[分享]水工建筑物——倒虹吸

发表于2020-10-19     219人浏览     1人跟帖     总热度:520  

倒虹吸管是设置在渠道与河流、山沟、谷地、道路等相交处的压力输水建筑物。它与渡槽相比,具有造价低、施工方便的优点,但水头损失较大,运行管理不如渡槽方便。一般在下列情况时采用:
  1. 渠道跨越宽深河谷,修建渡槽、填方渠道或绕线方案困难或造价高时;
  2. 渠道与原有渠、路相交,因高差较小不能修建渡槽、涵洞时;
  3. 修建填方渠道影响原有河道泄流等。

一、倒虹吸管的布置
(一)管路布置
倒虹吸管一般由进口、管身和出口三部分组成。管路布置应根据地形、地质、施工、水力条件等分析确定。总体布置的一般原则是:管身最短、岸坡稳定、管基密实,进出口连接平顺,结构合理。根据流量大小及运用要求,可采用单管、双管或多管。根据管路埋设情况及高差大小,倒虹吸管的布置形式可分为以下几种。
竖井式
多用于压力水头较小(H<3~5m),穿越道路的倒虹吸。这种形式构造简单、管路短。进出口一般用砖石或混凝土砌筑成竖井。竖井断面为矩形或圆形,其尺寸稍大于管身,底部设0.5m深的集沙坑,以沉积泥沙,并便于清淤及检修管路时排水。管身断面一般为矩形、圆形或其他形式。竖井式水力条件差,但施工比较容易,一般用于工程规模较小的倒虹吸管。
斜管式
多用于压力水头较小,穿越渠道、河流的情况(图8-67)。斜管式倒虹吸管构造简单,施工方便,水力条件好,实际工程中常被采用。
水工建筑物——倒虹吸_1
竖井式倒虹吸
水工建筑物——倒虹吸_2
斜管式倒虹吸

曲线式
当岸坡较缓(土坡m>1.5~2.0,岩石坡m≥1.0)时,为减少施工开挖量,管道可随地面坡度铺设成曲线形。管身常为圆形的混凝土管或钢筋混凝土管,可现浇也可预制安装。管身一般设置管座。当管径较小且土基很坚实时,也可直接设在土基上。在管道转弯处应设置镇墩,并将圆管接头包在镇墩内。为了防止温度引起的不利影响,减小温度应力,管身常埋于地下,为减小工程量,埋置不宜过深。从已建倒虹吸管工程运行情况看,不少工程因温度影响或土基不均匀沉陷,造成管身裂缝,有的渗漏严重,危及工程安全。
桥式
当渠道通过较深的复式断面或窄深河谷时,为降低管道承受的压力水头,减小水头损失,缩短管身长度,便于施工,可在深槽部位建桥,管道铺设在桥面上或支撑在桥墩等支撑结构上。
桥下应有足够的净空高度,以满足泄洪要求。在通航河道上应满足通航要求。
管道在桥头山坡转弯处设置镇墩,并在镇墩上设置放水孔(也可兼作进人孔),以便于检查修理。
水工建筑物——倒虹吸_3
曲线式倒虹吸
水工建筑物——倒虹吸_4
桥式倒虹吸

(二)进出口布置
进口段的布置
进口段包括进水口、拦污栅、闸门、启闭台、进口渐变段及沉沙池等。进口段的结构形式,应保证通过不同流量时管道进口处于淹没状态,以防止水流在进口段发生跌落、产生水跃而使管身引起振动。进口具有平顺的轮廓,以减小水头损失,并应满足稳定、防冲和防渗等要求。
(1)进口段应修建在地基较好、透水性小的地基上。当地基较差、透水性大时应做防渗处理。通常做30~50cm厚的浆砌石或做15~20cm的混凝土铺盖,其长度约为渠道设计水深的3~5倍。
挡水墙可用混凝土浇筑,也可用圬工材料砌筑。砌筑时应妥善与管身衔接好。
对于岸坡较陡、管径较大的钢筋混凝土管,进口常做成喇叭口形。当岸坡较缓时,可将管身直接伸入胸墙0.5~1.0m,并与喇叭口连接。对于小型倒虹吸管,为了施工方便,一般将管身直接伸入挡水墙内。
水工建筑物——倒虹吸_5
进口布置图

(2)双管倒虹吸进口一般不设置闸门,通常在侧墙设闸门槽,以便在检修和清淤时使用,需要时临时安装插板挡水。当小流量时可减少输水管道的根数,以防止进口水位跌落,同时可增加管内流速,防止管道淤积。

水工建筑物——倒虹吸_6
双管倒虹吸进出口布置图(单位:cm)

闸门常用平板闸门或叠梁闸门。

(3)为了防止漂浮物或人畜落入渠内被吸入倒虹吸管内,在闸门前需设置拦污栅。拦污栅的布置应有一定的坡度,以增加过水面积和减小水头损失,常用坡度为1/3~1/5。栅条用扁钢做成,其间距为20~25cm。
为了清污或启闭闸门可设工作桥或启闭台,如图8-72所示。启闭台台面高出闸墩顶的高度为闸门高加1.0~1.5m。

水工建筑物——倒虹吸_7
沉沙池及冲沙闸布置图(高程单位:m,尺寸单位:cm)

(4)沉沙池的主要作用是拦截渠道水流携带的大粒径砂石和杂物,以防止进入倒虹吸管内引起管壁磨损和淤积堵塞。有的倒虹吸管由于管理不善,管内淤积的碎石杂物高度达到管高的一半,严重影响了输水能力。
在悬移质为主的平原区渠道,也可不设沉沙池。有输沙要求的倒虹吸管,设计时应使管内流速不小于挟沙流速,同时为保证输沙和防止管道淤积,可考虑采用双管或多管布置。在山丘地区的绕山渠道,泥沙入渠将造成倒虹吸管的磨损,沉沙池应适当加深。

沉沙池尺寸可按下面的经验公式加以确定:
水工建筑物——倒虹吸_8

沉沙池底部低于渠底的深度T(cm)的计算公式为:

水工建筑物——倒虹吸_9

式中 b、h——渠道底宽与水深;
D、δ——管内径与管壁厚度。

(5)倒虹吸管进口前一般设渐变段与渠道平顺连接,以减少水头损失。渐变段形式有扭曲面、八字墙等形式。其底宽可以是变化的或不变的。渐变段长度一般采用3~5倍渠道设计水深。对于渐变段上游渠道应适当加以护砌。
(6)大型或较为重要的倒虹吸管进口一般设置退水闸。当倒虹吸管发生事故时,关闭倒虹吸管前闸门,将渠水从退水闸泄出。


出口段的布置
出口段包括出水口、闸门、消力池、渐变段等。其布置形式与进口段相似。
为运行管理方便,在双管或多管倒虹吸出口应设置闸门或预留检修门槽。
为使出口与下游渠道平顺连接,一般设渐变段,其长度为4~6倍的渠道设计水深。同时渐变段下游3~5m长度内的渠道还应护砌,以防止水流对下游渠道冲刷。渐变段的底部常设消力池。消力池长度一般为渠道设计水深的5~6倍。消力池深度T(cm)可按下式估算:

水工建筑物——倒虹吸_10
式中 D、δ——管内径与管壁厚度。

倒虹吸管出口水流流速一般较小,消力池的作用主要在于调整出口水流的流速分布(对双管或多管布置的倒虹吸管出口更为突出),以使水流较平稳地进入下游渠道,防止对下游渠道冲刷。


管身及镇墩的布置
管身
倒虹吸管的材料应根据压力大小及流量的多少,以及就地取材、施工方便、经久耐用等原则综合分析选择。
1)常用的材料主要有混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土和铸铁等。
混凝土管适用于水头较低、流量较小的情况,一般用于水头为4~6m的倒虹吸管。从混凝土管运行情况看,管身裂缝、接缝处漏水严重的现象经常发生,这多与材料强度、施工技术与质量等因素有关。
钢筋混凝土管适用于较高水头,一般为30m左右,可达50~60m,管径通常不大于3m。
预应力钢筋混凝土管适用于高水头。它具有较好的弹性、不透水性和抗裂性,能充分发挥材料的性能。已建工程大水头达212m,管径为1.25m。预应力钢筋混凝土管比金属管节省钢材用量80%~90%。
铸铁钢管多用于高水头地段,因耗用金属材料较多,应用较少。

2)在较好的土基上修建小型倒虹吸管可不设连续座垫,而设中间支墩,其间距视地基、管径大小等情况而定,一般采用2~8m。

3)为防止耕作、冰冻等不利因素影响,管道应埋设在耕作层以下;在冰冻区,管顶应布置在冰冻层以下;在穿越河道时,管顶应布置在冲刷线以下0.5m;当穿越公路时,为改善管身的受力条件,管顶应埋设在路面以下1.0m左右。

4)为了防止管道因地基不均匀沉陷及温度过低产生较大的纵向应力,使管身发生横向裂缝,管身应设置伸缩缝,缝内设止水。缝的间距应根据地基、管材、施工、气温等条件确定。现浇钢筋混凝土管缝的间距,在土基上一般为15~20m;在岩基上一般为10~15m。如果管身与岩基之间设置油毛毡垫层等措施,以减小岩基对管身收缩约束作用,且管身采用分段间隔浇筑时,缝的间距可增大至30m。

伸缩缝的形式主要有平接、套接、企口接(图8-73)以及预制管的承插式接头等。缝的宽度一般为1~2cm,缝中堵塞沥青麻绒、沥青麻绳、柏油杉板或胶泥等。

水工建筑物——倒虹吸_11
管身伸缩缝形式(单位:cm)
(a)平接;(b)管壁等厚套接;(c)管壁变厚套接;(d)企口接1—水泥砂浆封口;2—沥青麻绒;3—金属止水片;4—管壁;5—沥青麻绳;6—套管;7—石棉水泥;8—柏油杉板;9—沥青石棉;10—油毛毡;11—伸缩缝

现浇管一般采用平接或套接,缝间止水用金属止水片等。近几年用塑料止水带代替金属止水,以及使用环氧基液贴橡皮已很普遍。
预制钢筋混凝土管及预应力钢筋混凝土管的管节接头处即为伸缩缝。接头形式有平口式和承插式。承插式接头安装方便,密封性好,具有较大的柔性,目前大多采用这种形式(图8-74)。
为了清除管内淤积泥沙,放空管内积水和便于检修,在管段上应设置冲沙放水孔。冲沙放水孔也常兼作进人孔,进人孔也可设在镇墩上。

镇墩
在倒虹吸管的变坡及转弯处都应设置镇墩,其主要作用是连接和固定管道。在斜坡段,若坡度陡、长度大,为防止管身下滑,保证管身稳定,也应在斜坡段设置镇墩,其设置个数视地形、地质条件而定。

水工建筑物——倒虹吸_12
钢筋混凝土管承插式接头
a)平直形;(b)双楔形;(c)“63”形1—承口;2—插口;3—橡皮圈

镇墩的材料主要为砌石、混凝土或钢筋混凝土。砌石镇墩多用于小型倒虹吸工程。在岩基上的镇墩,可加锚杆与岩基连结,以增加管身的稳定性。
镇墩承受管身传来的荷载及水流产生的荷载,以及填土压力、自身重力等,为了保持稳定,镇墩一般是重力式的。
镇墩与管盖的连接形式有两种:刚性连接和柔性连接

水工建筑物——倒虹吸_13
镇墩与管端的连接(单位:cm)
(a)刚性连接;(b)柔性连接

刚性连接是把管端与镇墩混凝土浇筑在一起,砌石镇墩是将管端砌筑在镇墩内。这种形式施工简单,但适应不均匀沉降的能力差。由于镇墩的重量远大于管身,当地基可能发生不均匀沉陷时可能使管身产生裂缝,所以一般多用于斜管坡度大、地基承载能力大的情况。
柔性连接是用伸缩缝将管身与镇墩分开,缝中设止水,以防漏水。柔性连接施工比较复杂,但适应不均匀沉陷能力好,常用于斜坡较缓的土基上。
斜坡段上的中间镇墩,其上部与管道的连接多为刚性连接,下部多为柔性连接。
镇墩的形式和各部分尺寸,可参考下列经验数据:镇墩的长度约为管道内径的1.5~2.0倍;底部最小厚度为管壁厚度δ的2~3倍;镇墩顶部及侧墙最小厚度为30~50cm。转弯时前后管在镇墩内用圆弧弯管段连接,圆弧外半径R1一般为管内径的2.5~4.0倍,圆心角α与前后管段的中心线夹角相等。
砌石镇墩在砌筑时,可在管道周围包一层混凝土,其尺寸应考虑施工及构造要求。


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 发表于2020-10-19   |  只看该作者       筑龙币+10

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