浅论倒虹吸技术在水利工程中的应用

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摘要：倒虹吸主要用于水利工程中。它是在渠道与道路、河流发生交叉或在渠道穿越山谷时经常采用的一种立交水工建筑物。早在2000多年前，中国已有成功的运用。与虹吸管一样，它在立面上也呈弓形；不同的是，其弓弯向下。而且，虽然倒虹吸管和虹吸管的输水原理相同，即都借助于上下游的水位差，但倒虹吸在开始工作时不需人为地制造管中的真空，因而更为普及。

关键词：倒虹吸；进口段；出口段

中图分类号：TV672.5 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2012）-10-0232-1

1 倒虹吸管的构造

倒虹吸管一般由进口段、出口段、段身三部分组成。

1.1 进口段

进口段一般包括渐变段、沉沙池、退水冲杀设施、闸门、拦污栅以及启闭设施、连接段、进水口等组成。

渐变段。它是渠道与倒虹吸管进口沉沙池之间的过渡段，渐变段常采用扭曲面，其水头损失小；沉沙池。其作用是拦截和沉淀渠道来水所挟带的大粒径砂石及杂物，防止其进入管内磨损和淤积管道。闸门。为满足冲沙、清淤、检修和临时停水等需要，虹吸管进口常须设置闸门。多采用平板闸门或叠梁式闸门；拦污栅。为防止漂浮物或人畜落入渠内被吸入倒虹吸管，闸门前应设拦污栅，栅面与水平夹角宜采用70°～80°，利于增加过水断面，减小流速和水头损失，也便于清污；工作桥。用于启闭闸门和清理拦污栅。桥横断面多采用 T 形。连接段。其设于闸门之后、虹吸管进口之前的静水池段，由两侧侧墙和下游侧挡水胸墙组成。结构形式有消力池式、斜坡式和消力井式。进水口。为减少水头损失，虹吸管进水口常做成喇叭形。喇叭形始、末断面直径比或宽度比一般为1.3～1.5，喇叭口长度约为0.83倍管道内径。

1.2 出口段

出口段包括虹吸管出水口、出口闸门、消力池及出口渐变段组成。

出水口 其设于出口挡水胸墙内，形式选择与布置要求与进水口基本相同，但因出水口外形对水头损失无影响，为了便于施工，常将管道直接伸入出口胸墙内；出口闸门：对双管或多管倒虹吸，为了便于管理运用，常在出口设置闸门；若虹吸管进、出口水位差过大，也常需设置出口闸门，以便于利用闸门开度调节上游水位，以保证在不同流量时管进口均处于淹没状态；消力池：为调整流速分布使水流平稳进入下游渠道，避免产生冲刷，常在出口闸门口设置消力池，若水流流速较小，则可不需消能；出口渐变：渐变也常采用扭曲面形式。

1.3 管身段

管身段包括管壁厚度、分封与接缝、管身支承、泄水孔及入人孔组成：

管壁厚度：根据管径和工作水头大小，参考已建工程的经验或近似法初拟尺寸，再根据荷载，由结构计算进行校核或修正，并进行配筋和抗裂计算；管身分缝与接缝：有现浇管和预制管两种方法；管身支承：钢筋混凝土圆管及箱形管与地基的连接部件即管身支承，支承形式与土石坝下埋管基本相同；泄水、入人孔 对较长和高水头的倒虹吸管，用于检修、冲沙、放空或清淤等需要。

2 倒虹吸管的设计

倒虹吸管的设计包括：管路及进出口布置、管身及镇墩的形式选择、水力计算和结构设计。由于倒虹吸管检修较困难，在设计中应注意为检修创造条件。

2.1 管路布置形式及特点

根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管有下列几种布置形式：有竖井式、斜管式、曲线式和桥式四种。

2.1.1 竖井式 竖井多用于内压水头较低，流量较小，穿越道路的倒虹吸。这种形式的倒虹吸管结构简单，管路短，但水流条件差，一般用于规模较小的倒虹吸管。

2.1.2 斜管式 斜管式多用于内水头较小，穿越渠道或河流的倒虹吸。渠道或河流主槽底部设置水平管段，两端用斜管段与进、出口相连，水流条件好，且构造简单，施工方便，实际工程中应用较多。

2.1.3 曲线式 当河谷宽阔，岸坡较缓，地形较复杂时，倒虹吸管可随地形敷设成曲线形。曲线倒虹吸管开挖量小，施工方便，且水流条件好，但温度影响及地基不均匀沉陷易造成管身裂缝，引起渗漏甚至危机工程安全。

2.1.4 桥式 当渠道通过较深的复式断面河道或窄深式河谷时，为降低管道内压水头，减少水头损失，缩短管长和减小施工难度，可在深槽部位建桥，将管道敷设于桥面上或者直接支撑于桥墩或排架上。管道在桥头山坡转弯处设镇墩，并在镇墩上设置虹吸管放水孔，兼作维修、清淤入孔，以便检查维修。

2.2 进出口渐变段的设计

对于按照渠系规划给出了一定水头的倒虹吸工程而言，渐变段消耗水头越多，管身允许消耗的水头将越少，这将使管身断面加大，增加建筑物投资，因此必须对进出口渐变段进行优化设计。渐变段长度不宜过长，当渐变段长度达到一定值时，再增加渐变段长度已对减少水头损失效果不大。同时，渐变段底坡不宜过大，当渐变段进出口底部高程相差较大时，宜适当增加渐变段长度，这样可减少渐变段底坡，从而减小水头损失。

2.3 管身形式及闸墩设计管身有圆管、方管等形式

由于圆管施工较复杂，不宜现浇制模，同时会增加管座的工程量，故采用矩形孔口多孔一联的形式。该形式施工较方便，亦不需对地基进行特殊处理。墩头形状对水头损失有一定的影响。 流线形墩头在闸门全开时水头损失比半圆形墩头要略小，但闸门不全部开启时，流线形墩头对进水口水流影响较半圆形墩头要大水头，损失显著增加。

通过对倒虹吸技术的认识和学习，了解了倒虹吸的一般工作原理和应用情况。由于倒虹吸管是一种渠道交叉建筑物，具有工程量少、造价低、施工安全方便和不影响河道洪水宣泄等优点，因此在引调水工程中得到广泛的应用，有利于在更广范围内进行水资源优化配置，改善生态环境，提高人民群众生活水平，增强综合国力，都具有十分重大的意义。

作者简介：李丹（1981-），女，满族，吉林公主岭人，就职于公主岭市河道堤防管理站，研究方向：水利工程。