沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)倒虹吸的設計與運行管理淺析

【摘要】本文的旨意是介紹沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)倒虹吸的設計、計算及運行管理，以合理利用水資源，提高水利用率，滿足下游灌區(qū)1.15萬畝耕地的灌溉任務。

【關鍵詞】倒虹吸；管道；設計；運行管理

一、工程概況

工程區(qū)位于布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)境內(nèi)，地處布爾津河中游中低山區(qū)的沖乎爾盆地內(nèi)，其地理坐標：東經(jīng)87°4′02″～87°11′15″，北緯48°9′23″～48°11′4″，海拔高程700-770m，總的地勢北高南低，西高東低。

本工程主要任務是從沖乎爾電站水庫引水至下游，開發(fā)或改善沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)。

沖乎爾鎮(zhèn)右岸灌區(qū)供水工程控制凈灌溉面積1.15萬畝，設計流量0.85m3/s，加大流量1.15m3/s。主要建設內(nèi)容包括：虹吸1座、玻璃夾砂管倒虹吸2.658km、干渠防滲4.844km、干支節(jié)制分水閘4座、干渠橋2座、渠下排洪涵1座。

根據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》（GB50288—99），本工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為?、菩?，主要建筑物級別為5級，次要及臨時建筑物級別為5級。渠道沿線排洪建筑物設計洪水標準重現(xiàn)期為10年一遇。工程區(qū)地震設防烈度為Ⅵ度。

二、工程總體布置

本工程主要有虹吸、倒虹吸、引水干渠及相應配套建筑物組成。

取水建筑物虹吸布置在沖乎爾水電站水庫大壩0+458樁號處，離右壩肩92.0m。從工程調(diào)度運行、管理、工程供水的適應性與可靠性等方面綜合考慮，取水建筑物虹吸管選擇兩根管的運行方式。管材為鋼管，管道內(nèi)徑0.60m，虹吸管單管設計流量0.58m3/s，流速v=2.05m/s，設計總引水流量1.15m3/s。

倒虹吸布置在虹吸之后，采用玻璃鋼夾砂管，管長2.658km，進口渠底高程為746.90m，最大壓力水頭（進口渠道正常水位至管道最低中心高程差）46.58m，有17個縱向彎道。

倒虹吸布置采用地埋（淺埋式）。倒虹吸由進口段、管身段和出口段組成。

引水干渠布置在倒虹吸之后，總長4.494km，渠道斷面形式為梯形斷面，內(nèi)邊坡為1：1.50，全斷面采用現(xiàn)澆砼+土工膜防滲形式。

本文主要對工程倒虹吸的設計及運行管理做一闡述。

三、倒虹吸管設計

（一）工程地質(zhì)

倒虹吸全長2.658km，部分管段穿越堅硬基巖段，基巖主要為變質(zhì)砂巖，根據(jù)施工條件，基巖段可免爆或爆破處理，沿線玻璃鋼夾砂管需作防破壞處理。

（二）工程設計

倒虹吸由進口段、管身段和出口段組成。

1）進口段

進口段包括明渠段、漸變段、連接段、攔污柵、閘門、退水閘閥井和進口段。

①明渠段

明渠段總長350m（0+000—0+350），C25F200W6（Ⅱ級配）鋼筋砼矩形結構，底寬2.0m，渠深1.70m，縱坡1/8000，邊墻寬度0.35m，底部厚度0.30m，每10m設一伸縮縫和齒墻，縫寬2cm，縫內(nèi)采用JH2-300型橡皮止水，下部填充高壓閉孔板，上部采用5cm厚瀝青砂漿（1：2）封堵，齒墻深0.70m，寬0.30m，明渠邊墻與底板為整體結構。

②漸變段

漸變段長度為4.0m（0+350—0+354），C25F200W6（Ⅱ級配）鋼筋砼矩形結構，底寬由2.0m漸變?yōu)?.30m，渠深1.70m，縱坡1/8000，邊墻寬度0.35m，底部厚度0.30m，邊墻與底板為整體結構。

③連接段

連接段位于漸變段后，長度為16.0m（0+354—0+370），其中斜坡段長2.40m，坡度1/3，水平段長13.60m。采用C25F200W6（Ⅱ級配）鋼筋砼矩形結構，底寬為1.30m，深2.50m，邊墻寬0.50m，底部厚0.30m，邊墻與底部為整體鋼筋砼結構。

④攔污柵

攔污柵設在連接段樁號0+364處，攔污柵是攔截渠道內(nèi)較大的礫石或漂浮物的設施，并可保障人畜安全。本工程規(guī)模較小，攔污柵采用φ10圓鋼焊接，縱、橫間距均為8cm。

⑤節(jié)制閘

為了方便管道進口沖砂及清淤，檢修和臨時停水，在進口處常設節(jié)制閘。本工程規(guī)模小，可不設節(jié)制閘，在攔污柵后預留門槽，需要時用疊梁或插板擋水。

⑥退水閘閥井

進口段退水閘閥井設在連接段左邊墻外側(cè)，退水閘閥井采用C25F200（Ⅱ級配）鋼筋砼澆筑，井內(nèi)設DN600UPVC管道和蝶閥，定期開啟閥門排沙清淤。

⑦進口

倒虹吸進口設在0+370樁號處，在連接段末端設擋水胸墻，墻厚0.80m，高2.50m，迎水面垂直高度1.70m，為了保證倒虹吸進口的淹沒度，擋水胸墻1.70m以下按1：1邊坡向上游傾斜，進口與管身段用彎道連接，彎道轉(zhuǎn)彎半徑為3.0m，擋水胸墻與鎮(zhèn)墩為C25F200W6（Ⅱ級配）整體鋼筋砼結構，長4.0m。

⑧通氣孔

本工程進水口為淹沒型式，為消除管內(nèi)通過小流量時可能出現(xiàn)的破壞性水躍，將空氣帶入管內(nèi)，使管深發(fā)生震動和空蝕，在進水口擋水胸墻下游設通氣管，孔徑不小于倒虹吸管徑的1/4，本工程通氣孔采用DN300的鋼管。

2）管身段

①管道

倒虹吸管道采用內(nèi)徑為1.10m的玻璃鋼夾砂管，管長2658m，進口底高程746.90m，出口底高程為743.74m。管道均采用地埋式，管溝平均開挖深度為2.0m，底寬1.60m，基巖開挖臨時邊坡為1：0.20，土方開挖臨時邊坡為1：0.75，水下開挖臨時邊坡為1：1.75。

②鎮(zhèn)墩

為了兩段的管道連接與固定，在管道變坡和轉(zhuǎn)彎的地方增設鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用C25F200（Ⅱ級配）鋼筋砼結構。

③閘閥井

為了方便倒虹吸管的檢修，在進出口各設一座閘閥井。閘閥井為C25F200（Ⅱ級配）鋼筋砼結構。

④排水（含隔斷閥）井

排水井設置在倒虹吸管段地勢最低處，在灌溉期結束后將管道內(nèi)的水全部排出。井內(nèi)管道為DN1100的鋼管，鋼管與井壁接觸處設阻滑環(huán)，鋼管與玻璃鋼夾砂管的連接采用鋼制轉(zhuǎn)換件。

⑤檢查（含排氣閥）井

為排出管道中聚集的原溶解于水中的氣體，從而減少水頭損失，在管道最高處安裝自動排氣閥，口徑為相應管道直徑的1/8-1/12，本設計取排氣閥直徑為DN150。井內(nèi)設DN600的出水管進人孔、壓力表、DN150蝶閥和DN150的復合排氣閥。

3）出口段

出口段設消力池，消力池深0.90m，底寬1.30m，池長5.0m，鋼筋砼結構。消力池后接連接段，其底寬1.3m，長3.0m，鋼筋砼結構，該段布置攔污柵、節(jié)制閘。連接段后接漸變段，長5.0m，其后接渠道樁號3+041處。

（三）倒虹吸水力計算

1）漸變段到管道進口水面線計算

因漸變段長度較小，水流為明渠非均勻流，服從于能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律，可用伯努利方程分段求和法來計算水面線，

概念比較明確，計算較為方便。

2）倒虹吸管徑計算

倒虹吸管內(nèi)的水流為壓力管流，過水能力按《倒虹吸管》中3-1公式計算。

本工程設計流量為0.85m3/s，采用玻璃鋼夾砂管，初擬管內(nèi)流速V=1.50m/s，計算管徑為0.85m，考慮到本工程進出口水頭差為3.0m，水頭較小，若按照經(jīng)濟流速1.50m/s計算管徑，管徑較小，工程投資較省，但是，管徑小水頭損失較大，不能滿足工程安全引水，因此，須適當增大管徑，減小水流流速，減小水頭損失，滿足工程安全引水，經(jīng)過比選，本設計選取D0=1.10m。

3）管道沿程和局部水頭損失計算

倒虹吸管在輸水過程中，因克服阻力而消耗能量，損失了水頭，使管道出口處水面高程恢復不到進口處水面高程。因此，進出口水位差的大小，決定于倒虹吸管內(nèi)的水頭損失。管道的水頭損失，根據(jù)引起的原因不同，可分為沿程水頭損失和局部水頭損失，兩者之和即為總水頭損失。

4）水面銜接及流量復核計算

經(jīng)過倒虹吸管的水面總落差Δz《水力計算手冊》。

通過計算，Δz=0.375m，流量系數(shù)μ=0.182，Q=0.95m3/s>0.85m3/s，滿足設計要求。

5）進口淹沒度計算

在設計流量情況下，管頂以上水深0.66m，通過計算，設計流量情況下進口最小淹沒度為0.40m，管頂以上水深大于最小淹沒度，滿足設計要求。

6）倒虹吸進出口水力計算

①進口漸變段長度計算

經(jīng)計算，進口漸變段長度為1.75m，本設計取4.0m。

②出口消力池尺寸的確定

一般中小型倒虹吸管出口消力池，池長L消及池深T消可按經(jīng)驗公式估算：

通過計算，出口消力池長度為L=1.89-2.52m，取5.0m，消力池深度T=0.87m，取0.90m。

四、倒虹吸的運行管理

沖乎爾右岸灌區(qū)供水工程于2014年10月建成正式通水試運行，在試運行期間，因水庫水位的變化及其它一些原因，也出現(xiàn)過一些問題，經(jīng)過相關措施處理及通水運行的檢驗，已運行近2年，其運行效果是比較好的。

本工程的安全運行對管理工作提出了較高的要求，必須克服重建設、輕管理的思想。本工程主要是滿足灌區(qū)的灌溉用水，在灌溉期結束后，應及時開啟各排水閥門，將管道中余水排放，以避免冬季管道凍裂。

五、結束語

倒虹吸管道已廣泛應用于水利行業(yè)的各種工程，因環(huán)境、壓力、長度、材料等不同因素的影響，工程的設計條件、運行方式也不盡相同。

本文僅針對該工程簡單介紹倒虹吸管道的設計及運行過程中的一些經(jīng)驗與建議，希望能對倒虹吸工程的設計及運行管理提供一些借鑒。另外，增強責任心，加強運行管理，總結經(jīng)驗教訓，防患于未然，保證工程的正常運行。