沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)倒虹吸的設(shè)計與運行管理淺析

【摘要】本文的旨意是介紹沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)倒虹吸的設(shè)計、計算及運行管理，以合理利用水資源，提高水利用率，滿足下游灌區(qū)1.15萬畝耕地的灌溉任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】倒虹吸；管道；設(shè)計；運行管理

一、工程概況

工程區(qū)位于布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)境內(nèi)，地處布爾津河中游中低山區(qū)的沖乎爾盆地內(nèi)，其地理坐標(biāo)：東經(jīng)87°4′02″～87°11′15″，北緯48°9′23″～48°11′4″，海拔高程700-770m，總的地勢北高南低，西高東低。

本工程主要任務(wù)是從沖乎爾電站水庫引水至下游，開發(fā)或改善沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)。

沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)供水工程控制凈灌溉面積1.15萬畝，設(shè)計流量0.85m3/s，加大流量1.15m3/s。主要建設(shè)內(nèi)容包括：虹吸1座、玻璃夾砂管倒虹吸2.658km、干渠防滲4.844km、干支節(jié)制分水閘4座、干渠橋2座、渠下排洪涵1座。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB50288—99），本工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為?、菩?，主要建筑物級別為5級，次要及臨時建筑物級別為5級。渠道沿線排洪建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為10年一遇。工程區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

二、工程總體布置

本工程主要有虹吸、倒虹吸、引水干渠及相應(yīng)配套建筑物組成。

取水建筑物虹吸布置在沖乎爾水電站水庫大壩0+458樁號處，離右壩肩92.0m。從工程調(diào)度運行、管理、工程供水的適應(yīng)性與可靠性等方面綜合考慮，取水建筑物虹吸管選擇兩根管的運行方式。管材為鋼管，管道內(nèi)徑0.60m，虹吸管單管設(shè)計流量0.58m3/s，流速v=2.05m/s，設(shè)計總引水流量1.15m3/s。

倒虹吸布置在虹吸之后，采用玻璃鋼夾砂管，管長2.658km，進口渠底高程為746.90m，最大壓力水頭（進口渠道正常水位至管道最低中心高程差）46.58m，有17個縱向彎道。

倒虹吸布置采用地埋（淺埋式）。倒虹吸由進口段、管身段和出口段組成。

引水干渠布置在倒虹吸之后，總長4.494km，渠道斷面形式為梯形斷面，內(nèi)邊坡為1：1.50，全斷面采用現(xiàn)澆砼+土工膜防滲形式。

本文主要對工程倒虹吸的設(shè)計及運行管理做一闡述。

三、倒虹吸管設(shè)計

（一）工程地質(zhì)

倒虹吸全長2.658km，部分管段穿越堅硬基巖段，基巖主要為變質(zhì)砂巖，根據(jù)施工條件，基巖段可免爆或爆破處理，沿線玻璃鋼夾砂管需作防破壞處理。

（二）工程設(shè)計

倒虹吸由進口段、管身段和出口段組成。

1）進口段

進口段包括明渠段、漸變段、連接段、攔污柵、閘門、退水閘閥井和進口段。

①明渠段

明渠段總長350m（0+000—0+350），C25F200W6（Ⅱ級配）鋼筋砼矩形結(jié)構(gòu)，底寬2.0m，渠深1.70m，縱坡1/8000，邊墻寬度0.35m，底部厚度0.30m，每10m設(shè)一伸縮縫和齒墻，縫寬2cm，縫內(nèi)采用JH2-300型橡皮止水，下部填充高壓閉孔板，上部采用5cm厚瀝青砂漿（1：2）封堵，齒墻深0.70m，寬0.30m，明渠邊墻與底板為整體結(jié)構(gòu)。

②漸變段

漸變段長度為4.0m（0+350—0+354），C25F200W6（Ⅱ級配）鋼筋砼矩形結(jié)構(gòu)，底寬由2.0m漸變?yōu)?.30m，渠深1.70m，縱坡1/8000，邊墻寬度0.35m，底部厚度0.30m，邊墻與底板為整體結(jié)構(gòu)。

③連接段

連接段位于漸變段后，長度為16.0m（0+354—0+370），其中斜坡段長2.40m，坡度1/3，水平段長13.60m。采用C25F200W6（Ⅱ級配）鋼筋砼矩形結(jié)構(gòu)，底寬為1.30m，深2.50m，邊墻寬0.50m，底部厚0.30m，邊墻與底部為整體鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

④攔污柵

攔污柵設(shè)在連接段樁號0+364處，攔污柵是攔截渠道內(nèi)較大的礫石或漂浮物的設(shè)施，并可保障人畜安全。本工程規(guī)模較小，攔污柵采用φ10圓鋼焊接，縱、橫間距均為8cm。

⑤節(jié)制閘

為了方便管道進口沖砂及清淤，檢修和臨時停水，在進口處常設(shè)節(jié)制閘。本工程規(guī)模小，可不設(shè)節(jié)制閘，在攔污柵后預(yù)留門槽，需要時用疊梁或插板擋水。

⑥退水閘閥井

進口段退水閘閥井設(shè)在連接段左邊墻外側(cè)，退水閘閥井采用C25F200（Ⅱ級配）鋼筋砼澆筑，井內(nèi)設(shè)DN600UPVC管道和蝶閥，定期開啟閥門排沙清淤。

⑦進口

倒虹吸進口設(shè)在0+370樁號處，在連接段末端設(shè)擋水胸墻，墻厚0.80m，高2.50m，迎水面垂直高度1.70m，為了保證倒虹吸進口的淹沒度，擋水胸墻1.70m以下按1：1邊坡向上游傾斜，進口與管身段用彎道連接，彎道轉(zhuǎn)彎半徑為3.0m，擋水胸墻與鎮(zhèn)墩為C25F200W6（Ⅱ級配）整體鋼筋砼結(jié)構(gòu)，長4.0m。

⑧通氣孔

本工程進水口為淹沒型式，為消除管內(nèi)通過小流量時可能出現(xiàn)的破壞性水躍，將空氣帶入管內(nèi)，使管深發(fā)生震動和空蝕，在進水口擋水胸墻下游設(shè)通氣管，孔徑不小于倒虹吸管徑的1/4，本工程通氣孔采用DN300的鋼管。

2）管身段

①管道

倒虹吸管道采用內(nèi)徑為1.10m的玻璃鋼夾砂管，管長2658m，進口底高程746.90m，出口底高程為743.74m。管道均采用地埋式，管溝平均開挖深度為2.0m，底寬1.60m，基巖開挖臨時邊坡為1：0.20，土方開挖臨時邊坡為1：0.75，水下開挖臨時邊坡為1：1.75。

②鎮(zhèn)墩

為了兩段的管道連接與固定，在管道變坡和轉(zhuǎn)彎的地方增設(shè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用C25F200（Ⅱ級配）鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

③閘閥井

為了方便倒虹吸管的檢修，在進出口各設(shè)一座閘閥井。閘閥井為C25F200（Ⅱ級配）鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

④排水（含隔斷閥）井

排水井設(shè)置在倒虹吸管段地勢最低處，在灌溉期結(jié)束后將管道內(nèi)的水全部排出。井內(nèi)管道為DN1100的鋼管，鋼管與井壁接觸處設(shè)阻滑環(huán)，鋼管與玻璃鋼夾砂管的連接采用鋼制轉(zhuǎn)換件。

⑤檢查（含排氣閥）井

為排出管道中聚集的原溶解于水中的氣體，從而減少水頭損失，在管道最高處安裝自動排氣閥，口徑為相應(yīng)管道直徑的1/8-1/12，本設(shè)計取排氣閥直徑為DN150。井內(nèi)設(shè)DN600的出水管進人孔、壓力表、DN150蝶閥和DN150的復(fù)合排氣閥。

3）出口段

出口段設(shè)消力池，消力池深0.90m，底寬1.30m，池長5.0m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。消力池后接連接段，其底寬1.3m，長3.0m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)，該段布置攔污柵、節(jié)制閘。連接段后接漸變段，長5.0m，其后接渠道樁號3+041處。

（三）倒虹吸水力計算

1）漸變段到管道進口水面線計算

因漸變段長度較小，水流為明渠非均勻流，服從于能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律，可用伯努利方程分段求和法來計算水面線，

概念比較明確，計算較為方便。

2）倒虹吸管徑計算

倒虹吸管內(nèi)的水流為壓力管流，過水能力按《倒虹吸管》中3-1公式計算。

本工程設(shè)計流量為0.85m3/s，采用玻璃鋼夾砂管，初擬管內(nèi)流速V=1.50m/s，計算管徑為0.85m，考慮到本工程進出口水頭差為3.0m，水頭較小，若按照經(jīng)濟流速1.50m/s計算管徑，管徑較小，工程投資較省，但是，管徑小水頭損失較大，不能滿足工程安全引水，因此，須適當(dāng)增大管徑，減小水流流速，減小水頭損失，滿足工程安全引水，經(jīng)過比選，本設(shè)計選取D0=1.10m。

3）管道沿程和局部水頭損失計算

倒虹吸管在輸水過程中，因克服阻力而消耗能量，損失了水頭，使管道出口處水面高程恢復(fù)不到進口處水面高程。因此，進出口水位差的大小，決定于倒虹吸管內(nèi)的水頭損失。管道的水頭損失，根據(jù)引起的原因不同，可分為沿程水頭損失和局部水頭損失，兩者之和即為總水頭損失。

4）水面銜接及流量復(fù)核計算

經(jīng)過倒虹吸管的水面總落差Δz《水力計算手冊》。

通過計算，Δz=0.375m，流量系數(shù)μ=0.182，Q=0.95m3/s>0.85m3/s，滿足設(shè)計要求。

5）進口淹沒度計算

在設(shè)計流量情況下，管頂以上水深0.66m，通過計算，設(shè)計流量情況下進口最小淹沒度為0.40m，管頂以上水深大于最小淹沒度，滿足設(shè)計要求。

6）倒虹吸進出口水力計算

①進口漸變段長度計算

經(jīng)計算，進口漸變段長度為1.75m，本設(shè)計取4.0m。

②出口消力池尺寸的確定

一般中小型倒虹吸管出口消力池，池長L消及池深T消可按經(jīng)驗公式估算：

通過計算，出口消力池長度為L=1.89-2.52m，取5.0m，消力池深度T=0.87m，取0.90m。

四、倒虹吸的運行管理

沖乎爾右岸灌區(qū)供水工程于2014年10月建成正式通水試運行，在試運行期間，因水庫水位的變化及其它一些原因，也出現(xiàn)過一些問題，經(jīng)過相關(guān)措施處理及通水運行的檢驗，已運行近2年，其運行效果是比較好的。

本工程的安全運行對管理工作提出了較高的要求，必須克服重建設(shè)、輕管理的思想。本工程主要是滿足灌區(qū)的灌溉用水，在灌溉期結(jié)束后，應(yīng)及時開啟各排水閥門，將管道中余水排放，以避免冬季管道凍裂。

五、結(jié)束語

倒虹吸管道已廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)的各種工程，因環(huán)境、壓力、長度、材料等不同因素的影響，工程的設(shè)計條件、運行方式也不盡相同。

本文僅針對該工程簡單介紹倒虹吸管道的設(shè)計及運行過程中的一些經(jīng)驗與建議，希望能對倒虹吸工程的設(shè)計及運行管理提供一些借鑒。另外，增強責(zé)任心，加強運行管理，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，防患于未然，保證工程的正常運行。