倒虹吸管

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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。

倒虹吸管

特点

倒虹吸管与渡槽相比,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。

材料

目前,国内外倒虹吸管应用较广的有钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管和钢管三种。

钢筋混凝土管具有耐久、低廉、变形小、糙率变化小、抗震性能好等优点。一般适用于中等水头(50~60m)以下情况。

预应力钢筋混凝土管在抗裂、抗渗和抗纵向弯曲的性能均优于钢筋混凝土管,且节约钢材,又能承受高压水头作用。在同管径、同水头压力条件下,预应力钢筋混凝土管的钢筋用量仅为钢管的20%~40%,比钢筋混凝土管可节约20%~30%的钢筋,且可节省劳力约20%。故一般对于高水头倒虹吸管,优先采用此种。

钢管具有很高的承载力和抗渗性,而造价较高,可用于任何水头和较大的管径。如陕西韦水倒虹吸管,钢管直径达2.9m。

带钢衬钢筋混凝土管,能充分发挥钢板与混凝土两者的优点,主要适用于高水头、大直径的压力管道工程。

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。

1.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。

2.斜管式

多用于压力水头较小,穿越渠道、河流的情况。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。

3.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(图8-68)。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。

4.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。

(二)进出口布置

1.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。

2.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。

3.管身及镇墩的布置

(1)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。

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。

(2)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。

适用

当渠道与障碍物间相对高差较小,不宜修建渡槽或涵洞时,可采用倒虹吸管;当渠道穿越的河谷宽而深,采用渡槽或填方渠道不经济时,也常采用倒虹吸管。

水力

倒虹吸管的水力计算,主要是根据渠道规划所确定的上游渠底高程、水位、通过的流量和允许的水头损失,通过水力计算确定倒虹吸管的断面尺寸、水头损失值及进出口的水面衔接。

实际工作中,渠道在规划时已确定渠道断面形式和上游渠底高程、倒虹吸管通过的流量和允许水头损失值。因此,倒虹吸管的水力计算内容有下列几种情况:

(1)根据需要通过的流量和允许的水头损失,确定管道的断面形式和尺寸。

(2)根据允许的水头损失和初步拟定的断面尺寸,校核能否通过规定的流量。

(3)根据需要通过的流量及拟定的管内流速,校核水头损失是否超过允许值。

管内流速应根据技术经济比较和不淤条件进行确定。

当通过设计流量时,管内流速通常为1.5~3.0m/s,最大流速一般按允许水头损失值控制,在允许水头损失值范围内应尽可能选择较大的流速,以减小管径。

当倒虹吸管的断面尺寸和下游渠道底部高程确定后,应核算小流量时是否满足不淤要求。若计算出的管身断面尺寸较大或通过小流量时管内流速过小,可考虑双管或多管布置。

维修

1.裂缝漏水的处理

倒虹吸管裂缝现象较为普遍,按其发生的部位和形状一般分为纵向裂缝、横向(环向)裂缝和龟纹裂缝。处理裂缝之前,应查明其部位和开裂程度(缝的长、宽、深及范围),分析裂缝的性质和原因,以采取有效的措施。有关资料和试验表明,凡管壁裂缝宽度小于0.1mm的,对渗漏和钢筋锈蚀均无显著影响,可不做处理;当裂缝宽度超过0.1mm时应进行处理,以防裂缝漏水,造成破坏。

裂缝的处理,应达到管身补强和防渗漏的目的,如内衬钢板、钢丝网水泥砂浆、钢丝网环氧砂浆、环氧砂浆贴橡皮、环氧基液贴玻璃丝布、聚氯乙烯胶泥填缝及涂抹环氧浆液等。

2.接头漏水的处理

对于受温度影响较大,仍需保持柔性接头的管道,可先在接缝处充填沥青麻丝,然后在内壁表层用环氧砂浆贴橡皮。对于已填土并且受温度影响较小的埋管,可改用刚性接头,并在一定距离内设柔性接头。刚性接头施工时,可在接头内外口填入石棉或水泥砂浆,内设止水环,并在内壁面上涂抹环氧树脂。

钢制倒虹吸管的接头漏水,主要原因通常有主管壁薄,刚度不足,受力变形后不能与伸缩节的外套环钢板相吻合,或者是伸缩节内所填充的止水材料不够密实,或者压缩后回弹不足。为了防止钢制倒虹吸管接头漏水,首先要求设计时,采用加强管壁刚度的有效措施,在运用管理中,每年的冬修都必须拆开伸缩节,进行止水材料的更换。

管理

由于管理运用不当,将使倒虹吸管产生上述的破坏现象,因此要经常进行检查和养护,主要内容包括下述几个方面。

(1)初次放水或冬修后,不应放水太急,以防回水的顶涌破坏。

(2)与河谷交叉的倒虹吸管,要做好护岸工程,并经常保持完整,防止冲刷顶部的覆土。

(3)顶部上弯的管顶应设放气阀,第一次放水时,要把其打开,排除空气,以免造成负压,引起管道破坏。

(4)寒冷地区,冰冻前应将管内积水抽干。若抽水困难较大时,也可将进出口封闭,使管内温度保持在0℃以上,以防冻裂管道。

(5)闸门、拦污栅、排气阀要经常维护,确保操作运用灵活。