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10,3。水力設(shè)計10.3、1。倒虹吸管通過水力設(shè)計選定管道橫斷面尺寸,管道數(shù)量，進出口段各部分的布置形式。尺寸和有關(guān)高程。為此。在渠道工程設(shè)計中、應(yīng)給出上 下游渠道的斷面形狀.糙率.流量。水深。上游渠底高程。同時還應(yīng)給出倒虹吸管的設(shè)計流用和允許的水頭損失作為設(shè)計計算的條件 倒虹吸管水力設(shè)計和計算的內(nèi)容包括。根據(jù)工程具體情況和設(shè)計條件,通過匚程總體布置和管道的布置、初步擬定管道及其進.出口的布置形式和結(jié)構(gòu)形式、選擇適宜的流速和經(jīng)濟過水?dāng)嗝?按壓力流公式計算管道的實際水頭損失及進，出口的水面銜接,當(dāng)?shù)购缥芡ㄟ^最小流量時進、出口管道沒有充分淹沒、管內(nèi)流速和總水頭損失不符合設(shè)計條件或出口需要消能等情況時，應(yīng)調(diào)整布置 并重新計算管道橫斷面尺寸 10、3.2，倒虹吸管管內(nèi)平均流速一般根據(jù)允許的水頭損失和管內(nèi)不淤流速值來選取.水頭損失與流速的平方成正比.流速越大。水頭損失越大，因此流速的選擇對于倒虹吸管。特別對F平原地區(qū)水頭寶貴的渠道上的倒虹吸管尤為重要。從已建和在建工程的統(tǒng)計 倒虹吸管設(shè)計流量工況下的平均流速多在1。5m。s,2、5m.s范圍以內(nèi).個別工程為了減少過水?dāng)嗝婧凸こ塘?。也可適當(dāng)增加管道平均流速、如南水北調(diào)穿越黃河的孤柏咀倒虹吸管工程，通過設(shè)計流量440m3，s時,選擇了雙排D。8 2m的倒虹吸管、其平均流速達4.16m，s,已建和在建倒虹吸管的平均流速見表12。為了防止泥沙在倒虹吸管內(nèi)淤積。管道的最小流速應(yīng)大于按附錄L。1公式計算的有壓管流挾沙流速Vnp、如V平 Vnp。則應(yīng)縮小管徑，增加管道數(shù)或加大上下游水面高差,10，3,3 關(guān)于水頭損失計算說明如下、1 根據(jù)工程具體情況 倒虹吸管的總體布置不同時.其水頭損失和水面降落計算也因具體布置而各不相同 如圖L,1.2。1.圖L、1、2，2所示.一般渠道與倒虹吸進水口之間設(shè)一漸變段,平順連接 水流過漸變段時，由于斷面和流速的變化、會產(chǎn)生某一水面落差該水面落差，Z1、該水面落差、Z1可按附錄L第L,1,2條的公式進行計算。水流由進口漸變段末端斷面進入進水口,截至出口,由于管道的沿程損失和各個局部阻力的影響 會造成水頭損失。Z2。該水頭損失 Z2可按附錄L、1、4公式進行計算。倒虹吸管管道出口與下游渠道之間通常也設(shè)漸變段平緩連接.由于能量的轉(zhuǎn)化。將產(chǎn)生某些水面恢復(fù),Z3.該水面恢復(fù)值.Z3可按附錄L第L，1，3條的公式進行計算、2。倒虹吸管的局部阻力損失系數(shù)。對于圓形管道按附錄L 1選取。對于矩形壓力管的局部阻力損失系數(shù)，目前研究尚不充分、一般也仿照圓形管的局部阻力損失系數(shù)來選取、鑒于南水北調(diào)采用矩形斷面的倒虹吸管較多.長江科學(xué)院選擇西趙河渠道倒虹吸管,總長277m 管道由8根5.8m、5.8m的方管組成。最大過流量為800m3 s、其布置圖見圖6.和堰子河段的河道倒虹吸管、總長298m.管道由6根5m 5m的方管組成、百年一遇洪水流量達655m3。s，分別進行了專門的水工模型試驗、獲得管道局部和沿程損失系數(shù),見表13.可供類似工程參考、倒虹吸管的進，出口漸變段均采用扭曲面形式與渠道相接,漸變段的水頭損失系數(shù)分別為。ξ1 0，10 ξ4 0，30、3,壓力管道邊壁的糙率n值與管道材料及其表面的光潔程度有關(guān),鑒于n值的選用對管道斷面的大小及工程造價影響很大.故應(yīng)慎重選取。對于焊接鋼管。n、0。011,0,0125,正常值為0.012。對于鉚接鋼管。n，0 0125、0 015.正常值為0 0135,對于鋼筋混凝土管、我國早期用n,0。016 0,017。隨著施工工藝水平的提高.現(xiàn)在多用n、0 014。0、015、工程實際運行情況 1,鋼筋混凝土管的n值.湖南新安鋪倒虹吸管.設(shè)計流量Q,7。5m3.s,管徑2m,全長4368，08m、最大工作水頭140m 采用一階段預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管 設(shè)計糙率系數(shù)n，0,015、運行19年后，于1998年進行了原型觀測,施放Q，3。67m3,s，ν,1 16m s時、實測水頭損失4。03m 推算得n,0，0164,實測n值大于設(shè)計n值 究其原因。是由于在磨損和侵蝕的雙重作用下 孔壁出現(xiàn)了許多的空穴和凹凸不平的麻面所致，引灤入津爾王莊泵站至市區(qū)宜興埠泵站全長26km,2孔3、35m。3.35m方涵.用鋼模板澆筑 1996年 在匚程運行13年后進行了原型試驗,6組流量下實測的n。0，0116。0,0107.平均n。0 0113，引灤入津明流隧洞、長12km、斷面為城門洞型，凈寬5.7m，設(shè)計流量60m3,s、洞壁采用鋼筋混凝土襯砌、設(shè)計糙率系數(shù)n，0,015.1983年通水 鋼模板接縫處凹凸不平.平均高差4。3mm、電力部昆明勘測設(shè)計院和天津市引灤隧洞管理處合作于1985年和1996年做了兩次原型觀測.流量范圍為22 3m3,s,62,36m3,s，7個流量 5個區(qū)段的糙率值n。0。01125，0、0128，區(qū)段平均值n.0、0124.2004年對壁面進行加固處理后重新觀測、得n。0 0122。三個工程的原型觀測表明,新安鋪倒虹吸管由于壁面磨損和侵蝕、凹凸不平。n值偏大 引灤入津兩個工程,用鋼模板施工 平均n值分別為0.0113和0。0122.足見隨著施工水平的提高。采用鋼模板等措施 鋼筋混凝土的n值有逐漸減小的趨勢，對比歐美一些國家采用鋼模板施工的工程所取的n 0、0118.0,0125.我國采用類似方法施工的n值取0,012 0，013也不是沒有可能的。2 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是標(biāo)準(zhǔn)化,工廠化和特別工藝生產(chǎn)的混凝土管，我國自1998年引進專門生產(chǎn)線以來,已有許多廠家和生產(chǎn)線生產(chǎn)。最大管徑已達到4m。1992年山東水利科學(xué)研究院曾對PCCP,E管、澆注管，做過野外測試 7組試驗的總平均值n.0、0107,另外測得PCCP、L、離心管、n,0 012,為積累經(jīng)驗，在天津市麗湖新地河揚水泵站進行了PCCP。E原狀管的糙率測試。測試段長45m,最大供水流量7。5m3 s、管內(nèi)平均流速1、5m s.3,75m.s，13組試驗獲得的平均糙率值n，0 01005。由λ、0、0109換算 n、0.0102，對比國際上PCCP，E管取n,0，010。我國暫取n、0 011左右也是有可能的,3 玻璃鋼管同樣為工廠化生產(chǎn)，廠家提供的糙率系數(shù)n.0,008、0,009,目前國內(nèi)還無原型觀測資料可供參考.10,3。7,關(guān)于進.出口水面銜接形式說明如下.1。倒虹吸管進口的淹沒條件,為了避免在倒虹吸管內(nèi)產(chǎn)生急流水躍等不良流態(tài)，要求在通過不同流量。特別是通過小流量時管道進口處仍保持充分淹沒狀態(tài)。亦即要求倒虹吸管始終按壓力流態(tài)工作。根據(jù)地形,地質(zhì)條件.流量大小,水頭高低和管道鋪設(shè)形式等的差別 通常倒虹吸管的進水口和管身的連接有如下三種形式,一是深式進水口。例如引黃入衛(wèi)穿衛(wèi)倒虹吸管和南水北調(diào)北京永定河倒虹吸管等均采用此類深式進水口，其特點是工作閘門后有較長一段水平管道段 然后接斜坡管身段、如圖7所示,二是豎井式進水口.例如重慶城區(qū)過江排污倒虹吸管和南水北調(diào)孤柏咀倒虹吸管工程均采用此種布置形式 如圖8所示。三是斜坡式進水口、進水口的管身沿斜坡鋪設(shè)、管身頭部直接插入擋水胸墻,管身底部平渠底或低于渠底。例如湖南的新安鋪.大市等多處倒虹吸管和陜西寶雞峽漳水倒虹吸管以及河北南排水河穿南運河等采用矩形壓力箱涵的倒虹吸管工程，都采用了類似的布置.見圖9，以上三種進水口布置形式的工程實例情況見表14 進水口與管身的連接形式不一樣.則倒虹吸管壓力流形成的條件也不一樣.深式進水口與通常水電站的壓力進水口以及壓力泄洪洞進水口的工作條件類似.由于工作閘門后有較長一段水平管道 充水過程中必然存在明滿流過渡,并在水平管道內(nèi)產(chǎn)生水躍連接,為防止工作閘門后出現(xiàn)負壓等不良情況。一般在門后設(shè)通氣孔或檢修孔加以改善，經(jīng)驗同時表明、當(dāng)進水口淹沒深度不夠高時。上游水面常出現(xiàn)串通的挾氣漩渦,并把空氣帶到管道內(nèi)，不利于管道的運行 對于此種布置形式的倒虹吸管的進水口.在通過小流量時宜按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范，SL，285 2003附錄B，2的要求進行復(fù)核,保證進水口有最小的淹沒深度，反之.要采取其他補救措施.如加大進水口埋深。關(guān)小出口閘門壅高進口水位等措施來達到上述要求、豎井式進水口水流從孔口或閘門下進入豎井、當(dāng)豎井內(nèi)的水位低于孔口時、孔口或出閘水流以跌水或水躍形式進入豎井,不利于豎井的運行、這時 若孔口以上的豎井頂部封閉、則應(yīng)預(yù)留通氣孔.否則將造成豎井上方的負壓 不利于運行,為保證出閘孔的水流平穩(wěn)進入豎井 其必要條件是閘孔為淹沒出流.由此。倒虹吸管通過小流量時。應(yīng)復(fù)核豎井里的水位高程是否能形成閘孔的淹沒出流,即下游渠道水位加上倒虹吸管的水頭損失值后所形成的上游豎井水位是否構(gòu)成閘孔的淹沒出流。斜坡式進水口為堰流與管道壓力流相銜接、如管道內(nèi)水位過低，則有可能在管道內(nèi)形成跌水或水躍，不利管道的運行，為使整個管道按壓力流工作、其必要條件是下游渠道水位加上倒虹吸管水頭損失值后的管道進口處水位、應(yīng)使進水口的控制堰、平底寬頂堰或?qū)嵱醚?。為淹沒出流并能淹沒管口，2、倒虹吸管出口的淹沒條件,倒虹吸管出口段的水流流態(tài)一般為有壓流與明流的淹沒緩流結(jié)構(gòu).即出口Fr。1，0.管頂以上淹沒水深應(yīng)為 h 幾個已建和在建倒虹吸工程出口管頂以上淹沒水深與計算淹沒水深的對比見表15。由表15可見,除新安鋪，大市兩個倒虹吸管出口淹沒度尚不足外。多數(shù)工程的出口淹沒度均滿足要求。