高水頭大跨度倒虹吸設計探討

【摘要】本文以觀文水庫灌區大田坳倒虹吸為例，該倒虹吸具有HD值大、線路長及水頭大等特點，國內處于完工階段且規模相近的工程較少，能夠用于借鑒的經驗相對有限，有著較大的工程設計技術難度。

【關鍵詞】觀文水庫；高水頭大跨度；倒虹吸；設計

1.工程概況

觀文水庫位于赤水河左岸一級支流菜板河的右岸支流白泥河上游，壩址地處四川省古藺縣觀文鎮五桂村和復興村交界處，距古藺縣城50km，控制集水面積26.1km2，多年平均年徑流量1303萬m3，是一座以農業灌溉為主、兼顧鄉村供水等綜合利用的中型水利工程。大田坳倒虹吸位于觀文水庫灌區椒園分干渠樁號0+652～1+644處。大田坳倒虹吸設計流量1.32m3/s，總長度992m，設計最大水頭171m。

2.倒虹吸地形地質條件

2.1流域概況

觀文水庫地處古藺縣觀文鎮五桂村土灰壩，位于白泥河上游，壩軸線位于東經105°55′25″，北緯27°51′59″。白泥河是赤水河左岸一級支流菜板河的右岸支流，壩址以上集水面積26.10km2，河道長9.24km，河道平均比降14.3‰。白泥河流域屬四川盆地南緣山地的一部分，處于大婁山褶皺帶西段北側，為海拔400m～1500m的中山和低山，山脊線近于東西走向。流域內海拔1000m以上的山地約占總面積的60%。流域內地勢高竣，群山重疊，河谷深切400m～600m，地面起伏甚大，由西向東、北、南三面向赤水河傾斜。

2.2工程地質

（1）地形地貌。渠線經過地帶主要為低中山區，河谷切割較深，山高坡陡，山體連綿，地勢總體西南高東北低。地形地貌受巖性控制較明顯。（2）地層巖性。工程區內除第四系崩坡積、坡洪積層、坡殘積和沖積等松散地層分布外，出露基巖為侏羅系、三疊系、二疊系、志留系、奧陶系的多個巖組。（3）地質構造。渠系一帶構造形跡主要為東西向褶皺，斷層不發育。（4）物理地質現象。據地表調查測繪，渠線未發現泥石流和滑坡等不良地質體分布。工區物理地質現象主要表現為巖石的物理風化卸荷、崩塌。（5）巖溶發育特征。巖溶主要發育于二疊系茅口組和三疊系茅草鋪組灰巖及泥灰巖中，巖溶主要為溶溝、溶槽及溶隙，主要發育在地形較緩的斜坡、緩坡地段或洼地周圍，渠線主要地層中未見大型的暗河、漏斗、落水洞發育。

3.倒虹吸系統設計

3.1水力計算

倒虹吸管水力設計任務是通過水力計算選定管道的橫斷面尺寸，以及進、出口段各個部分的布置形式、尺寸和有關高程。在山丘區，渠道走線高，水頭豐裕，充分利用落差，選擇較大的管內流速和較小的過水斷面，以節省工程量和降低造價。

倒虹吸管在輸水過程中，因克服阻力而消耗了能量，損失了水頭，使管道出口處水面高程恢復不到進口處水面高程。因此，進、出口水位差的大小，決定了倒虹吸內的水頭損失。倒虹吸與上下游渠道結合起止斷面之間總水頭損失由進口漸變段水頭損失、倒虹吸管水頭損失和出口擴散段水頭損失三部分組成。

按照設計流量初步確定倒虹吸管進出口地面高程后，分別驗算通過小流量、加大流量時上下游水位銜接，并保證小流量時倒虹吸進出口仍處于淹沒狀態，通過加大流量時，管道進出口水面高程、渠堤頂部高程滿足超高安全運行要求。出口發生遠驅式水躍時，設置消力池。水頭損失計算，水頭損失計算公式：

3.3結構布置

（1）進口段。進口段包括漸變段、進水口、沉沙池、攔污柵、閘門、進水池等。漸變段長度為上游渠道設計水深的3～5倍，并適當取舍。結構型式為扭曲面漸變段，鋼筋混凝土結構。進水口為喇叭口型式，以減少水頭損失，喇叭口后接管身。沉沙池設在攔污柵前，以攔截渠道水流中攜帶的大粒徑沙石及雜物，防止進入管道造成磨損和淤積。池長為4～5倍的上游渠道水深，池寬為2～3倍的上游渠道底寬，并適當取舍。為方便管道的清淤、檢修及臨時防止洪水進入管內，在進口上游設置閘門控制；為防止漂浮物或人畜落入渠內而被吸入倒虹管，在閘前設攔污柵。進水池用來減緩流速，平定流態，以保證管道通過不同流量，包括最小流量時不致形成漩渦或空氣進入。（2）出口段。包括出水口、消力池、漸變段等在倒虹管軸線方向變化處、斜坡管段坡度較陡和管段較長時應設置鎮墩，以承受彎道處外力和防止管身下滑。鎮墩采用C20混凝土澆筑。（3）管線設計。管線布置應根據地形、地質條件，工程規模和工程總體布置要求，一般要求線路宜短而直，使水流平順、水頭損失小、工程量少、造價低。管線應選擇在地形、地質條件優越地區，應避開滑坡、崩塌或受地下水危害等地段。管線在立面上，應力求避免上凸現象。（4）細部結構設計。根據管材比較，本次渠系倒虹吸管管材全部采用鋼管，鋼管表面應加強抗氧化和抗腐蝕措施，采用鎮墩、支墩間斷式管座脫離地面布置。鋼管的鎮墩間距根據地形條件和穩定計算結果分別是50～100m，豎向和橫向轉彎處設置鎮墩，鋼管在兩鎮墩之間的較高側設置特制的伸縮沉陷柔性接頭。管道泄水孔、沖沙孔底部高程高于河道庫水位，布置在最低位置的鎮墩上和橋式倒虹吸管道的最低部位。在鋼管倒虹吸管最低布置設置進人檢查孔，對于鋼管孔徑不小于500mm，間距200～300m。在倒虹吸管凸起的管身頂部設置自動排氣閥。倒虹吸管旁邊設置檢修通道和兩岸坡上的人行臺階。高水頭倒虹吸的兩岸坡人行臺階和橋式倒虹吸管的兩側，以及水深較大的進口、出口周圍設置安全圍欄以及安全警示牌。因倒虹吸壓力鋼管采用鎮墩、支墩間斷式管座脫離地面布置，在支墩處或鎮墩除鋼管上外壁上設有支撐環，并根據規范布設加勁環，以增加管壁的剛度。

4.結語

觀文水庫結合古藺縣地質情況，做到對流域內十分匱乏水資源的充分利用，能有效解決古藺縣用水問題，工程重要性與意義凸顯。（1）倒虹吸。邊坡段運用明管布置，而對于跨河段，則選用明鋼管過橋方案，即波紋管+鎮墩型式，與橋梁變形相適應。（2）對倒虹吸鋼管橋梁整體結構進行分析得知，對橋梁、變形與鋼管應力進行研究，采用倒虹吸結構布置，經實際驗證，倒虹吸系統乃是可行的。

參考文獻：

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