倒虹吸管过流能力复核

倒虹吸管过流能力复核的任务是通过水力计算，确定在设计条件下的实际过流能力、进出口流态等。

（一）基本公式及计算任务

倒虹吸管的流量和允许的水头损失值在设计中已确定，因此，倒虹吸管过流能力复核的任务是计算管道的实际过流量、水头损失及进出口的水面衔接［17］。

倒虹吸管内的水流为压力管流，过流量Q（m3/s）可按压力管道公式计算

式中：μ为流量系数，与管内沿程摩擦损失及局部阻力损失有关；ω为过水断面面积，m2；g 为重力加速度，m/s2；z 为进出口水位差，即总水头损失，m；ζf 为沿程阻力系数；Σζj 为局部阻力系数之和；λ为沿程损失系数；L 为管道全长，m；D 为圆管内径，m；hf 为沿程水头损失，m；hj 为局部水头损失，m；v 为管内平均流速，m/s。

（二）水头损失计算

倒虹吸管在输水过程中，因克服阻力而消耗了能量，造成水头损失。倒虹吸管内水头损失的大小，将决定着进出口的水位差。

根据引起的原因不同，倒虹吸管的水头损失可分为两类：一类是沿程水头损失，以hf 表示；另一类是水流经过管道进出口断面变换处、闸槽、拦污栅、冲砂孔、弯道和管径变换处等的局部水头损失，以hj表示。两者之和，即为总水头损失z。

沿程水头损失与管道长度、直径大小和管内壁的糙率有关，可按式（4-127）计算。

式中：R 为断面水力半径，对于圆管，R = D/4，D 为水管的内径；C 为谢才系数，可由表4-31 中查取；n 为管内壁的糙率，由管道的材料及其表面的光洁程度决定；其他符号意义同上。

表4-31　谢才系数 C 值

续表

续表

n 值对于过流能力的影响很大。我国早期修建的钢筋混凝土倒虹吸管多采用n=0.017，随着施工工艺水平的提高，近年来一般多采用0.014；欧美一些国家钢筋混凝土管采用0.012～0.0145，用钢模板的采用0.0118～0.0125。

国内倒虹吸管的n 值一般可参考表4-32 采用。

表4-32　压力管糙率n 值

如管节短，接缝多，或管内壁光洁程度特差的，n 值可适当加大0.001～0.002。

局部水头损失按式（4-128）计算

式中：ζ进口为进口损失系数，与进口形状的圆滑顺畅程度有关，可由表4-33 采用，直井式倒虹吸管进口损失系数可采用1.0；缓坡式可作为没修圆的进口，采用0.5；ζ出口为管道水流流入明渠时的损失系数（见表4-34），直井式倒虹吸管出口损失系数可采用1.0，缓坡式出口的损失系数可采用0.5；ζ闸槽为平板闸门的门槽损失系数，约为0.05～0.2；ζ拦栅为拦污栅损失系数，可按式（4-129）计算：

式中：β为与栅条形状有关的系数，见表4-35；s 为栅条厚度［图4-41（a）］，m；b 为栅条间距，m；α为拦污栅与水平面的夹角［图4-41（b）］（°）；ζ弯道为弯道损失系数，与转弯角α、转弯半径R 及管的内径D［图4-42（b）］有关，可先由表3-36查得ζ90°，［图4-42（a）］，再由表4-37查得任意角弯道水头损失系数a，则ζ弯道=aζ90°，直井式弯道损失系数即为ζ90°，缓坡式因弯折度甚小，弯折系数可忽略；ζ旁为冲沙、放空、进人等旁通管的损失系数，一般采用0.1；ζ扩大为渐扩管（图4-43）的损失系数可按表4 - 38 采用；ζ缩小为渐缩管的损失系数，可按表4-39 采用。

表4-33　进口损失系数ζ进口

表4-34　管道出口流入明渠道损失系数ζ出口

图4-41　拦污栅水头损失计算图

图4-42　弯道损失系数计算图

图4-43　渐扩管损失系数计算图

式（4-128）中的流速v 在进出口和管道内各不相同，在不同部位应采用各处相应的值。但由于局部水头损失在总水头损失中所占比例很小，除大型管道外，对计算影响不大，为简化计算，常采用管内平均流速v 代替不同部位的流速值。

表4-35　拦污栅栅条形状系数β

表4-36　直角弯道损失系数ζ90°

表4-37　任意角弯道损失修正系数a

表4-38　渐扩管损失系数ζ扩大

表4-39　渐缩管损失系数ζ缩小

总水头损失z 仍采用式（4-126）计算。

当管内流速超过2.5m/s时，应考虑管道出口水面回升值：/2g（m），若复核中忽略此值，则计算水头损失值将偏大。此时的总水头损失z（m）应为

渠道进口行近流速水头甚小，除大型工程外，一般忽略不计。

倒虹吸管的局部水头损失占沿程水头损失的百分比，随管道长度而变化，一般为5%～20%。(www.xing528.com)

（三）管内流速度复核

1.管内最小流速

因为在平原河网化地区，倒虹吸管最低部分常年为河水所淹没，无法设置冲沙孔进行水力排沙。一般都在枯水季节用人力从管内把淤积物清理出来，需花劳力甚多。所以要求管内最小流速应大于不淤流速，以减少管内淤积。山丘区的倒虹吸管一般都能设置冲沙孔，每年可放淤1～2次，故管内流速可不受不淤流速的限制。不淤流速根据各地土壤中泥沙粒径大小和含量的不同而异，可按挟沙流速（v）公式（4-131）确定

式中：v0 为泥沙沉降速度，cm/s；ρ为挟沙水流中含沙量（以重量比计）；Q 为管内通过流量，m3/s；d75 为挟沙的粒径，mm，小于该粒径的沙占75%，由渠道泥沙级配曲线查得。

2.管内最大流速

平原河网化地区，管内流速也不宜过大，以免增加水头损失，从而减少自流灌溉面积及增加管道出口消能防冲设施的工程量，管内适宜流速为1.2～2.5m/s。

在山丘区，对水头比较丰裕的长倒虹吸管，当加大管内流速并不影响自流灌溉面积，出口防冲设施工程量增加也不多时，可充分利用水头，减小管道过水断面，以节约管道工程量，管内流速可不受此限制。

对于由两个以上的管子组成的大流量倒虹吸管，其优点是可部分管道检修，其余部分管道过水；且当部分管道过较小流量时，仍能保持较大的流速，减少“剩余水头”。如双管倒虹吸管，在用单管过1/2 流量时，则管中流速和总水头损失与原设计基本相同，管道进口可保持足够的淹没深度，避免在管内形成水跃或产生不利的流态。

（四）进出口渐变段长度复核

为了使进入或流出倒虹吸管的水流平顺，减少水头损失，在倒虹吸管与渠道连接处常设置渐变段。其长度L0 按经验公式（4-132）确定。其中第二式适用于中小型倒虹吸管

式中：C 为系数，进口取1.5～2.5，出口取2.5～3.5；这是由于出口段水流扩散角不宜过大，以免水流脱离边界，故出口段的C值取大些；B0 为渠道水面宽度，m；b 为渐变段缩窄端水面宽度，不小于水管直径加两倍管壁厚度，m；H0 为渠道水深，m；C'为取4～6 的系数，一般进口取小值，出口取大值。

（五）进口沉砂池断面尺寸复核

渠道水流含沙量较大时，倒虹吸管进口应设置沉沙池，以扩大断面，减缓流速，使沙砾沉淀。一般中小型倒虹吸管矩形沉沙池（图4-44）的池中水深H1 应满足下式要求

图4-44　倒虹吸进口矩形沉沙池

式中：H 为进口渠道水深，m；T1 为沉沙池深度，m，一般取T1=（1/3～1/4）H，含沙量较大的渠道按式（4-134）计算

式中：D 为管道内直径，cm；δ为管壁厚度，cm。

沉沙池宽度B1 可按下式计算

式中：Q 为渠道设计流量，m3/s；v1 为沉沙池内平均流速，m/s。

当沉沙粒径在0.25～0.4mm 时，可取池内平均流速v1 =0.25～0.5m/s；当粒径大于0.7mm时，取v1=0.6～0.7m/s。

根据实验，沉沙池的水平长度L1（图4-44）与泥沙粒径d0、池内水深H1、池内平均流速v1 和泥沙沉降速度v0 有关，可按下式计算

式中：K 为安全系数，一般取1.2～1.5；v0 为泥沙沉降速度，cm/s，与泥沙的粒径、水温及水的动力粘滞系数有关，可由表4-40 查用。

表4-40　泥沙沉降速度

注　v0 的单位为cm/s；d0 的单位为mm。

对花岗岩地区含沙量特大的渠道，沉沙池尺寸宜在上述公式计算成果的基础上，留更多的富裕。

对泥沙较少的渠道，沉沙池深仍按式（4-134）确定，池长L1 及池宽B1 可由经验公式（4-137）确定

式中：B、H 分别为渠道的底宽及水深。

（六）出口消力池尺寸的复核

一般中小型倒虹吸管出口消力池，池长L2 及池深T2 可按经验公式（4-138）估算

消力池后的护底长度一般采用3～5m。

（七）通过小流量时进口水跃的处理

倒虹吸管出口水面高程是根据通过设计流量时的上下游水位差zs 决定的。当上下游渠道断面相同时，进出口渠底高差及通过小流量时上下游渠水位差也为zs。但通过小流量时，管内流速较正常流量时小，即vx＜vs，而zx=（ζf+Σζj）/2g，对于较短倒虹吸管，zs 值不大，可能zs ≈zx，对较长倒虹吸管，则zx 必小于zs，即小于进出口渠底的高差。此时，管道进口水位必低于进口渠底高程，产生“剩余水头”zs -zx（图4-45），渠道水流进入管道就发生跌落，在管内产生水跃。由于水跃的脉动及掺气，将引起管身震动，有可能使伸缩接头的止水材料破坏，影响管道的正常运行。

图4-45　倒虹吸管水力计算

水头损失值随着流量的减少而急剧变小，当通过小流量时，进出口渠底高差zs 远大于水头损失值，因此管道进口不能淹没，管口裸露，水以急流状态进入管道，形成水跃，这种有掺气的水流现象，流态极不稳定。水工模型试验，也验证了这一现象。

为消除水跃，应将进水口顶缘布置在管道通过小流量时进口计算水位以下，并保持一定的淹没深度，以防止急流冲击管口并带入空气，破坏进管水流流态。为此，可根据zs-zx 值的大小，采取以下工程措施。

（1）当zs-zx 不大，进口计算水位在上游渠底高程附近时，进口段底板布置成斜坡式（图4-46）。

图4-46　倒虹吸进口水面衔接

（2）当zs - zx 较大，但进口计算水位低于上游渠底高程不太大时，进口段底板布置成消力池形式，池底高程及池长按淹没式水跃计算决定。

（3）当zs - zx 很大，进口计算水位远低于上游渠底高程时，可将进口段布置成消力井形式（图4-47）。井底应低于进水口下缘一定的深度，使消力井有良好的消能效果。消力井断面有矩形和圆形两种，两者消能率相差不大，但圆形消力井流态较好。对于重要工程，消力井的布置尺寸应通过水工模型试验决定。如因地形条件布置消力井有困难或不经济时，可考虑出口设闸方案。即在管道出口处插入叠梁式闸板，壅高管道进口水位，减小进口水面跌落，避免产生水跃及震动，但此法要在出口处操作，较麻烦。

图4-47　倒虹吸进口矩形消力池纵剖面图

（4）如倒虹吸管较短，流量变化不大，或流量甚小，上下游水位差变幅不大，亦可不加处理。

（八）进口挡水墙顶部高程

通过加大流量时，挡水墙顶对进口壅水位应有一定的超高△h。进口加大流量的水位计算，应先按加大流量计算管道沿程水头损失、局部水头损失及相应的进出口水位差Δz，进口壅水位即等于出口加大流量的水位与Δz 之和。应使进口段挡水墙顶部及渠堤顶部在加大流量的壅水位以上有足够的安全超高。