍相当于淹没式宽顶堰，也就是说，虽然管进口水面远远低于弧形顶板顶缘，但进口水流还是淹没的。此倒虹吸的设计水位并没有淹没管口顶缘，小流量也不产生水跃，自建成至今已正常运用

30余年，未出现因不良流态引起的管身结构损坏情况。

●斜管式进口倒虹吸管合理的进口布置型式

综上所述，对于平原地区低水头、小流速、斜管式进口的倒虹吸管，进口水流都是淹没的，似不必过多降低管进口高程。对于设计水头及流速较大的倒虹吸管，例如穿过渠道的河倒虹吸管或山丘地区的渠道倒虹吸管，为了避免小流量时可能在管进口形成水跃，应校核小流量时进口水流是否淹没，如水流不淹没，则需将管进口及连接段底部下降。校核方法是根据小流量时的倒虹下游水位及小流量时的水头损失，推算出管进口断面处的水位，再计算相应的进口水位落差△Z=H-hs，式中H为上游渠道水深，hs为以上游渠底为基准面的管进口水深（图九），然后按宽顶堰进行堰下游水流衔接计算，如果管进口水深hs大于跃后水深h’’，并有一定的淹没度，说明进口水流淹没，管进口不需降低；反之，如果管进口水深hs小于跃后水深h’’，说明进口水流不淹没，就需要将管进口及连接段底部下降，如降低后的管进口水深hs’大于跃后水深h’’，并有一定的淹没度(按水跃淹没要求，淹没系数可取1.05～1.1)，则进口淹没满足要求，相应管进口降低值为hs’-hs。此时，管进口水面可能高于管进口顶缘，也可能低于管进口顶缘。也就是说淹没的标准应是进口水流要有一定的淹没度，而不一定要求进口水面在管进口顶缘以上有多大的淹没深度。图九降低倒虹吸管进口使水流淹没示意图

●斜管式进口倒虹吸管的进流特点

对于斜管式的进口布置，管进口顶缘以上的淹没深度以何为准也值得商讨，

例如对于园弧喇叭形进口布置型式，如何确定进口顶缘位置就是个问题。如图十所示，如果倒虹管进口顶板与管顶挡墙呈折线形连接，交点O

为管进口顶缘，这时管进口设计水位▽1

在O点以上，可认为淹没了管口。但为了使进管水流更加平顺及减小进口水头损失，比较合理的布置是管进口段采用圆弧形顶板，这样，管进口顶板与管顶挡墙的交点抬高至O´

点，如果认为O´点是管进口顶缘，则管进口设计水位

▽1变到管进口顶缘以下，不再淹没管口，但显然这时的水流条件更优于交点O在水面以下的折线形连接布置型式。图十倒虹吸管进口顶缘不同布置型式示意图●斜管式进口倒虹吸管的进流特点

如前所述的作水力学模型试验的倒虹吸及长江河渠倒虹吸均采用这种布置及进流方式，各种流量时的进口水位也均低于管进口顶缘(O´点），水力学模型试验成果及实际运用情况均表明不会因为没有淹没进口顶缘产生不良流态，而是进口水流均为比较顺畅的淹没流。图十倒虹吸管进口顶缘不同布置型式示意图

有关深式进水口淹没深度计算的经验公式附图均类似于图一所示，其进口管段为平管，淹没水深的计算基点为管顶面，显然，上游水位超过了管顶面就淹没了管口。但是对于进口管段为斜管的倒虹吸管，哪里算管口？特别是进口段顶板顶面为圆弧形布置时，又如何确定淹没水深的计算基点？都值得考虑。平管与斜管的进口流态应该是有区别的，压力流的平管进口如果淹没度不够，还可能出现明满流交替的不良流态。对倒虹吸斜管段的进管水流来说，进水口或压力流管口实际上是变动的，可认为水面与斜管顶面的交点处即为压力管的进口，如图八所示，当进口水位为▽1

时，压力管进口为A点处，当进口水位为▽2

时，管进口为A´点处，交点以后为压力管流，交点以前为具有自由水面的明流。斜管段并不存在平管段那样的明满流交替问题，对于斜管式进口的倒虹吸来说，其后的平管段在任何流量情况下的淹没水深均远远超过要求值。

●结语一

（一）过去倒虹吸管的设计没有相应的规范，一般在设计中都没有按深式进水口临界淹没水深的要求来布置管进口高程。由于原《水电站进水口设计规范》SD303-88

经过修编后成为《水利水电工程进水口设计规范》SL285-2003，作为水利工程的倒虹吸管进水口，似理所当然地也应执行该规范有关进口布置的规定，但从一般平原地区低水头、斜管式进水口倒虹吸管的工程特点、总体布置型式等方面考虑，是有别于水电站的进水口的，倒虹吸的斜管式进水口流态不同于如图一所示的平管进水口流态，图一所示的管顶淹没水深是从平管顶面算起的，斜管式进水口倒虹吸管如也从平管段顶面算起，则斜管进口管底与渠底相平时，其平管段完全能满足淹没深度要求。（二）对于孔径较大的倒虹吸管，如按深式进水口临界淹没水深公式计算，管进口可能降低过多，例如当管高7m左右时，管进口及进口闸底板需较渠底降低3m

左右，相应上游数十米长的渐变段也需逐渐降低；由于进口闸底降低较多，不仅增加了施工难度，也对闸室的稳定带来不利因素，为满足稳定要求，还要增加闸室长度及结构尺寸；同样由于闸底降低较多，也要加大闸门尺寸及