倒虹吸管布置构造与结构计算PPT课件

4．倒虹吸管4．1倒虹吸管的布置4．2倒虹吸管的水力计算4．3倒虹吸管的结构计算4.1倒虹吸管的布置和构造倒虹吸管是渠道与河流、谷地、道路冲沟及其他渠道相交时，为连接渠道而设置的压力输水管道，是交叉建筑物之一。(1)当渠道通过山谷、溪流，因谷道深邃难以修建渡槽，或需高填方、或用水部门对水头不严格。(2)当渠道与河流或道路相交，且渠道水位与河水位或路面接近同一标高，不能采用渡槽、涵洞等倒虹吸管与渡槽相比，具有工程量少、施工方便、节约劳力及材料、造价低等优点；其缺点是水头损失大，维修管理不便。4.1.1倒虹吸管管路布置倒虹吸管的管路布置需要结合地形、地质、施工、流量大小、水头高低、交通以及洪水影响等因素通过分析比较选定。一般应满足如下：（1）管路与通过的水道、沟谷或道路应尽量成正交、管身及进、出口轴线在平面上的投影应布置成直线，以缩短管长。进、出口应与上、下游渠道平顺连接。（2）管身及进、出口宜布置在稳定地段，应避免通过可能产生滑坡、崩塌及其他地质条件不良的地段。地形不应过陡，以便于施工。（3）尽可能将进出口布置在挖方渠段，尽量避免建于高填方上，确实难以避免时，应慎重采取夯实加固和防渗排水措施。（4）为减少开挖工程量，管路一般沿地面坡度敷设（露天或浅埋），但管坡不宜过陡，使管身及镇墩易于维持稳定，并便于施工。同时，应避免转弯（变坡）过多，以减少水头损失和镇墩数目。根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管可采用下列几种布置型式：（1）斜管式和竖井式。对于高差不大的小虹吸管，管身常布置成斜管式和竖井式两种。斜管式采用较多。竖井式多用于穿过道路且管内流量不大、压力水头较小（H<3～5m）的情况，井底常设0.5～0.8m深的集沙坑，以便清除泥沙及检修水平段时作排水之用。竖井式水流不顺畅，但便于施工。斜管式倒虹吸管布置形式竖井式倒虹吸管布置形式（2）地埋式（露天或浅埋）。对于高差大的倒虹吸管，管道常随自然起伏的地形露天或浅埋于地面之下。露天敷设的优点是开挖工程量小、便于检修，但在气温影响下，内外壁将产生较大的温差，易引起纵向裂缝而漏水。故除温差较小地区的小型倒虹吸管可考虑露天布置外，多数倒虹吸管均浅埋于地面以下。图4-2沿地面露天敷设及浅埋的倒虹吸管（3）桥式。当管道跨过河道或深的沟谷时，为降低管中段的压力水头，缩短管长和减少管道水头损失，可在深槽部分建桥或斜拉结构，而将这段管道布置成架空式，即桥式，其余两岸部分仍沿地面敷设。桥式倒虹吸管的桥下净空和桥面必要时应满足行洪、通航和车辆通行的要求。图4-3桥式倒虹吸管4.1.2进、出口布置倒虹吸管进出口布置应满足水力条件良好、运用可靠以及稳定、防渗、防冲、防淤等要求。1.进口段布置进口段包括进水口、闸门、启闭台、拦污栅、通气管及渐变段，对于1～3级倒虹吸管，进口前的渠道一侧应设泄洪闸（或溢流堰）。多泥沙渠道，尚应设沉沙及冲沙设施。（1）渐变段与进水口。倒虹吸管进口前一般均设置渐变段与渠道连接，其长度可取上游渠道设计水深的3～5倍。进水口形式应满足管道通过不同流量时，渠道水位与管道入口处水位的良好衔接。进口轮廓应使水流平顺，以减少水头损失。对于小型倒虹吸管进口，为便于施工，可不做成喇叭形，也不设弯道，而将管身直接插入挡水墙[图4-4(c)，这种形式水流条件较差。为改善水流条件，可将管身直接插入挡水墙内0.5～1.0m与喇叭口连接[图4-4(d)]，这样不仅构造简单，施工方便，水头损失也小。图4-4进水口形式图4-5进出口布置图（a）进口布置图；（b）出口布置图（2）闸门与拦污栅。进口段一般应设闸门，以便进行管道清淤和检修。不设闸门的小倒虹吸管，可在进口侧墙上留门槽，需要时用插板挡水。为拦挡漂浮物及保障人畜安全，进口前一般应设置拦污栅。图4-6沉沙池及冲沙闸布置图（高程单位：m，尺寸单位：cm）（3）沉沙及冲沙设施。从多泥沙河流取水，应在渠首及渠首后的适当位置采取措施减除不能为渠道水流携带的泥沙。对于高含沙引水渠道上的倒虹吸管，应使管中水流具有与渠水含沙量相应的输沙能力，以便将渠水中所含泥沙送过倒虹吸管并防止管道淤塞。对于含沙量大的渠道，最好采用水力冲淤，即在沉沙池末端的侧面设退水冲水闸，当池内泥沙沉积到一定厚度时，关闭倒虹吸管并开启冲水闸将淤沙冲走。沉沙池的长度、宽度和深度应根据渠水的泥沙含量、颗粒大小、水流速度和一定期间内的可能淤积量而定。缺乏这些资料时可按一般经验尺寸决定。水平段长度（4-1）宽度（4-2）沉沙池低于渠底的深度（4-3）式中：h、b分别为渠道的水深与底宽，m；D为管内径，cm；为管壁厚度，cm。大断面低水头管道也可不设沉沙池，可定期停水直接进管清淤。2.出口段布置倒虹吸管出口段的布置形式和进口段基本相同。出口段常设置消力池（可结合渐变段布置），用以调整出口水流的流速分布，池长一般为渠道设计水深的3~4倍，低于下游渠底的池深（cm）可按经验公式估算，即小型倒虹吸管，流速不大时也可不做消力池，仅用1:2~1:4斜坡和八字墙渐变段与下游渠道衔接即可。消力池后的下游渠道应护砌3~5m。4.1.3管身及镇墩的形式和构造1.管身的形式和构造管身的断面形式有圆形、箱形及拱形。圆形管因水力条件、受力条件和施工安装等方面均较优越，故应用最广。对于低水头、大流量倒虹吸管，可采用单孔或多孔箱形管。预应力钢筋混凝土管具有较高的抗裂性和抗渗性，能承高压、省钢材、造价低且寿命长，并能在工厂成批生产，故发展较快。为适应地基不均匀沉降而引起的弯曲变形和由于温度降低和混凝土凝固而引起的纵向收缩变形，管道应设置永久性伸缩缝，缝间设止水。缝的间距，土基上宜取15~20m；岩基上可取10~15m。露天管取小值，完工时及时填土的埋置管可取大值。对于预制安装的管道，每节之间一般均采用柔性接头，分段长度即为管节长度。设于刚性管座或坚实地基上的预制管，可采用刚性接头，但每隔一定长度仍需设一柔性接头。伸缩缝及预制管的柔性接头的构造形式一般采用套管式[图4-7(a)]、平接式[图4-7(b)]。图4-7管的接缝止水构造(单位：cm)1—套管；2一沥青油毡；3一沥青油麻，4一外环筋；5一纵筋；6一内环筋；7一金属止水片；8—沥青杉板；9一防腐软木圈；10一固定钢筋；11一塑料止水带；2．镇墩的形式和构造在管道变坡和转弯的地方应设置镇墩，其作用是连接和固定两端的管道。镇墩主要承受斜管段传来的荷载和转弯段水流所产生的力。镇墩间距根据地形及地质条件而定，地形陡峻而地质条件良好的斜坡段一般为20～30m，如地质条件不好，间距还应减小。镇墩材料可用浆砌石或混凝土。镇墩有开敞式与封闭式两种。开敞式管道不被镇墩包围，多用于固定薄壁管(主要是钢管)。封闭式按镇墩与管的连接又分为刚性和柔性两种形式。刚性连接是将管端与镇墩浇筑成整体，刚性连接适用于斜管坡度大且地基为岩基或承载能力大的土基。柔性连接是用伸缩缝将管端与镇墩分开，这种连接形式施工复杂，但适应不均匀沉降及管身伸缩变形的能力较好。图4-8镇墩与管端的连接(a)刚性连接；(b)柔性连接4.2倒虹吸管水力计算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，在水头损失许可范围内选定合理的管径，并进行出口渠底高程和进出口水面衔接计算等。4.2.1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，最小流速按通过最小流量时管内流速应大于挟沙流速来确定。（1）有压管流挟沙流速可按下式计算（4-5）式中—挟沙流速（m/s）；—泥沙沉降速度（m/s）；—挟沙水流中含沙量（重量比）；—管内通过的流量（m3/s）；—挟沙粒径，在泥沙级配曲线中小于该粒径的沙重占75%。(2)倒虹吸管管径根据选定的流速按下式计算确定（4-6）式中—管径（m）；—流量（m3/s）；—流速（m/s）（）。4.2.2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，其计算公式为（4-7）式中—流量（m3/s）；—倒虹吸管的断面积（m2）；—上、下游水位差（m）；—流量系数。4.2.3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-出口损失系数；-局部损失系数总和；-沿程摩擦损失系数；(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（4-10）式中—下游渠底高程（m）；—上游渠底高程（m）；—上游渠道水深（m）；—下游渠道水深（m）；—总水头损失（m）。根据上式确定下游渠底高程后，尚应校核加大流量时上游的壅水高度，以验算上游渠堤及胸墙的超高。4.3倒虹吸管结构计算1.荷载作用于倒虹吸管上的荷载有：管身自重、管内水重、土压力(铅直土压力和水平土压力)，内水压力、外水压力、管道弯曲段水流离心力、地面荷载、地基支承反力、由于温度变化和混凝土干缩引起的内力以及地震荷载等。4.3.1作用于管身的荷载及其组合温度应力应根据管道敷设方法不同而区别对待。外露式钢筋混凝土倒虹吸管，由于管内外温差较大(最大可达20℃～30℃)，产生拉应力较大，设计时应作为主要荷载。收缩应力系混凝土在固结时发生收缩、但受到钢筋阻止而在混凝土内产生的一种初始拉应力，对于钢筋则产生一种初始压应力。地基支承反力随管道支承方式及地基条件不同，可采用不同的方法进行计算。地基支承反力的合力等于外荷载的总和。地震力作为特殊荷载，在倒虹吸管计算中一般可不考虑。对7度以上地震区的大型倒虹吸管，可按水工建筑物抗震设计规范进行计算。下面着重介绍土压力的计算。作用在单位长度埋管上的垂直土压力标准值可按下式计算(4-11)式中：——埋管垂直土压力标准值（kN/m）；——管顶以上填土高度（m）；——埋管外直径（m）；——埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，可根据地基类别按图4-10查取。图4-10埋管垂直土压力系数1—岩基；2—密实砂类土，坚硬或硬塑粘性土；3—中密砂类土；可坦粘性土；4—松散砂类土，流塑或软塑粘性土作用在单位长度埋管的侧向土压力标准值可按下式计算（4-12）式中：——埋管侧向土压力标准值（kN/m）；——埋管中心线以上填土高度（m）；——埋管凸出地基的高度（m）；——侧向土压力系数，；——填土内摩擦角。图4-11埋管侧向土压力作用土压力除计算铅直土压力及水平土压力外，尚应计算管顶水平线以下至管腹间的回填土重量2．荷载组合荷载组合应根据工程布置型式及运用期间可能出现的最不利的情况，进行全面考虑。(1)埋于河底的倒虹吸管，在河道枯水期或断流时的荷载组合为：管身自重、管内水重、土压力，最大内水压力、外水压力、管内外温差产生的应力(可忽略不计)和地基反力等。当河道出现洪水而管内无水时的荷载组合为：管身自重、土压力、外水压力、内外温差应力(可忽略不计)和地基反力等。(2)外露式、桥式倒虹吸管，其荷载组合为：管身自重、管内水重，内水压力，管道内外温差应力及地基反力等。4.3.2倒虹吸管结构计算1．钢筋混凝土管其应力分析属于弹性理论空间问题，但由于计算复杂，横向通常按封闭环形结构计算，而纵向按空心断面弹性地基梁计算。2．预应力钢筋混凝土管一般都做成一定长度的管节，当管芯纵向预压应力不低于2MPa，且接头采用柔性橡皮止水时，仅需进行横向计算。3．钢管管壁的应力用三向强度理论平面应力重叠法计算。4．其他各种预制管一般是按照设计要求，选用厂家生产的各种定型产品而不单独进行结构计算。4.3.3作用于镇墩上的荷载直接作用于镇墩上的荷载有：镇墩自重、水管在转弯段由内水压力引起的轴向力、管道弯曲段水流离心力及水重、土压力等。由管道传给镇墩上的荷载有：管道自重、管内水重、管道上填土压力、管道摩擦力、河道水面以下管道浮力、水流对管壁的摩擦力以及因温度影响而产生的轴向力等。当管道分段设置伸缩沉陷缝时，水流对管壁的摩擦力及因温度变化而产生的轴向力，可以忽略不计。上述各项荷载并不同时存在，应根据具体布置型式和运用情况进行不同的组合。4.3.4镇墩的结构计算镇墩为重力式结构，靠自重维持其稳定。对于结构计算，主要应验算基础承载力和验算抗滑、抗倾覆的稳定性。镇墩底面一般是做成水平的，为了改善基础应力，有时可做成倾斜的(特别是岩基上的凸向上方的镇墩)，使作用力合力方向与基础底面接近正交，这样不仅可使基础应力均匀，且可增强抗滑、抗倾覆的稳定性。此外也可将基底作成齿形，以改善稳定情况。镇墩除验算基础应力外，对墩身亦应选择危险断面验算其最大及最小应力。在墩内弯管段需配置与直管段数量相等或稍少的钢筋，以防由于内水压力及温度应力而产生裂缝。