倒虹吸专题

大型渠道倒虹吸设计探讨

杨国旗 石自堂 （长江水利委员会规划处 武汉市430010）（武汉水利电力大学）

摘要 针对大型渠道倒虹吸流量大水头紧等特点，根据实际情况分别对进出水口渐变段进行了优化设计，以减少其水头损失。同时对进水口前池、底部高程、闸墩、胸墙、控制水闸的布置以及管身形式提出了合理的设计意见．

关键词 渠道 倒虹吸 水闸

倒虹吸是经过山谷、河流、洼地、道路或

其他渠道的压力输水管道，是一种渠道交叉建筑物。由于倒虹吸具有工程量少、施工方便节省动力及三材、造价低等特点，在各国农田水利建设中得到了广泛的应用。小型倒虹吸各地应用较多，设计、施工都较为成熟，问题不大。下面结合南水北调中线西赵河渠道倒虹吸工程设计实施，对大型渠道倒虹吸设计中的几个问

题进行探讨．

西赵河渠道倒虹吸为一级建筑物，由进口连接段、管身段、出口连接段三部分组成，管身布置为 6孔 6.8m ×6.8 m方管．河道百年

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一遇洪峰流量为 1870 m／s，倒虹吸管设计

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流量为 750m／S，总水头0.32m具有流量大，水头紧等特点．其纵剖面布置示意图见图1。

倒虹吸总水头损失计算公式如下：

hw＝z＋v1/(2g)- v2/(2g)+h1渐+ h2渐 式中 hw——倒虹吸总水头损失(m)

z——倒虹吸管道进出口水头差(m) v1——倒虹吸上游渠道的水流平均流速(m/s) v2——倒虹吸下游渠道的水流平均流速(m/s) h1渐——上游渐变段水头损失(m) h2渐——下游渐变段水头损失(m)

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l 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．为此，对西赵河渠道倒虹吸作了模型试验，以寻求使水流能平稳过渡，又使水头损失较小的连接段形式．

渐变段长度不宜过长，当渐变段长度达到一定值［L=2(B1-B2) B1、B2分别为渐变段始末端断面的水面宽］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．从试验中发现，渐变段在铅直方向的变化所造成的水头损失超过在水平方向变化所造成的水头损失，底坡越大水头损失越大．例如．当进口底坡分别为i

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＝0.033和i＝0.057，流量 Q=630 m／s，其他边界条件完全一样时，两者水头损失差5.4 cm．所以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．

经过方案比较，西赵河渠道倒虹吸进出口渐变段选用直线扭曲面，该形式具有水头损失小，工程量小，便于施工放样等特点．进出口渐变段底坡均布置为平坡，进口渐变段长 60m，出口渐变段长75m。

2 倒虹吸进水口前池及底部高程

前池指倒虹吸管与渠道连接的过渡段，通常认为前池宽度与深度的变化对倒虹吸的影响不大．但在模型试验中发现，对不同宽度与深度的前池，其水头损失相差较大。因为前池宽度较大，特别是当前池宽度大于倒虹吸管总过水宽度时，渠道水流进入前池后，水流产生大范围的回流，有时还出现吸气漩涡，造成较大的水头损失．例如：西赵河渠道倒虹吸将进口渐变段变

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为前池，流量 Q=630 m/s，其他边界条件完全一样时，两者水头损失差3.4 cm．

倒虹吸进口还须满足小流量淹深的要求，因此进口底部高程需进行适当的降低．

由于南水北调中线总干渠为常年引水，渠道水深基本保持在渠道设计水位，同时为减少水头损失，西赵河倒虹吸进口不设前池，进口底部高程不降低．

3 闸墩及胸墙设计

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

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加。例如：当流量 Q＝135 m/s，只开两侧两扇闸门，其他边界条件完全一样时，流线形墩头比半圆形墩头水头损失大12.4 cm．西赵河渠道倒虹吸选用半圆形墩头。该形式水头损失不大，受闸门开启影响小,水流较为平稳。

胸墙的布置位置及形式对水头损失有一定的影响．胸墙布置与孔口齐平[见图2（a）］比胸墙

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布置靠后［见图2（b）］水头损失要小。例如：西赵河渠道倒虹吸流量 Q=630 m/s，其他边界

条件完全一样时，胸墙靠后布置比胸墙靠前布置时水头损失大 3.9cm．直立式胸墙［图 2（c）］比向后倾斜布置的胸墙［见图2（d）］水头损失要小．其原因主要是水流受到胸墙的阻挡，易形成倒转流层而导致漩涡的产生，增加水头损失．西赵河渠道倒虹吸胸墙布置为直立式胸墙，位置

与倒虹管孔口齐平。

4 控制水闸布置

倒虹吸进出水口均布置有水闸，控制水闸可以布置在管身上游也可布置在管身下游。经过试验比较发现：控制闸门布置在上游，进水口水流不平稳，管内掺气，管内发生水跃；而布置在管道出口，既便于工程管理，又避免了上述不良水流流态，并可保证上游渠道正常水深。设计中控制水闸布置在管道出口。

5 管身形式

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。

6 管身检修

大型渠道倒虹吸管身检修比一般倒虹吸要复杂．因为大型渠道倒虹吸上部荷载大，单孔检修将导致较大的不均匀沉降。因此，西赵河渠道倒虹吸采用三孔一联同时检修的方法进行。检修期为枯水期．

7 涌波及掺气

渠道水流进入倒虹吸管，从无压流变为有压流，渠道水流受到包括胸墙、闸墙及上游渐变段在内的边界条件的影响，靠表层的水流受到了阻挡或干扰，便产生了水面波动。如果渠道水流属于缓流，那么水面波动将向上游传播，形成涌波。模型试验发现：小流量时，不出现涌波；当流量超过 500 m3/s时，上游渠道出现涌波，涌波高度为 59 cm；当流量达630 m3/s时，涌波高度为72cm。

倒虹吸管的掺气是指进水口的水流受到闸墩、闸槽及其他边界条件的影响，水面出现强烈扰动，而出现浪花、气泡回流以及不平顺的水流流态所产生的漩涡吸气，使空气随水流带入倒虹吸管内，形成管道水流掺气．从西赵河渠道倒虹吸模型试验可以发现：当管道全开时，管内

一般不掺气，但当管道不全开时，就会产生掺气。

由于总干渠为全衬砌渠道，不存在渠道边坡淘刷的问题，只须保证在最高水位时，涌波不超过渠顶高程即可。

防止或减少掺气的措施有：①控制闸门布置在倒虹吸出口；②设计合理的进水口，使进水口处的水流平顺，限制进水口处流速，进水口边界尽可能采用流线形；③采取正确的管理方式。控制闸门开启，要力求均匀不能为操作

简单而在小流量时只开启部分闸门。只有将闸门全部均匀开启才能保证进口段水流平顺及减少进口处的水流流速，避免水流方向与倒虹吸管不平行而斜向入流，从而防止闸前绕流、回流及吸气漩涡。

西赵河渠道倒虹吸上游总干渠堤顶高程为校核水位加15m，涌波不超过渠顶．同时为了防止或减少掺气，控制闸门布置在倒虹吸出口处，倒虹吸进口渐变段及其他边界均力求平顺．工程管理上，总干渠水位基本保证在正常水位下运用，控制闸门对称均匀开启。

8 其 他

大型渠道倒虹吸水力计算按逐段列出能量方程的方法推求水面线，但必须考虑闸墩的阻水作用。结构设计一般按弹性地基梁上的框架结构计算。

总之，大型渠道倒虹吸的设计比一般倒虹吸设计更复杂，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。