文档介绍：大型渠道倒虹吸设计探讨
杨国旗 石自堂
（长江水利委员会计划处 武汉市430010）（武汉水利电力大学）
摘要 针对大型渠道倒虹吸流量大水头紧等特点, 依据实际情况分别对进出水口渐变段进行了优化设计, 以降低其水头损失。 同时对进水口前池、 底部高程、 闸墩、 胸墙、 控制水闸部署和管身形式提出了合理设计意见．
关键词 渠道 倒虹吸 水闸
倒虹吸是经过山谷、 河流、 洼地、 道路或其它渠道压力输水管道, 是一个渠道交叉建筑物。 因为倒虹吸含有工程量少、 施工方便节省动力及三材、 造价低等特点, 在各国农田水利建设中得到了广泛应用。 小型倒虹吸各地应用较多, 设计、 施工全部较为成熟, 问题不大。 下面结合南水北调中线西赵河渠道倒虹吸工程设计实施, 对大型渠道倒虹吸设计中多个问题进行探讨．
西赵河渠道倒虹吸为一级建筑物, 由进口连接段、 管身段、 出口连接段三部分组成, 管身部署为 6孔 × m方管．河道百年一遇洪峰流量为 1870 m3／s, 倒虹吸管设计流量为 750m3／S, , 水头紧等特点．其纵剖面部署示意图见图1。
倒虹吸总水头损失计算公式以下:
hw＝z＋v12/(2g)- v22/(2g)+h1渐+ h2渐
式中 hw——倒虹吸总水头损失(m)
z——倒虹吸管道进出口水头差(m)
v1——倒虹吸上游渠道水流平均流速(m/s)
v2——倒虹吸下游渠道水流平均流速(m/s)
h1渐——上游渐变段水头损失(m)
h2渐——下游渐变段水头损失(m)
l 进出口渐变段设计
对于根据渠系计划给出了一定水头倒虹吸工程而言, 渐变段消耗水头越多, 管身许可消耗水头将越少, 这将使管身断面加大, 增加建筑物投资, 所以必需对进出口渐变段进行优化设计．为此, 对西赵河渠道倒虹吸作了模型试验, 以寻求使水流能平稳过渡, 又使水头损失较小连接段形式．
渐变段长度不宜过长, 当渐变段长度达成一定值［L=2(B1-B2) B1、 B2分别为渐变段始末端断面水面宽］时, 再增加渐变段长度已对降低水头损失效果不大。
同时, 渐变段底坡不宜过大．从试验中发觉, 渐变段在铅直方向改变所造成水头损失超出在水平方向改变所造成水头损失, 底坡越大水头损失越大．比如．当进口底坡分别为i＝＝, 流量 Q=630 m3／s, 其它边界条件完全一样时, cm．所以当渐变段进出口底部高程相差较大时, 宜合适增加渐变段长度, 这么可降低渐变段底坡, 从而减小水头损失．
经过方案比较, 西赵河渠道倒虹吸进出口渐变段选择直线扭曲面, 该形式含有水头损失小, 工程量小, 便于施工放样等特点．进出口渐变段底坡均部署为平坡, 进口渐变段长 60m, 出口渐变段长75m。
2 倒虹吸进水口前池及底部高程
前池指倒虹吸管和渠道连接过渡段, 通常认为前池宽度和深度改变对倒虹吸影响不大．但在模型试验中发觉, 对不一样宽度和深度前池, 其水头损失相差较大。 因为前池宽度较大, 尤其是目前池宽度大于倒虹吸管总过水宽度时, 渠道水流进入前池后, 水流产生大范围回流, 有时还出现吸气漩涡, 造成较大水头损失．比如: 西赵河渠道倒虹吸将进口渐变段变为前池, 流量 Q=630 m
3/s, 其它边界条件完全一样时, cm．
倒虹吸进口还须满足小流量淹深要求, 所以进口底部高程需进行合适降低．
因为南水北调中线总干渠为常年引水, 渠道水深基础保持在渠道设计水位, 同时为降低水头损失, 西赵河倒虹吸进口不设前池, 进口底部高程不降低．
3 闸墩及胸墙设计
墩头形状对水头损失有一定影响．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。 比如: 当流量 Q＝135 m3/s, 只开两侧两扇闸门, 其它边界条件完全一样时, cm．西赵河渠道倒虹吸选择半圆形墩头。 该形式水头损失不大, 受闸门开启影响小,水流较为平稳。
胸墙部署位置及形式对水头损失有一定影响．胸墙部署和孔口齐平[见图2（a）］比胸墙部署靠后［见图2（b）］