第六节 渠系建筑物-倒虹吸管

倒虹吸管是设置在渠道与河流、山沟、谷地、道路等相交处的压力输水建筑物。它与渡槽相比，具有造价低、施工方便的优点，但水头损失较大，运行管理不如渡槽方便。

一、倒虹吸管的布置和构造

（一）管路布置

根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管的布置形式可分为以下几种：

●竖井式：多用于压力水头较小穿越道路的倒虹吸。这种形式构造简单、管路短。进出口一般用砖石或混凝土砌筑成竖井。竖井断面为矩形或圆形，其尺寸稍大于管身，底部设0.5m深的集沙坑，以沉积泥沙，并便于清淤及检修管路时排水。管身断面一般为矩形、圆形或其它形式。竖井式水力条件差，施工比较容易，一般用于工程规模较小的倒虹吸管。

●斜管式：多用于压力水头较小，穿越渠道、河流的情况。斜管式倒虹吸管构造简单，施工方便，水力条件好，实际工程中常被采用。

●曲线式：当岸坡较缓时，为减少施工开挖量，管道可随地面坡度铺设成曲线形。管身常为圆形的混凝土管或钢筋混凝土管，可现浇也可预制安装。管身一般设置管座。在管道转弯处应设置镇墩，并将圆管接头包在镇墩内。为了防止湿度引起的不利影响，减小温度应力，管身常埋于地下，为减小工程量，埋置不宜过深。

●桥式倒虹吸管：当渠道通过较深的复式断面或窄深河谷时，为降低管道承受的压力水头，减小水头损失，缩短管身长度，便于施工，可在深槽部位建桥，管道铺设在桥面上或支承在桥墩等支承结构上。桥下应有足够的净空高度，以满足泄洪要求。在通航河道上应满足通航要求。

（二）进出口布置

1．进口段的形式和布置

进口段包括进水口、拦污栅、闸门、启闭台、进口渐变段及沉沙池等。进口段的结构型式，应保证通过不同流量时管道进口处于淹没状态，以防止水流在进口段发生跌落、产生水跃而使管身引起振动。进口具有平顺的轮廓，以减小水头损失，并应满足稳定、防冲和防渗等要求。

2．出口段的形式和布置

出口段包括出水口、闸门、消力池、渐变段等。其布置形式与进口段相似。为使出口与下游渠道平顺连接，一般设渐变段，其长度常用用4～6倍的渠道设计水深。同时渐变段下游3～5m长度内的渠道还应护砌，以防止水流对下游渠道冲刷。渐娈段的底部常设消力池。消力池长度一般为渠道设计水深的5～6倍。消力池深度可按下式估算：T≥0.5D+δ＋30    ㎝    

3．管身及镇墩的形式与构造

●管身：倒吸管的材料应根据压力大小及流量的多少、就地取材、施工方便、经久耐用等原则综合分析选择。常用的材料主要有混凝土、钢筋混凝土、铸铁和钢材等。

为防止温度、冰冻、耕作等不利因素影响，管道应埋设在耕作层以下；在冰冻区，管顶应布置在冰冻层以下；在穿越河道时，管顶应布置在冲刷线以下0.5m；穿越公路时，为改善管身的受力条件，管顶应埋设在路面以下1.0m左右。

为了防止管道因地基不均匀沉陷及温度过低产生较大的纵向应力，使管身发生横向裂缝，管身应设置伸缩缝，缝内设止水。缝的间距应根据地基、管材、施工、气温等条件确定。伸缩缝的型式主要有平接、套接、企口接以及预制管的承插式接头等。缝的宽度一般为1～2㎝，缝中堵塞沥青麻绒、沥青麻绳、柏油杉板或胶泥等。

●镇墩。在倒吸管的变坡及转弯处都应设置镇墩，其主要作用是连接和固定管道。在斜坡段若坡度陡，长度大，为防止管身下滑，保证管身稳定，也应在斜坡段设置镇墩，其设置个数视地形、地质条件而定。镇墩的材料主要为砌石、混凝土或钢筋混凝土。砌石镇墩多用于小型倒虹吸工程。在岩基上的镇墩，可加锚杆与岩基连结，以增加管身的稳定性。

镇墩承受管身传来的荷载及水流产生的荷载，以及填土压力、自身重力等，为了保持稳定，镇墩一般是重力式的。

镇墩与管盖的连接形式有两种：刚性连接和柔性连接。

二、倒虹吸管的水力计算

倒虹吸管的水力计算，主要是根据渠道规划所确定的上游渠底高程、水位、通过的流量和允许的水头损失，通过水力计算确定倒虹吸管的断面尺寸，水头损失值及进出口的水面衔接。

实际工作中，渠道在规划时已确定渠道断面形式和上游渠底高程、倒虹吸管通过的流量和允许水头损失值。因此，倒虹吸管的水力计算内容有下列几种情况：

●根据需要通过的流量和允许的水头损失，确定管道的断面形式和尺寸。

●根据允许的水头损失和初步拟定的断面尺寸，校核能否通过规定的流量。

●根据需要通过的流量及拟定的管内流速，校核水头损失是否超过允许值。

三、倒虹吸管管身结构计算

（一）管壁厚度的拟定

管身结构设计步骤一般是根据管径和压力水头的大小，初步拟定管壁厚度，确定各作用荷载，然后进行横向和纵向内力计算，校核管壁厚度，进行横向和纵向内力计算，校核工业管壁厚度，进行配筋计算和抗裂验算。

（二）作用荷载及荷载组合

管身结构设计时，一般根据荷载大小分为若干段进行计算。对于中小型倒虹吸管，如斜管段不长，内水压力等荷载的变化范围不大时可不分段，而按受力最大的水平段计算，作为确定整个管道构造的依据。

 埋在河槽部分的管道，可能出现如下荷载组合：①河道枯水时期管内正常输水，作用荷载有管的自重、土压力、内水压力及管内外温差等；②河道洪水期管内无水，作用荷载有管的自重、土压力、外水压力及管内外温差等；③管内正常输水，管外无水也无填土，作用荷载有管的自重、内水压力及管内外温差等。交通道路下的管段，应根据具体情况决定何种荷载组合中加地面荷载。

（三）管身结构计算

 管身结构计算包括横向和纵向计算。

●横向计算：身横向在各荷载单独作用下的内力（弯矩M和轴力N）可参照有关书籍所列图表，根据倒虹吸管的安装方式等具体情况直接查出。然后根据荷载组合情况将查得数值组合叠加，即可求得截面的内力值。

●纵向计算：身纵向结构计算比较复杂。对于中小型倒虹吸管往往不作纵向计算，一般在构造上采取适当措施来减小纵向应力，如在一定长度内设置伸缩缝和柔性接头，对地基进行处理以不均匀沉陷，适当选择施工季节或在刚性座垫与管身之间涂柏油或铺油毛毡(管段两端约三分之一长度内)等。