10.3 水力设计

    倒虹吸管水力设计和计算的内容包括：根据工程具体情况和设计条件，通过匚程总体布置和管道的布置，初步拟定管道及其进、出口的布置形式和结构形式，选择适宜的流速和经济过水断面，按压力流公式计算管道的实际水头损失及进、出口的水面衔接。

    当倒虹吸管通过最小流量时进、出口管道没有充分淹没、管内流速和总水头损失不符合设计条件或出口需要消能等情况时，应调整布置，并重新计算管道横断面尺寸。

10.3.2  倒虹吸管管内平均流速一般根据允许的水头损失和管内不淤流速值来选取。水头损失与流速的平方成正比，流速越大，水头损失越大，因此流速的选择对于倒虹吸管，特别对F平原地区水头宝贵的渠道上的倒虹吸管尤为重要。从已建和在建工程的统计，倒虹吸管设计流量工况下的平均流速多在1.5m/s～2.5m/s范围以内。个别工程为了减少过水断面和工程量，也可适当增加管道平均流速，如南水北调穿越黄河的孤柏咀倒虹吸管工程，通过设计流量440m³/s时，选择了双排D＝8.2m的倒虹吸管，其平均流速达4.16m/s。已建和在建倒虹吸管的平均流速见表12。

    为了防止泥沙在倒虹吸管内淤积，管道的最小流速应大于按附录L.1公式计算的有压管流挟沙流速V_np 。如V平＜V_np，则应缩小管径、增加管道数或加大上下游水面高差。

10.3.3  关于水头损失计算说明如下：

（1）根据工程具体情况，倒虹吸管的总体布置不同时，其水头损失和水面降落计算也因具体布置而各不相同。

    如图L.1.2-1、图L.1.2-2所示，一般渠道与倒虹吸进水口之间设一渐变段，平顺连接。水流过渐变段时，由于断面和流速的变化，会产生某一水面落差该水面落差△Z1。该水面落差△Z1可按附录L第L.1.2条的公式进行计算。

    水流由进口渐变段末端断面进入进水口，截至出口，由于管道的沿程损失和各个局部阻力的影响，会造成水头损失△Z₂。该水头损失△Z₂可按附录L.1.4公式进行计算。

    倒虹吸管管道出口与下游渠道之间通常也设渐变段平缓连接。由于能量的转化，将产生某些水面恢复△Z₃。该水面恢复值△Z3可按附录L第L.1.3条的公式进行计算。

    （2）倒虹吸管的局部阻力损失系数：对于圆形管道按附录L.1选取。对于矩形压力管的局部阻力损失系数，目前研究尚不充分，一般也仿照圆形管的局部阻力损失系数来选取。鉴于南水北调采用矩形断面的倒虹吸管较多，长江科学院选择西赵河渠道倒虹吸管（总长277m，管道由8根5.8m×5.8m的方管组成，最大过流量为800m³/s，其布置图见图6）和堰子河段的河道倒虹吸管（总长298m，管道由6根5m×5m的方管组成，百年一遇洪水流量达655m³/s）分别进行了专门的水工模型试验，获得管道局部和沿程损失系数，见表13，可供类似工程参考。

    倒虹吸管的进、出口渐变段均采用扭曲面形式与渠道相接。渐变段的水头损失系数分别为：ξ₁＝0.10，ξ₄＝0.30。

    （3）压力管道边壁的糙率n值与管道材料及其表面的光洁程度有关。鉴于n值的选用对管道断面的大小及工程造价影响很大，故应慎重选取。对于焊接钢管：n＝0.011～0.0125，正常值为0.012；对于铆接钢管：n＝0.0125～0.015，正常值为0.0135；对于钢筋混凝土管，我国早期用n＝0.016～0.017，随着施工工艺水平的提高，现在多用n＝0.014～0.015。

    工程实际运行情况：

    （1）钢筋混凝土管的n值：

    湖南新安铺倒虹吸管，设计流量Q＝7.5m³/s，管径2m，全长4368.08m，最大工作水头140m，采用一阶段预应力钢筋混凝土管，设计糙率系数n＝0.015。运行19年后，于1998年进行了原型观测。施放Q＝3.67m³/s、ν＝1.16m/s时，实测水头损失4.03m，推算得n＝0.0164，实测n值大于设计n值。究其原因，是由于在磨损和侵蚀的双重作用下，孔壁出现了许多的空穴和凹凸不平的麻面所致。

    引滦入津尔王庄泵站至市区宜兴埠泵站全长26km，2孔3.35m×3.35m方涵，用钢模板浇筑。1996年，在匚程运行13年后进行了原型试验，6组流量下实测的n＝0.0116～0.0107，平均n＝0.0113。

    引滦入津明流隧洞，长12km，断面为城门洞型，净宽5.7m。设计流量60m³/s，洞壁采用钢筋混凝土衬砌，设计糙率系数n＝0.015，1983年通水。钢模板接缝处凹凸不平，平均高差4.3mm。电力部昆明勘测设计院和天津市引滦隧洞管理处合作于1985年和1996年做了两次原型观测。流量范围为22.3m³/s～62.36m³/s，7个流量、5个区段的糙率值n＝0.01125～0.0128，区段平均值n＝0.0124。2004年对壁面进行加固处理后重新观测，得n＝0.0122。

    三个工程的原型观测表明，新安铺倒虹吸管由于壁面磨损和侵蚀，凹凸不平，n值偏大；引滦入津两个工程，用钢模板施工，平均n值分别为0.0113和0.0122。足见随着施工水平的提高（采用钢模板等措施），钢筋混凝土的n值有逐渐减小的趋势。对比欧美一些国家采用钢模板施工的工程所取的n＝0.0118～0.0125，我国采用类似方法施工的n值取0.012～0.013也不是没有可能的。

    （2）预应力钢筒混凝土管是标准化、工厂化和特别工艺生产的混凝土管。我国自1998年引进专门生产线以来，已有许多厂家和生产线生产，最大管径已达到4m。1992年山东水利科学研究院曾对PCCP-E管（浇注管）做过野外测试，7组试验的总平均值n＝0.0107。另外测得PCCP-L（离心管）n＝0.012。

    为积累经验，在天津市丽湖新地河扬水泵站进行了PCCP-E原状管的糙率测试。测试段长45m，最大供水流量7.5m³/s，管内平均流速1.5m/s～3.75m/s。13组试验获得的平均糙率值n＝0.01005（由λ＝0.0109换算，n＝0.0102）。

    对比国际上PCCP-E管取n＝0.010，我国暂取n＝0.011左右也是有可能的。

    （3）玻璃钢管同样为工厂化生产，厂家提供的糙率系数n＝0.008～0.009，目前国内还无原型观测资料可供参考。

10.3.7  关于进、出口水面衔接形式说明如下：

    （1）倒虹吸管进口的淹没条件。为了避免在倒虹吸管内产生急流水跃等不良流态，要求在通过不同流量，特别是通过小流量时管道进口处仍保持充分淹没状态，亦即要求倒虹吸管始终按压力流态工作。

    根据地形、地质条件、流量大小、水头高低和管道铺设形式等的差别，通常倒虹吸管的进水口和管身的连接有如下三种形式：

    一是深式进水口。例如引黄入卫穿卫倒虹吸管和南水北调北京永定河倒虹吸管等均采用此类深式进水口，其特点是工作闸门后有较长一段水平管道段，然后接斜坡管身段，如图7所示。

    二是竖井式进水口。例如重庆城区过江排污倒虹吸管和南水北调孤柏咀倒虹吸管工程均采用此种布置形式，如图8所示。

    三是斜坡式进水口。进水口的管身沿斜坡铺设，管身头部直接插入挡水胸墙，管身底部平渠底或低于渠底。例如湖南的新安铺、大市等多处倒虹吸管和陕西宝鸡峡漳水倒虹吸管以及河北南排水河穿南运河等采用矩形压力箱涵的倒虹吸管工程，都采用了类似的布置，见图9。

    以上三种进水口布置形式的工程实例情况见表14。

    进水口与管身的连接形式不一样，则倒虹吸管压力流形成的条件也不一样。

    深式进水口与通常水电站的压力进水口以及压力泄洪洞进水口的工作条件类似。由于工作闸门后有较长一段水平管道，充水过程中必然存在明满流过渡，并在水平管道内产生水跃连接。为防止工作闸门后出现负压等不良情况，一般在门后设通气孔或检修孔加以改善。经验同时表明，当进水口淹没深度不够高时，上游水面常出现串通的挟气漩涡，并把空气带到管道内，不利于管道的运行。对于此种布置形式的倒虹吸管的进水口，在通过小流量时宜按现行行业标准《水利水电工程进水口设计规范》SL 285-2003附录B.2的要求进行复核，保证进水口有最小的淹没深度。反之，要采取其他补救措施，如加大进水口埋深、关小出口闸门壅高进口水位等措施来达到上述要求。

    竖井式进水口水流从孔口或闸门下进入竖井。当竖井内的水位低于孔口时，孔口或出闸水流以跌水或水跃形式进入竖井，不利于竖井的运行。这时，若孔口以上的竖井顶部封闭，则应预留通气孔，否则将造成竖井上方的负压，不利于运行。为保证出闸孔的水流平稳进入竖井，其必要条件是闸孔为淹没出流。由此，倒虹吸管通过小流量时，应复核竖井里的水位高程是否能形成闸孔的淹没出流，即下游渠道水位加上倒虹吸管的水头损失值后所形成的上游竖井水位是否构成闸孔的淹没出流。

    斜坡式进水口为堰流与管道压力流相衔接。如管道内水位过低，则有可能在管道内形成跌水或水跃，不利管道的运行。为使整个管道按压力流工作，其必要条件是下游渠道水位加上倒虹吸管水头损失值后的管道进口处水位，应使进水口的控制堰（平底宽顶堰或实用堰）为淹没出流并能淹没管口。

    （2）倒虹吸管出口的淹没条件。

    倒虹吸管出口段的水流流态一般为有压流与明流的淹没缓流结构，即出口F_r＝＜ 1.0 ，管顶以上淹没水深应为△h＝，几个已建和在建倒虹吸工程出口管顶以上淹没水深与计算淹没水深的对比见表15。由表15可见.除新安铺、大市两个倒虹吸管出口淹没度尚不足外，多数工程的出口淹没度均满足要求。