倒虹吸设计.docx

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倒虹吸设计

1.引言4

2.设计依据文件和规范4

3.设计基本资料及主要参数4

4设计一般原则9

5.布置要求与优化设计9

6.水力计算11

7.结构设计12

8.有关构造、细部结构16

9.观测设计16

10.技术专题研究17

11.工程量计算17

12.应提供的设计成果17

１引言

格节河倒虹吸管是引汤灌区（电站或其他工程）的引汤引水渠上（桩号33＋800～36＋466）的输水（引水）建筑物，位于黑龙江省汤原县（市）胜利乡的格节河，对外交通为公路，距哈尔滨—罗北公路里程约2km。

按初步设计报告，本倒虹吸管经审定为：

设计流量17.31m3／s，采用方形过水断面，管径（宽×高）2.8×3m，根数3条，进出口设计水位差0.54m。

管体采用结构，设计最大水头0.57m，由进口段、管道、出口段及管道支承结构等建筑物组成，全长242m。

2设计依据文件和规范

2.1有关本工程主要文件

（1）初步设计文件（包括补充文件）；

一、概况

引汤灌区位于汤旺河下游松花江的北岸，黑龙江省汤原县境内，引汤灌区近期灌区范围，西起引汤渠首，东至乌龙河合阿凌达河，南起汤旺河、松花江交界，北至阶地的夹长条状，区内地形西北、东南低，地面坡度在1/5000左右。

近期灌区面积26.87万亩。

二、工程地质

引汤灌区的总干渠和干渠均布设在阶地的边缘。

粘性土较厚，一般在2-4m左右,其下层为中砂和砂砾石，除沟谷外地下水位较深，一般在4-6m，大部分建筑物基础坐落在砂层上。

根据地质剖面图显示从上而下4-8米均为含壤土的细砾层，垂直渗透系数0.0865厘米/秒，渗透损失较大，休止角为水上35.5°、水下34°。

据《中国地震动参数区划图》（GB18306--2001），该区地震动峰值加速度0.05g，相当于地震基本烈度为VI度，地震动反应谱特征周期为0.35s。

属区域构造稳定区。

依据《水工建筑物抗震设计规范》SL203-1997,采用基本烈度作为设计烈度，不进行抗震设计。

三、总干渠36+466倒虹吸工程的格节河洪水按20年一遇洪水标准设计。

按50年一遇洪水标准校核。

工程级别为3级。

抗滑稳定安全系数：

基本组合1.25，特殊组合1.10.

四、水利要素：

上下游水位、渠道比降、渠底高程、渠道边坡、渠道底宽、地面高程、设计流量等见表X

（2）初步设计审批文件（包括对本工程的其他文件）；

（3）技术设计任务书；

（4）其它有关文件及资料。

2.2主要设计规范

（1）SDJ12－78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定（山区、丘陵区部分）（试行）；

（2）SDJ217－87水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（平原、滨海部分）（试行）；

（3）SDJ10－78①水工建筑物抗震设计规范（试行）；

（4）SDJ20-78②水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；

（5）SDJ207-82水工混凝土施工规范；

（6）SD303-88水电站进水口设计规范（试行）；

2.3主要参考资料

［1］《水工建筑物》第三版天津大学

［2］《水力学》（上下册）高速水力学国家重点实验室吴持恭第三版

［3］《结构力学》高等教育出版社龙驭球

［4］《钢筋混凝土结构学》

［5］AutoCAD2002中文版应用教程

［6］《灌溉与排水工程设计规范GB50288-99》等

3设计基本资料及主要参数

3.1工程等别与建筑物级别

（1）工程等别：

根据本工程规模及SDJ12-78或SDJ217－87规范，确定本工程为等工程。

（2）建筑物级别：

管道、支承结构及管道进出口段等各部建筑物的设计级别应按有关规范确定。

3.2地震烈度

（1）基本地震烈度：

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306--2001）,该区地震动峰值加速度0.05g，其地震基本烈度为VI度。

（2）设计地震烈度：

按《水工建筑物抗震设计规划》SL203-1997规定，本工程设计地震烈度为VI度。

3.3输水流量及允许水头损失

（1）输水流量（见表1）。

表1输水流量

序号

名称

数量，m3／s

备注

1

设计流量

41.11

2

加大流量

47.28

或校核流量

3

最小设计流量

41.11

4

常见的中小流量

44.81

（2）允许水头损失：

根据渠系水面线要求，通过设计流量时，本倒虹吸管允许最大水头损失值为m。

3.4输水水质

引汤灌区的总干渠和干渠均布设在阶地的边缘。

粘性土较厚，一般在2-4m左右,其下层为中砂和砂砾石，除沟谷外地下水位较深，一般在4-6m，大部分建筑物基础坐落在砂层上。

根据地质剖面图显示从上而下4-8米均为含壤土的细砾层，垂直渗透系数0.0865厘米/秒，渗透损失较大，休止角为水上35.5°、水下34°。

3.5进出口渠道要素（见表2）

表2进出口渠道要素表

序号

名称

进口渠道

出口渠道

备注

1

土质类别

2

断面形式

3

渠道边坡

4

断面尺寸，m×m

5

底坡i

6

糙率n

7

渠底高程，m

8

设计流量（Q＝m3／s）时

水面高程，m

9

加大流量（Q＝m3／s）时

水面高程，m

或校核流量

10

最小流量（Q＝m3／s）时

水面高程，m

11

常见中小流量（Q=m3/s）时

水面高程，m

12

堤顶高程，m

3.6管线区的地形资料（见表3）

表3地形资料

序号

名称

施测范围与要求

比例尺

1

平面地形图

1.包括进出口段的渠道

2.地形图宽度应视布置要求拟定：

一般在管轴线两侧各100m

左右一般采用1：

200～1∶500，若管线太长（大于1000m）可采用1∶1000～1∶2000（指管道段部分）

2

纵剖面图

沿拟定的轴线施测

水平与垂直比例尺可以不同，视具体情况定

3

横剖面图

根据具体情况选在各控制点上

视具体情况定

3.7管线区的地质资料

（1）管线区的综合地质平面图（1∶200～1∶500，管线长于1000m时1∶1000～1∶2000）；

（2）管线纵、横地质剖面图（1∶200～1∶500）；

（3）管线区不良地质构造处及特殊地段（如跨越河溪、道路等）的平面图、剖面图（1∶200～1∶500）及有关专题报告；

（4）建筑材料产地、贮量及质量分布图；

（5）地基及回填土的物理力学指标（见表4、表5，包括不同的管段区）；

（6）地质报告或说明书。

表4地基物理力学指标

管段区名：

序号

项目名称

单位

部位

指标

备注

1

地基岩性

2

地基允许承载能力

MPa

3

地基变形模量

MPa

4

建筑物与地基间的摩擦系数f

5

建筑物与地基间的凝聚力C

MPa

6

地基内部滑动面的摩擦系数f'

7

地基内部滑动面的凝聚力C'

MPa

8

临时开挖边坡1∶m

水上

水下

9

永久开挖边坡1∶m

水上

水下

…

表5回填土的物理力学指标

管段区名：

序号

项目名称

单位

部位

指标

备注

1

回填土的名称

2

回填土的容重γ

kN／m3

3

回填土的内摩擦角φ

（°）

4

回填土的粘着力Ｃ

MPa

…

3.8水文气象资料

（1）气温及水温：

多年实测的日平均气温及水温，或月平均资料（见表6）；

表6多年月平均气温与水温资料单位：

℃

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

平均气温

平均水温

（2）极端最高气温℃（发生在年月日）；

（3）极端最低气温℃（发生在年月日）；

（4）多年平均最大风速m／s（风向）；

（5）冰冻期为月，结冰厚度m，持续最长时间d，冻土层厚度m；

（6）地下水埋深；

（7）冰凌资料。

3.9专题资料

提示：

当倒虹吸管通过或跨越河溪、道路等时，需要有下列内容的专题资料。

（1）跨越河溪：

查清楚河溪该处的最高洪水位、一般河水位、最低河水位，相应的流量、流速，以及通航和冲刷等情况；

（2）跨越铁路、公路：

要了解该路段的交通运输，今后发展及对本工程的要求等有关情况。

3.10材料特性

3.10.1混凝土

（1）混凝土设计强度与弹性模量见表7。

表7混凝土设计强度与弹性模量表单位：

MPa

混凝土

标号

设计强度

弹性模量Eh

轴心抗压Ra

弯曲抗压Rw

抗拉RI

抗裂Rf

（2）混凝土的其它参数见表8。

表8混凝土其他参数

序号

名称

单位

数值

备注

1

素混凝土容重

kN／m3

2

钢筋混凝土容重

kN／m3

3

混凝土抗渗标号

4

混凝土抗冻标号

5

混凝土线膨胀系数α

℃-1

3.10.2钢筋设计强度及弹性模量，见表9

表9钢筋设计强度及弹性模量

钢筋品种

符号

直径

mm

设计强度，Mpa

弹性模量EgGPa

受拉Rg

受压R'g

3.10.3其他

3.11安全系数

（1）混凝土结构构件强度安全系数见表10。

表10混凝土结构构件强度安全系数

建筑物级别

荷载组合

基本

特殊

基本

特殊

基本

特殊

按抗压强度计算的受压构件、局部承压

按抗拉强度计算的受压、受拉、受弯构件

（2）钢筋混凝土结构构件强度安全系数见表11。

表11钢筋混凝土结构构件强度安全系数

建筑物级别

荷载组合

基本

特殊

基本

特殊

基本

特殊

轴心受压构件、偏心受压构件、局部承压、斜截面受剪、受扭

轴心受拉、受弯、偏心受拉构件

（3）钢筋混凝土结构构件使用中不允许出现裂缝的抗裂安全系数（Kf），见表12。

表12钢筋混凝土结构构件抗裂安全系数Kf

建筑物级别

荷载组合

基本

特殊

基本

特殊

基本

特殊

轴心受拉、小偏心受拉构件

受弯、偏心受压、大偏心受拉构件

（4）建筑物稳定安全系数见表13。

表13建筑物稳定安全系数

序号

建筑物名称

抗滑

抗倾

基本

特殊

基本

特殊

1

管道与管座

2

管座与地基

3

镇墩与地基

4

边墙与地基

3.12其他系数

（1）管节搬运、吊装等动力系数：

Kη＝：

（2）管体与管座之间的摩擦系数：

f＝。

4设计一般原则

4.1倒虹吸管设计除执行本大纲外，还应符合有关标准、规程和规范的规定。

4.2倒虹吸管是引水建筑物，其工作情况及设计要求必须满足整个引水工程规划设计的要求。

4.3鉴于温度荷载对管道应力影响较大，又难于准确计算，因此，在管道设计中，应采取适当的构造措施，尤其要注重隔温措施，一般尽量采用掩埋式或其它隔温结构，以减小温度荷载对管道应力的影响。

4.4混凝土收缩的影响在设计上一般不进行计算，只提请施工部门采取措施，应控制均匀收缩在允许范围之内，并应尽量避免非均匀收缩。

4.5地震力为特殊荷载，设计中一般可不考虑，应着重采取抗震结构及工程措施。

只有对７度以上地震区的大型倒虹吸管，且是露天铺设时，应按SDJ10-78的要求进行设计。

4.6倒虹吸管主要是承受较大的内水压力荷载，因此，钢筋混凝土管道结构应按不允许开裂的要求进行设计。

4.7因混凝土具有易裂性，对混凝土水管，尤其是高压管，应从结构构造、布筋、施工等方面注重采取抗裂防渗措施。

4.8在结构设计中，应充分考虑施工中（如用顶管法、盾构法施工，或管道通过河谷道路等）的一些特殊要求。

4.9在寒冷地区，应按防冻要求设计，采取必要的防冻措施。

5布置要求与优化设计

5.1一般规定

提示：

（1）管线布置应根据地形、地质条件，工程规模和工程总体布置要求，经技术经济比较后确定。

一般要求线路宜短而直，使水流平顺、水头损失小、工程量少、造价低，并且应充分考虑施工、运行管理与维修的方便和安全。

（2）管线应选择在地形、地质条件优越地区，应避开滑坡、崩塌或受地下水危害等地段。

（3）管线在立面上，应力求避免上凸现象。

若不能避开时，应在管道适当部位设置通气阀。

（4）管线布置时，要注意布置冲砂、放空及进人检修等设施。

对吊装管道还应布置便于拆换管节的活动接头。

（5）管道及进出口段应尽可能布置在挖方地基上，以减少沉陷、渗漏及塌方等现象。

（6）园形管道的转弯半径不宜小于３倍管径。

位置相近的平面转弯和立面转弯宜合并为空间转弯。

位置相近的弯管和渐变段宜合并为渐变弯管段。

（7）埋管的掩埋深度：

保温：

管顶埋入土内0.5m～0.8m；

防冻：

管顶埋入冻土层以下0.5m（黄河以南地区），1.0m（华北地区），1.5m（东北、内蒙、新疆地区）；

防冲：

管顶至少应低于冲刷线以下0.5m；

道路或沟渠下的埋管：

管顶应低于道路面或渠底以下1.0m；

耕作层：

管顶应在耕作层以下（一般机耕的耕作层深度为0.6m～1.0m）；

地震区：

埋深不得小于1.5m～2.0m。

5.2进出口段

提示：

（1）进出口段应根据工程具体情况要求布设沉砂池、拦沙坎、冲砂闸、泄水闸、控制闸、消力池、拦污栅、喇叭口、渐变段等结构物。

（2）进出口各结构物的型式及高程应保证在通过不同流量时，管道进出口处的水流为淹没流，防止产生水跃及漏斗式涡流带入空气。

边界力求圆滑平顺，以减少水头损失。

进水口布置应参照SD303-88有关章节条款的要求。

（3）一般情况下，进出口是按设计流量为淹没流进行设计的。

但在其他流量时，可能出现非淹没的急流，因此为了改善此种水流状态，在进出口处可设置消力池、控制闸等建筑物连接。

5.3管道段

5.3.1管道的断面形式及尺寸、根数、材料及支承结构选择

提示：

一般应根据工程规模及工程的具体条件，经技术经济比较后确定。

5.3.2管座形式选择

提示：

园形管座的形式有素土平基、弧形土基、刚性弧形管座、内园外城门型、梁式支承、两点式支承、中空式刚性弧形管座等多种。

管座形式对管道应力影响较大，应根据工程具体情况慎重选择，或经技术经济比较后确定。

5.3.3镇墩布置

（1）管道转弯处应设置镇墩；

（2）镇墩在管道直段上的设置。

提示：

管道布置在一般坡度上时，每50m～100m设一个镇墩。

当布置在坡度陡、长度大的斜坡上时，还应在斜坡管道中间加设镇墩，以防止管体下滑。

镇墩间距应根据地形地质条件，经计算确定。

当管道的平直段较长时，一般每隔150m～200m，或更长距离设置镇墩。

5.3.4管节长度与伸缩沉陷缝

提示：

（1）管节与管节之间设伸缩沉陷缝。

因此，管节长度也就是管道伸缩沉陷缝的间距。

（2）管节与管节之间接头型式：

对现浇钢筋混凝土管主要有平接和套接，前者用于水头比较低的管道；预制管和预应力管大多采用承插式接头。

（3）管节长度一般应根据不同管材、地基、施工工艺及温度等条件拟定。

现浇混凝土管：

管节长度在土基上一般为15m～20m，在岩基上为10m～15m。

若采取适当措施，如在管身与管座之间设置油毛毡垫层，且管身又采用分段间隔浇筑，对管径小于或等于1.5m的管道则管节长度（伸缩缝间距）可增大至30m。

预制混凝土管：

管节长度一般在5m以内，个别的也有长达8m。

5.3.5专题设计

提示：

专题设计的项目可能有：

桥式支承结构（拱、排架、梁），较大的基础处理，露天式管道的保温结构以及跨越河溪、路障等，应根据具体情况与需要进行专题设计。

6水力计算

提示：

倒虹吸管是有压的输水建筑物，一般由进口段、管道段和出口段组成，其水力计算的主要任务：

（1）确定管道过水断面尺寸和管道根数；

（2）确定进出口段布置、尺寸及各部位高程；

（3）校核过水能力、水头损失及水面衔接是否满足设计要求。

6.1计算任务

6.2管道流速

提示：

根据经验：

（1）混凝土管：

当通过设计流量时，管内平均流速一般为1.5m/s～3.0m/s，最大可达4m/s；最小流速按通过最小流量时，管内流速应大于挟砂流速；

（2）钢管：

糙率小，造价又较高，流速可取大些，一般为4m/s～6m/s。

倒虹吸管内流速应根据允许水头损失值，经技术经济比较和管内不淤条件选定。

6.3水头损失计算

提示：

倒虹吸管水头损失包括局部水头损失和沿程水头损失两大部分。

其中局部水头损失包括拦污栅、进口、门槽、渐变段、弯头、管节接头、出口等。

各类水头损失的计算可参照SD303-88附录四公式计算。

6.4管道过水能力的核算

倒虹吸管内的水流为压力管流，故其管道内的过水能力按压力管流公式计算。

提示：

计算步骤及公式参照《水工手册》第8卷第40章及武汉水利电力学院编《水力计算手册》中有关章节。

提示：

倒虹吸管进出口一般先按设计流量以淹没流型式进行设计，然后验算以下两种工况：

（1）通过中小流量时，进出口是否仍为淹没流。

（2）校核通过加大流量时，进出口渠道水位高程、渠堤顶部是否满足安全运行要求。

当管道出口流速较大时，尚应验算加大流量时的水面衔接情况。

如出现远驱式水跃时，须设置出口消力池连接结构。

当通过中小流量时，若进出口渠道水头差值（Z）大于管道总水头损失（hω）时，进口水面可能在管内出现跌落而产生水跃，引起脉动和掺气，影响安全运行。

这时应根据总水头损失大小，对进出口设计进行修正，其修正方法见《水工手册》第8卷第40章。

6.5进出口水面衔接的验算

7结构设计

7.1荷载及其组合

7.1.1荷载

7.1.1.1基本荷载

（1）自重（包括管道隔温结构的自重）；

（2）满管水重；

（3）设计内水压力；

（4）外水压力；

（5）管道弯曲段水流的离心力；

（6）土压力；

（7）地面荷载；

（8）支座反力；

（9）温度荷载；

（10）雪荷载。

7.1.1.2特殊荷载

（1）校核内水压力；

（2）地震力。

提示：

各类荷载计算公式及方法，参见主要参考资料中有关章节。

7.1.2荷载组合

提示：

设计倒虹吸管时，荷载组合应根据工程布置型式及运用期间可能出现的最不利的情况进行全面考虑。

一般荷载组合分为基本组合和特殊组合两大类。

基本组合由基本荷载所组成；特殊组合除相应的基本荷载外，尚应包括一种或几种特殊荷载。

荷载组合一般应按表14～16采用，但有时还要考虑其它可能的荷载及可能的最不利组合。

（1）管道横向计算的荷载组合，见表14。

表14管道横向计算的荷载组合表

管道类型

荷载组合

基本荷载

特殊荷载

备注

自重

满管水重

设计内水压力

外水压力

土压力

地面荷载

温度荷载

雪荷载

支座反力

校核内水压力

地震力

露天管

基本组合

√

√

√

√

√

√

特殊组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

特殊组合（Ⅱ）

√

√

√

√

√

√

掩埋管

基本组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

√

√

√

基本组合（Ⅱ）

√

√

√

√

√

√

空管

特殊组合

√

√

√

√

√

√

√

√

河床埋管

基本组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

√

基本组合（Ⅱ）

√

√

√

√

管道检修期

特殊组合

√

√

√

√

√

√

（2）管道纵向计算的荷载组合，见表15。

表15管道纵向计算的荷载组合

管道类型

荷载组合

基本荷载

特殊荷载

备注

自重

满管水重

设计内水压力

外水压力

土压力

地面荷载

温度荷载

雪荷载

支座反力

校核内水压力

地震力

露天管

基本组合

√

√

√

√

√

√

特殊组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

√

特殊组合（Ⅱ）

√

√

√

√

√

√

√

掩埋管

基本组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

√

√

√

基本组合（Ⅱ）

√

√

√

√

√

√

空管

特殊组合

√

√

√

√

√

√

√

河床埋管

基本组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

√

基本组合（Ⅱ）

√

√

√

√

管道检修期

特殊组合

√

√

√

√

√

√

（3）镇墩计算的荷载组合，见表16。

表16镇墩计算的荷载组合

管道类型

荷载组合

基本荷载

特殊荷载

备注

自重

水重

设计内水压力

外水压力

水流离心力

土压力

地面荷载

管道作用力

雪荷载

校核内水压力

地震力

露天管

基本组合

√

√

√

√

√

特殊组合（Ⅰ）

√

√

√

√

√

特殊组合（Ⅱ）

√

√

√

√

√

√

掩埋管

基本组合

√

√

√

√

√

√

√

√

特殊组合

√

√