倒虹吸管工程設計的水力計算

楊紅鷹

( 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

倒虹吸管工程規劃設計主要包括選址、工程測量、工程地質和水文地質勘探，在方案確定后內業工作主要是進行總體布置、水力計算、結構計算及其工程概預算工作，本文簡述其水力計算要點。

1 前期條件與計算任務

倒虹吸管的水力計算是根據已定的渠道流量、流速、進口渠底高程，在水頭損失允許范圍內選定合理的管徑，并進行出口水面銜接計算等。

2 流速和管徑的確定

倒虹吸管內的流速，應根據技術經濟比較和管內不淤條件選定。當通過設計流量時，管內流速通常為1.5 ～3.0m/s，最大可達4m/s。最大流速一般按允許水頭損失控制，最小流速一般按流速應大于挾沙流速來確定。

2.1 有壓管流挾沙流速計算

式中:vnp為挾沙流速，m/s;ω 為泥沙沉降速度，m/s;Q 為管內通過的流量，m3/s;d75為挾沙粒徑，在泥沙級配曲線中小于該粒徑的沙重占75%。

2.2 倒虹吸管管徑的計算

可根據下式計算:

式中:D 為管徑，m;Q 為流量，m3/s;v 為流速，m/s，( v ＞vnp) 。

3 倒虹吸管輸水能力計算

倒虹吸管的輸水能力按壓力流計算，其計算式為:

式中:Q 為流量，m3/s;A 為倒虹吸管的斷面積，m2; z 為上、下游水位差，m;μ 為流量系數。

流量系數μ 按下式計算:

式中:ξ0為出口損失系數，其取值參考相關“水力學”;∑ξ 為局部損失系數總和，包括攔污柵( ξ1) 、( ξ2) 、進口( ξ3) 、彎道( ξ4) 、漸變段( ξ5) 等損失系數，可參考“水力學”有關公式計算;為沿程摩阻損失系數，λ 為能量損失系數l為管長，m，D 為管徑，m，C 為謝才系數。

4 倒虹吸管的水頭損失及下游渠底高程的確定

1) 水頭損失計算。倒虹吸管總的水頭損失按下式計算

式中:各符號代表意義同式(4) 。

2) 下游渠底高程的確定。根據在設計流量條件下的總水頭損失，再按下式確定下游渠底高程

式中:Hd為下游渠底高程，m;Hu為上游渠底高程，m;hu為上游渠道水深，m;hd為下游渠道水深，m;hω為總水頭損失，m。

根據上式確定下游渠底高程后，尚應校核回大流量時上游的擁水高度，以驗算上游渠堤及胸墻的超高。

5 進出口水面銜接計算

根據設計流量確定管徑及進出口渠底高程，尚應驗算管道通過中小流量時進口段的水面銜接情況。若中小流量時上下游渠道水位差Z 值大于管道的總水頭損失Zmin時，進口水面可能在管內出現水面跌落而產生水躍銜接，引起脈動摻氣，影響倒虹吸管的安全運用( 圖1) 。

圖1 計算簡圖

為了避免在管內產生水躍銜接，可根據倒虹吸管的總水頭損失的大小，采用各種不同的進出口結構形式。

［1］河海大學. 水工設計手冊( 第八卷) : 灌區建筑物［M］. 北京:水利電力出版社，1984.

［2］余際可，魏璟，羅尚生，等. 倒虹吸管［M］. 北京: 水利電力出版社，1983.