(四川省水利水電勘測設計研究院規(guī)劃設計分院，四川 德陽，618000)

在水利工程建設中，當輸水渠道遇到河流、洼地、山谷、公路、鐵路等阻礙物時，可采用下埋式或橋管式倒虹吸管。特別是跨越河道時，一般考慮行洪安全，采用下埋式倒虹吸管。本文以金王寺水庫右干渠橋洞頭倒虹管為例，介紹倒虹吸管線路布置、管徑確定、水力計算等幾個問題。

1 線路布置

倒虹吸軸線平面投影應盡量為直線，并應與河道、溝渠、道路軸線正交。若不能避免平面轉(zhuǎn)彎，應按照盡量減小水頭損失的原則布置軸線。

橋洞頭倒虹吸管位于右干渠，設計流量2.03m3/s，主要由節(jié)制泄水閘、進水池、管身段以及出水池組成。上游渠道底高程416.81m，上游設計水位417.94m，渠頂高程418.71m，倒虹吸管管道長度251m。

2 管徑確定

渠道工程中，倒虹吸管下游側(cè)的灌溉范圍高程取決于倒虹吸管水頭損失，故確定倒虹吸管管徑應從兩方面著手：①管道流速；②可利用水頭。管道流速與管徑成反比，流速與水頭損失成正比，所以確定一個合適的管徑需綜合考慮流速和水頭。平原地區(qū)，可利用水頭較小，適合選擇較大管徑、較小流速，以盡量增加渠道灌溉面積，流速盡量控制在1.2m/s～2.5m/s之間；山丘地區(qū)，水頭較充裕，管內(nèi)流速選擇上限可適當放寬至4.0m/s，最小流速應不低于0.9m/s。

線路布置和管徑確定后，進出水口的水面高差(下文稱“上下游水位差”)與過流能力必將是一一對應的關(guān)系，同時可知，當?shù)购缥茌斔芰o法與上下游渠道流量保持一致時，則會導致上下游水位差和流量也隨之變化。這是一個逐漸趨于平衡的過程。

3 水力設計

3.1 定性分析

如圖1所示，倒虹吸管輸水能力是由損耗水頭z產(chǎn)生的。每種工況下，倒虹吸管總水頭損失z不同，并與流量成正比，z最大>z設計>z最小(z最大、z設計、z最小對應圖3中z3、z2、z1)。以倒虹吸管穩(wěn)定通過最小流量Q最小為起點開始分析，此時上下游水頭差為h小，h小=z1；當流量逐漸增大，上游來

圖1 水力計算示意

水量增大，水深增大，導致上下游水位差增加，流速加快，直至過流能力達到設計流量Q設計，此時，上下游水位差為h設，h設=z2，倒虹吸管過流能力穩(wěn)定到設計流量；同理，上游來水量漸變至加大流量Q最大，并穩(wěn)定在加大流量時，上下游水位差為h大，h大=z3。最大流量、最小流量的確定依據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288-99)6.1.8-9的規(guī)定。

上游渠底高程為確定值，不同流量對應不同水位，確定合理的進水池和出水池水位，可以使倒虹吸管過流能力與上下游渠道過流能力盡量一致，水流狀況銜接良好。如何確定出水池水位及高程能確保各種工況都能正常運行成為設計中的重點和難點。

3.2 定量計算

以橋洞頭倒虹吸管為例，按規(guī)范要求，加大百分數(shù)取30%，最小流量取設計流量的50%。橋洞頭最小流量Qmin、設計流量Q設計、最大流量Qmax工況下水力特性見表1。

表1水力特性

由計算可知，上游渠底高程均為416.81m，最小流量、設計流量、最大流量對應的下游水位分別為417.17m、417.00m、416.61m。最小流量、設計流量、最大流量對應的下游渠底高程分別為416.28m、415.87m、415.23m。

采用哪種工況的結(jié)果為準進行結(jié)構(gòu)布置，擬采用試算法，即分別試用三種工況的計算結(jié)果進行進出水池結(jié)構(gòu)布置，驗算在其他工況下能否滿足設計要求，能否滿足過流能力要求。

3.2.1 試用最小流量計算結(jié)果

即選取最小流量計算成果中的下游渠底高程416.28m，計算設計工況及加大工況下的上游水位和可輸送流量(下文稱“過流能力”)，結(jié)果見表2。

表2最小流量試算其他工況

由計算可知，若采用最小流量工況成果確定下游渠底高程，在通過Q設計及Qmax時，上游水深超過正常水深，產(chǎn)生雍水，降低了上游渠道過流能力，不滿足設計要求，不可行。

3.2.2 試用設計流量計算結(jié)果

即選取設計流量計算成果中的下游渠底高程415.87m，計算設計工況及加大工況下的上游水位和過流能力，結(jié)果見表3。

表3設計流量試算其他工況

由計算可知，若采用設計流量工況成果確定下游渠底高程，在通過Qmin時，上游水深小于正常水深，進水池內(nèi)水面跌落，最小過流能力可保證。通過Qmax時，上游水深超過正常水深，產(chǎn)生雍水，上游渠道過流能力降低，不滿足最大過流能力設計要求，不可行。

3.2.3 試用最大流量計算結(jié)果

即選取最大流量計算成果中的下游渠底高程415.23m，計算設計工況及加大工況下的上游水位和過流能力，結(jié)果見表4。

表4最大流量試算其他工況

由計算可知，若采用最大流量工況成果確定下游渠底高程，在通過Qmin和Q設計時，上游水深均小于正常水深，進水池內(nèi)水面跌落，過流能力均可保證，方案可行。

綜合上述試算成果知，橋洞頭倒虹吸管設計中，下游渠道底高程應根據(jù)最大流量工況確定為415.23m，通過最小流量和設計流量時，進水池內(nèi)水面降落值分別為1.05m、0.64m。進水口管道頂高程應滿足淹沒深度要求，取最小淹沒深度0.5m。橋洞頭倒虹吸管上游渠道底高程416.81m，進水池最高、設計、最低水位分別為418.19m、417.30m、416.65m。進口段布置成消力池形式。

4 結(jié)語

綜上所述，倒虹吸管設計中的難點為下游渠道高程的確定及進水口結(jié)構(gòu)布置，下游渠道高程應根據(jù)最大流量確定，進水口最低高程則是由最小流量時進水池內(nèi)水面跌落值決定，按此原則進行設計，可以確保倒虹吸管前后渠道水面銜接良好，水流暢通，在各種工況均能安全運行。