倒虹吸管工程设计的水力计算

杨红鹰

( 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

倒虹吸管工程规划设计主要包括选址、工程测量、工程地质和水文地质勘探，在方案确定后内业工作主要是进行总体布置、水力计算、结构计算及其工程概预算工作，本文简述其水力计算要点。

1 前期条件与计算任务

倒虹吸管的水力计算是根据已定的渠道流量、流速、进口渠底高程，在水头损失允许范围内选定合理的管径，并进行出口水面衔接计算等。

2 流速和管径的确定

倒虹吸管内的流速，应根据技术经济比较和管内不淤条件选定。当通过设计流量时，管内流速通常为1.5 ～3.0m/s，最大可达4m/s。最大流速一般按允许水头损失控制，最小流速一般按流速应大于挟沙流速来确定。

2.1 有压管流挟沙流速计算

式中:vnp为挟沙流速，m/s;ω 为泥沙沉降速度，m/s;Q 为管内通过的流量，m3/s;d75为挟沙粒径，在泥沙级配曲线中小于该粒径的沙重占75%。

2.2 倒虹吸管管径的计算

可根据下式计算:

式中:D 为管径，m;Q 为流量，m3/s;v 为流速，m/s，( v ＞vnp) 。

3 倒虹吸管输水能力计算

倒虹吸管的输水能力按压力流计算，其计算式为:

式中:Q 为流量，m3/s;A 为倒虹吸管的断面积，m2; z 为上、下游水位差，m;μ 为流量系数。

流量系数μ 按下式计算:

式中:ξ0为出口损失系数，其取值参考相关“水力学”;∑ξ 为局部损失系数总和，包括拦污栅( ξ1) 、( ξ2) 、进口( ξ3) 、弯道( ξ4) 、渐变段( ξ5) 等损失系数，可参考“水力学”有关公式计算;为沿程摩阻损失系数，λ 为能量损失系数l为管长，m，D 为管径，m，C 为谢才系数。

4 倒虹吸管的水头损失及下游渠底高程的确定

1) 水头损失计算。倒虹吸管总的水头损失按下式计算

式中:各符号代表意义同式(4) 。

2) 下游渠底高程的确定。根据在设计流量条件下的总水头损失，再按下式确定下游渠底高程

式中:Hd为下游渠底高程，m;Hu为上游渠底高程，m;hu为上游渠道水深，m;hd为下游渠道水深，m;hω为总水头损失，m。

根据上式确定下游渠底高程后，尚应校核回大流量时上游的拥水高度，以验算上游渠堤及胸墙的超高。

5 进出口水面衔接计算

根据设计流量确定管径及进出口渠底高程，尚应验算管道通过中小流量时进口段的水面衔接情况。若中小流量时上下游渠道水位差Z 值大于管道的总水头损失Zmin时，进口水面可能在管内出现水面跌落而产生水跃衔接，引起脉动掺气，影响倒虹吸管的安全运用( 图1) 。

图1 计算简图

为了避免在管内产生水跃衔接，可根据倒虹吸管的总水头损失的大小，采用各种不同的进出口结构形式。

［1］河海大学. 水工设计手册( 第八卷) : 灌区建筑物［M］. 北京:水利电力出版社，1984.

［2］余际可，魏璟，罗尚生，等. 倒虹吸管［M］. 北京: 水利电力出版社，1983.