倒虹吸管设计应注意的几个问题

(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川 德阳，618000)

在水利工程建设中，当输水渠道遇到河流、洼地、山谷、公路、铁路等阻碍物时，可采用下埋式或桥管式倒虹吸管。特别是跨越河道时，一般考虑行洪安全，采用下埋式倒虹吸管。本文以金王寺水库右干渠桥洞头倒虹管为例，介绍倒虹吸管线路布置、管径确定、水力计算等几个问题。

1 线路布置

倒虹吸轴线平面投影应尽量为直线，并应与河道、沟渠、道路轴线正交。若不能避免平面转弯，应按照尽量减小水头损失的原则布置轴线。

桥洞头倒虹吸管位于右干渠，设计流量2.03m3/s，主要由节制泄水闸、进水池、管身段以及出水池组成。上游渠道底高程416.81m，上游设计水位417.94m，渠顶高程418.71m，倒虹吸管管道长度251m。

2 管径确定

渠道工程中，倒虹吸管下游侧的灌溉范围高程取决于倒虹吸管水头损失，故确定倒虹吸管管径应从两方面着手：①管道流速；②可利用水头。管道流速与管径成反比，流速与水头损失成正比，所以确定一个合适的管径需综合考虑流速和水头。平原地区，可利用水头较小，适合选择较大管径、较小流速，以尽量增加渠道灌溉面积，流速尽量控制在1.2m/s～2.5m/s之间；山丘地区，水头较充裕，管内流速选择上限可适当放宽至4.0m/s，最小流速应不低于0.9m/s。

线路布置和管径确定后，进出水口的水面高差(下文称“上下游水位差”)与过流能力必将是一一对应的关系，同时可知，当倒虹吸管输水能力无法与上下游渠道流量保持一致时，则会导致上下游水位差和流量也随之变化。这是一个逐渐趋于平衡的过程。

3 水力设计

3.1 定性分析

如图1所示，倒虹吸管输水能力是由损耗水头z产生的。每种工况下，倒虹吸管总水头损失z不同，并与流量成正比，z最大>z设计>z最小(z最大、z设计、z最小对应图3中z3、z2、z1)。以倒虹吸管稳定通过最小流量Q最小为起点开始分析，此时上下游水头差为h小，h小=z1；当流量逐渐增大，上游来

图1 水力计算示意

水量增大，水深增大，导致上下游水位差增加，流速加快，直至过流能力达到设计流量Q设计，此时，上下游水位差为h设，h设=z2，倒虹吸管过流能力稳定到设计流量；同理，上游来水量渐变至加大流量Q最大，并稳定在加大流量时，上下游水位差为h大，h大=z3。最大流量、最小流量的确定依据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)6.1.8-9的规定。

上游渠底高程为确定值，不同流量对应不同水位，确定合理的进水池和出水池水位，可以使倒虹吸管过流能力与上下游渠道过流能力尽量一致，水流状况衔接良好。如何确定出水池水位及高程能确保各种工况都能正常运行成为设计中的重点和难点。

3.2 定量计算

以桥洞头倒虹吸管为例，按规范要求，加大百分数取30%，最小流量取设计流量的50%。桥洞头最小流量Qmin、设计流量Q设计、最大流量Qmax工况下水力特性见表1。

表1水力特性

由计算可知，上游渠底高程均为416.81m，最小流量、设计流量、最大流量对应的下游水位分别为417.17m、417.00m、416.61m。最小流量、设计流量、最大流量对应的下游渠底高程分别为416.28m、415.87m、415.23m。

采用哪种工况的结果为准进行结构布置，拟采用试算法，即分别试用三种工况的计算结果进行进出水池结构布置，验算在其他工况下能否满足设计要求，能否满足过流能力要求。

3.2.1 试用最小流量计算结果

即选取最小流量计算成果中的下游渠底高程416.28m，计算设计工况及加大工况下的上游水位和可输送流量(下文称“过流能力”)，结果见表2。

表2最小流量试算其他工况

由计算可知，若采用最小流量工况成果确定下游渠底高程，在通过Q设计及Qmax时，上游水深超过正常水深，产生雍水，降低了上游渠道过流能力，不满足设计要求，不可行。

3.2.2 试用设计流量计算结果

即选取设计流量计算成果中的下游渠底高程415.87m，计算设计工况及加大工况下的上游水位和过流能力，结果见表3。

表3设计流量试算其他工况

由计算可知，若采用设计流量工况成果确定下游渠底高程，在通过Qmin时，上游水深小于正常水深，进水池内水面跌落，最小过流能力可保证。通过Qmax时，上游水深超过正常水深，产生雍水，上游渠道过流能力降低，不满足最大过流能力设计要求，不可行。

3.2.3 试用最大流量计算结果

即选取最大流量计算成果中的下游渠底高程415.23m，计算设计工况及加大工况下的上游水位和过流能力，结果见表4。

表4最大流量试算其他工况

由计算可知，若采用最大流量工况成果确定下游渠底高程，在通过Qmin和Q设计时，上游水深均小于正常水深，进水池内水面跌落，过流能力均可保证，方案可行。

综合上述试算成果知，桥洞头倒虹吸管设计中，下游渠道底高程应根据最大流量工况确定为415.23m，通过最小流量和设计流量时，进水池内水面降落值分别为1.05m、0.64m。进水口管道顶高程应满足淹没深度要求，取最小淹没深度0.5m。桥洞头倒虹吸管上游渠道底高程416.81m，进水池最高、设计、最低水位分别为418.19m、417.30m、416.65m。进口段布置成消力池形式。

4 结语

综上所述，倒虹吸管设计中的难点为下游渠道高程的确定及进水口结构布置，下游渠道高程应根据最大流量确定，进水口最低高程则是由最小流量时进水池内水面跌落值决定，按此原则进行设计，可以确保倒虹吸管前后渠道水面衔接良好，水流畅通，在各种工况均能安全运行。