倒虹吸工程設(shè)計(jì)分析與探討

黃生

【摘要】近年來(lái)，倒虹吸工程因其施工方便、節(jié)約勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于山區(qū)和黃土高原地區(qū)的輸水工程中。倒虹吸是渠系建筑物中的一種交叉建筑物，當(dāng)渠道與河流、谷地、道路、山溝以及其它渠道相交時(shí)，為連接渠道而設(shè)置的壓力管道。倒虹吸工程管道頂部在冰凍層以下，防凍性能好，工程不易損壞，基于此，本文主要對(duì)倒虹吸工程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】倒虹吸；工程設(shè)計(jì)

1、前言

我國(guó)農(nóng)田水利建設(shè)中，修建了大量的倒虹吸管，對(duì)建設(shè)旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)定農(nóng)田及供應(yīng)城市工業(yè)和生活用水都起到關(guān)鍵性的作用。進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，從整個(gè)設(shè)計(jì)流程來(lái)說(shuō)，需要保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性，才可以使得工程設(shè)計(jì)產(chǎn)品達(dá)到最理想的效果。

2、工程概況

西北某倒虹吸工程設(shè)計(jì)管道長(zhǎng)度達(dá)2500m，最大工作水頭達(dá)300m，管徑達(dá)0.8m，屬于大型倒虹吸工程。由于原工程已不能滿足安裝使用要求，因此需重建倒虹吸。工程建成后，可增加灌溉面積達(dá)453.3hm2，不僅能有效改善農(nóng)業(yè)缺水的局面，還可充分發(fā)揮灌區(qū)提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的作用。

3、倒虹吸工程設(shè)計(jì)

3.1工程布置分析

西北某倒虹吸工程布置時(shí)應(yīng)考慮以下要點(diǎn)：①倒虹吸管徑大，管線長(zhǎng)達(dá)2500m，占地面積大。為減少占用耕地，降低征地費(fèi)用，選在原管線上重建。②倒虹吸管線總體布置應(yīng)根據(jù)地形、地勢(shì)在管線軸向應(yīng)為一直線，以減少管線長(zhǎng)度，在豎向應(yīng)為折線，局部做填挖處理。③倒虹吸管道在谷底要跨越現(xiàn)代河床和公路，現(xiàn)階段河床水流較小，寬約2m，河流縱向坡降為2%，管道布置應(yīng)考慮河流的洪峰流量和公路車(chē)輛情況，原設(shè)計(jì)中采用支墩的跨越方式，歷經(jīng)40年未發(fā)生過(guò)特殊情況，應(yīng)繼續(xù)采用此跨越形式，并設(shè)計(jì)支墩基礎(chǔ)防沖刷。

通過(guò)分析當(dāng)?shù)氐匦危私庠こ痰氖褂眉肮芾砬闆r，綜合考察各種因素，重建工程管道仍布置在原管線上，經(jīng)過(guò)村莊，橫跨溝底公路，自溝右岸向左岸供水，倒虹吸跨越段呈不對(duì)稱(chēng)V型，兩岸地形坡度25°～35°，局部較陡，可達(dá)45°。

3.2管材選擇

西北某倒虹吸工程具有計(jì)算水頭高、管線長(zhǎng)的特點(diǎn)，其最大工作壓力可達(dá)3.0MPa，屬?lài)?guó)內(nèi)罕見(jiàn)。依據(jù)倒虹吸工程特點(diǎn)，管材可選用鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管三種，玻璃鋼夾砂管材的防腐蝕性能好，但抗內(nèi)壓能力小，工作壓力一般為0.6～2.0MPa，對(duì)于地基易變形的區(qū)域，接口易發(fā)生開(kāi)裂，外露時(shí)易老化。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管材（PCCP）的管道抗?jié)B性能好，且抗內(nèi)壓、抗外壓能力強(qiáng)，工作壓力為0.4～2.0MPa，但管道重量大，施工技術(shù)要求高，施工復(fù)雜，防腐蝕性差。鋼管的抗高壓能力強(qiáng)，工作壓力大，加工制作相對(duì)方便，施工技術(shù)較為成熟。該倒虹吸工程整體布置型式為地面式露天布置，管線坡度大，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，需穿越兩個(gè)村莊，施工安全技術(shù)要求高，通過(guò)管道內(nèi)水質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)，管材的腐蝕問(wèn)題并不突出，要求管材工作壓力達(dá)3.0MPa。考慮到工程的特殊性、可靠性和安全性，因此工程管材選擇鋼管。

3.3管徑選擇與管內(nèi)流速確定

西北某倒虹吸工程設(shè)計(jì)流量為0.5m3/s，加大流量為0.7m3/s，按《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，重建工程取管內(nèi)平均流速為1.8m/s，管道經(jīng)濟(jì)直徑最小為0.48m，管道經(jīng)濟(jì)直徑最大為0.94m，考慮預(yù)留一定發(fā)展流量，設(shè)計(jì)時(shí)管徑取0.8m，此時(shí)管內(nèi)平均流速為0.994m/s，驗(yàn)算加大流量0.7m3/s時(shí)管內(nèi)平均流速1.392m/s，小于2.5m/s。因此取管徑0.8m，安全性符合要求，且經(jīng)濟(jì)上合理。

3.4管道壓力分級(jí)

對(duì)于高水頭長(zhǎng)距離倒虹吸壓力鋼管，由于其管線太長(zhǎng)，若全部根據(jù)最大工作水頭設(shè)計(jì)鋼管壁厚，則對(duì)于大型工程來(lái)說(shuō)并不經(jīng)濟(jì)。為降低工程投資，應(yīng)將鋼管管線分為不同的壓力級(jí)別，并據(jù)此計(jì)算不同分段的管壁厚度。本文鋼管倒虹吸壓力鋼管設(shè)計(jì)最大工作水頭達(dá)300m，最大壓強(qiáng)達(dá)3MPa，由于水壓太大，部分坡段較陡，考慮到安全因素，壓力分級(jí)間隔不宜過(guò)大，取為0.3MPa。設(shè)計(jì)該鋼管倒虹吸工程設(shè)計(jì)壓強(qiáng)分為五級(jí)，分別為：①P≤1.8MPa；②1.8MPa≤P≤2.1MPa；③2.1MPa≤P≤2.4MPa；④2.4MPa≤P≤2.7MPa；⑤2.7MPa≤P≤3.0MPa。

3.5管身段設(shè)計(jì)

管身段主要由主管、伸縮節(jié)、支承環(huán)、加勁環(huán)、鎮(zhèn)墩、進(jìn)人孔、沖沙孔及通氣管等部分組成。由于整個(gè)管線上鎮(zhèn)墩間管段形式布置類(lèi)似，故截取該倒虹吸鋼管#8鎮(zhèn)墩（樁號(hào)0+633）至#9鎮(zhèn)墩（樁號(hào)0+822）的管身段布置。

3.5.1主管設(shè)計(jì)

本文工程最大工作水頭達(dá)300m，管徑0.8m，鋼管管壁初擬厚度約14mm，考慮銹蝕和磨損程度增加2mm，因此該倒虹吸最大水頭處鋼管壁厚取16mm。由上管道壓力分級(jí)可得管身段管壁厚度由小到大分別為8、10、12、14、16mm。其對(duì)應(yīng)管線長(zhǎng)度依次為626.40、682.10、488.23、283.02、313.00m。

3.5.2伸縮節(jié)設(shè)計(jì)

伸縮節(jié)在大型倒虹吸工程中不僅可消除大部分溫度應(yīng)力，且能適應(yīng)少量不均勻沉降。伸縮節(jié)一般布置在鎮(zhèn)墩下側(cè)，以保證施工方便和傳力明確。壓力鋼管伸縮節(jié)傳統(tǒng)上采用盤(pán)根填料止水的套筒式伸縮節(jié)，該類(lèi)伸縮節(jié)能很好地滿足鋼管的橫向伸縮變形，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)成熟，但當(dāng)工程存在較大豎向變形時(shí)，伸縮節(jié)的設(shè)計(jì)和施工較復(fù)雜，且止水盤(pán)根易老化。金屬波紋管伸縮節(jié)由于節(jié)約材料，且能在工廠批量化生產(chǎn)，但其一般用于壓力較小、管道較短工程中。

為保證高水頭倒虹吸鋼管的安全性，本文采用傳統(tǒng)的套筒式雙向作用的伸縮節(jié)，止水材料可選取性能較好的材料，如聚四氟乙烯石棉。

4、結(jié)語(yǔ)

本文倒虹吸重建工程由于其水頭高、管線距離長(zhǎng)，為減少征地費(fèi)用，基本可選用在原管線上重建。管線布置在溝左右岸時(shí)，隨自然地面起伏采用地面式布置形式；管線布置在溝底時(shí)，因受溝底公路和寬2m河床的影響，可采用架空式布置形式。設(shè)計(jì)時(shí)可選用管徑為800mm、壓力分級(jí)可為五級(jí)、管壁厚度在8～16mm之間；伸縮節(jié)可采用套筒式伸縮節(jié)，盤(pán)根填料采用聚四氟乙烯石棉；支墩間加勁環(huán)間距和位移計(jì)算宜采用有限元計(jì)算來(lái)確定。

參考文獻(xiàn)：

[1]河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段北拒馬河南治渠道倒虹吸防護(hù)工程專(zhuān)題設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2014.

[2]GB50707—2011，河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范[S].