倒虹吸工程設計分析與探討

黃生

【摘要】近年來，倒虹吸工程因其施工方便、節約勞動力等優點而被廣泛應用于山區和黃土高原地區的輸水工程中。倒虹吸是渠系建筑物中的一種交叉建筑物，當渠道與河流、谷地、道路、山溝以及其它渠道相交時，為連接渠道而設置的壓力管道。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，本文主要對倒虹吸工程設計進行分析探討。

【關鍵詞】倒虹吸；工程設計

1、前言

我國農田水利建設中，修建了大量的倒虹吸管，對建設旱澇保收、高產穩定農田及供應城市工業和生活用水都起到關鍵性的作用。進行工程設計時，從整個設計流程來說，需要保證計算的準確性和合理性，才可以使得工程設計產品達到最理想的效果。

2、工程概況

西北某倒虹吸工程設計管道長度達2500m，最大工作水頭達300m，管徑達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453.3hm2，不僅能有效改善農業缺水的局面，還可充分發揮灌區提高農業產量的作用。

3、倒虹吸工程設計

3.1工程布置分析

西北某倒虹吸工程布置時應考慮以下要點：①倒虹吸管徑大，管線長達2500m，占地面積大。為減少占用耕地，降低征地費用，選在原管線上重建。②倒虹吸管線總體布置應根據地形、地勢在管線軸向應為一直線，以減少管線長度，在豎向應為折線，局部做填挖處理。③倒虹吸管道在谷底要跨越現代河床和公路，現階段河床水流較小，寬約2m，河流縱向坡降為2%，管道布置應考慮河流的洪峰流量和公路車輛情況，原設計中采用支墩的跨越方式，歷經40年未發生過特殊情況，應繼續采用此跨越形式，并設計支墩基礎防沖刷。

通過分析當地地形，了解原工程的使用及管理情況，綜合考察各種因素，重建工程管道仍布置在原管線上，經過村莊，橫跨溝底公路，自溝右岸向左岸供水，倒虹吸跨越段呈不對稱V型，兩岸地形坡度25°～35°，局部較陡，可達45°。

3.2管材選擇

西北某倒虹吸工程具有計算水頭高、管線長的特點，其最大工作壓力可達3.0MPa，屬國內罕見。依據倒虹吸工程特點，管材可選用鋼管、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管三種，玻璃鋼夾砂管材的防腐蝕性能好，但抗內壓能力小，工作壓力一般為0.6～2.0MPa，對于地基易變形的區域，接口易發生開裂，外露時易老化。預應力鋼筒混凝土管材（PCCP）的管道抗滲性能好，且抗內壓、抗外壓能力強，工作壓力為0.4～2.0MPa，但管道重量大，施工技術要求高，施工復雜，防腐蝕性差。鋼管的抗高壓能力強，工作壓力大，加工制作相對方便，施工技術較為成熟。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，地質條件復雜多變，需穿越兩個村莊，施工安全技術要求高，通過管道內水質腐蝕性不強，管材的腐蝕問題并不突出，要求管材工作壓力達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管徑選擇與管內流速確定

西北某倒虹吸工程設計流量為0.5m3/s，加大流量為0.7m3/s，按《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》要求，重建工程取管內平均流速為1.8m/s，管道經濟直徑最小為0.48m，管道經濟直徑最大為0.94m，考慮預留一定發展流量，設計時管徑取0.8m，此時管內平均流速為0.994m/s，驗算加大流量0.7m3/s時管內平均流速1.392m/s，小于2.5m/s。因此取管徑0.8m，安全性符合要求，且經濟上合理。

3.4管道壓力分級

對于高水頭長距離倒虹吸壓力鋼管，由于其管線太長，若全部根據最大工作水頭設計鋼管壁厚，則對于大型工程來說并不經濟。為降低工程投資，應將鋼管管線分為不同的壓力級別，并據此計算不同分段的管壁厚度。本文鋼管倒虹吸壓力鋼管設計最大工作水頭達300m，最大壓強達3MPa，由于水壓太大，部分坡段較陡，考慮到安全因素，壓力分級間隔不宜過大，取為0.3MPa。設計該鋼管倒虹吸工程設計壓強分為五級，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管身段設計

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

3.5.1主管設計

本文工程最大工作水頭達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。由上管道壓力分級可得管身段管壁厚度由小到大分別為8、10、12、14、16mm。其對應管線長度依次為626.40、682.10、488.23、283.02、313.00m。

3.5.2伸縮節設計

伸縮節在大型倒虹吸工程中不僅可消除大部分溫度應力，且能適應少量不均勻沉降。伸縮節一般布置在鎮墩下側，以保證施工方便和傳力明確。壓力鋼管伸縮節傳統上采用盤根填料止水的套筒式伸縮節，該類伸縮節能很好地滿足鋼管的橫向伸縮變形，設計和施工技術成熟，但當工程存在較大豎向變形時，伸縮節的設計和施工較復雜，且止水盤根易老化。金屬波紋管伸縮節由于節約材料，且能在工廠批量化生產，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，本文采用傳統的套筒式雙向作用的伸縮節，止水材料可選取性能較好的材料，如聚四氟乙烯石棉。

4、結語

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

參考文獻：

[1]河北省水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段北拒馬河南治渠道倒虹吸防護工程專題設計報告[R].2014.

[2]GB50707—2011，河道整治設計規范[S].